Un cigüeñal es un componente mecánico utilizado en un motor de pistón para convertir el movimiento alternativo en movimiento de rotación . El cigüeñal es un eje giratorio que contiene una o más muñequillas , [1] que son impulsadas por los pistones a través de las bielas . [2]
Las muñequillas también se denominan muñones de cojinete de biela y giran dentro del "extremo grande" de las bielas.
La mayoría de los cigüeñales modernos están ubicados en el bloque del motor . Se fabrican en acero o hierro fundido , mediante un proceso de forja , fundición o mecanizado .
El cigüeñal ubicado dentro del bloque del motor , se mantiene en su lugar mediante cojinetes principales que permiten que el cigüeñal gire dentro del bloque. [3] El movimiento hacia arriba y hacia abajo de cada pistón se transfiere al cigüeñal a través de bielas . [4] A menudo se coloca un volante en un extremo del cigüeñal para suavizar la entrega de potencia y reducir la vibración. [5]
Un cigüeñal está sometido a enormes tensiones, en algunos casos más de 8,6 toneladas (19.000 libras) por cilindro. [6] Los cigüeñales para motores de un solo cilindro suelen tener un diseño más simple que el de los motores con varios cilindros.
El cigüeñal puede girar en el bloque del motor gracias a los "cojinetes principales". Dado que el cigüeñal está sujeto a grandes fuerzas horizontales y de torsión de cada cilindro, estos cojinetes principales están ubicados en varios puntos a lo largo del cigüeñal, en lugar de solo uno en cada extremo. [7] El número de cojinetes principales se determina en función del factor de carga total y del régimen máximo del motor. Los cigüeñales de los motores diésel suelen utilizar un cojinete principal entre cada cilindro y en ambos extremos del cigüeñal, debido a las altas fuerzas de combustión presentes. [8]
La flexión del cigüeñal fue un factor en los motores V8 que reemplazaron a los motores de ocho cilindros en línea en la década de 1950; Los largos cigüeñales de este último sufrieron una cantidad inaceptable de flexión cuando los diseñadores de motores comenzaron a utilizar relaciones de compresión más altas y velocidades del motor (RPM) más altas. [9]
La distancia entre el eje de las muñequillas y el eje del cigüeñal determina la longitud de carrera del motor. [1]
La mayoría de los motores de automóviles modernos se clasifican como "sobrecuadrados" o de carrera corta, [ cita necesaria ] en los que la carrera es menor que el diámetro del cilindro . Una forma común de aumentar el par a bajas RPM de un motor es aumentar la carrera, a veces conocida como "acariciar" el motor. Históricamente, la compensación de un motor de carrera larga era un límite de revoluciones más bajo y una mayor vibración a altas RPM, debido al aumento de la velocidad del pistón. [10]
Al diseñar un motor, la configuración del cigüeñal está estrechamente relacionada con el orden de encendido del motor . [11] [12]
La mayoría de los motores V8 de producción (como el motor Ford Modular y el motor General Motors LS ) utilizan una manivela transversal en la que los giros de la manivela están espaciados 90°. [13] Sin embargo, algunos motores V8 de alto rendimiento (como el Ferrari 488 ) [14] [15] en su lugar utilizan una manivela plana , mediante la cual los tiros están espaciados 180°, lo que esencialmente da como resultado dos motores de cuatro en línea. compartiendo un cárter común. Los motores planos suelen funcionar a RPM más altas, sin embargo, tienen vibraciones de segundo orden más altas, [16] por lo que se adaptan mejor a los motores de coches de carreras. [17]
Para algunos motores es necesario prever contrapesos para la masa alternativa del pistón, las bielas y el cigüeñal, con el fin de mejorar el equilibrio del motor . [18] [19] Estos contrapesos generalmente se funden como parte del cigüeñal pero, ocasionalmente, son piezas atornilladas. [ cita necesaria ]
En algunos motores, el cigüeñal contiene enlaces directos entre pasadores de cigüeñal adyacentes, sin el habitual cojinete principal intermedio. Estos enlaces se llaman brazos voladores . [20] : 16, 41 Esta disposición se usa a veces en motores V6 y V8 , para mantener un intervalo de encendido uniforme mientras se usan diferentes ángulos en V y para reducir la cantidad de cojinetes principales necesarios. La desventaja de los brazos volantes es que se reduce la rigidez del cigüeñal, lo que puede causar problemas a altas RPM o altas potencias. [21]
En la mayoría de los motores, cada biela está unida a un solo cigüeñal, lo que hace que el ángulo de la biela varíe a medida que el pistón se mueve a lo largo de su carrera. Esta variación de ángulo empuja los pistones contra la pared del cilindro, lo que provoca fricción entre el pistón y la pared del cilindro. [22] Para evitar esto, algunos de los primeros motores, como los motores bicilíndricos planos de Lanchester Engine Company de 1900-1904 , conectaban cada pistón a dos cigüeñales que giraban en direcciones opuestas. Esta disposición anula las fuerzas laterales y reduce la necesidad de contrapesos. Este diseño rara vez se utiliza, sin embargo, se aplica un principio similar a los ejes de equilibrio , que se utilizan ocasionalmente.
Los cigüeñales se pueden crear a partir de una barra de acero mediante forjado por rodillos . Hoy en día, los fabricantes tienden a favorecer el uso de cigüeñales forjados debido a su menor peso, dimensiones más compactas y mejor amortiguación inherente. En los cigüeñales forjados, se utilizan principalmente aceros microaleados de vanadio , ya que estos aceros pueden enfriarse por aire después de alcanzar altas resistencias sin tratamiento térmico adicional, excepto para el endurecimiento superficial de las superficies de los cojinetes. El bajo contenido de aleación también hace que el material sea más barato que los aceros de alta aleación. Los aceros al carbono también requieren un tratamiento térmico adicional para alcanzar las propiedades deseadas.
Otro método de construcción es fundir el cigüeñal de forma dúctil. Hoy en día, los cigüeñales de hierro fundido se encuentran principalmente en motores de producción más baratos, donde las cargas son menores.
Los cigüeñales también se pueden mecanizar a partir de palanquilla , a menudo una barra de acero refundido al vacío de alta calidad . Aunque el flujo de fibras (inhomogeneidades locales de la composición química del material generadas durante la fundición) no sigue la forma del cigüeñal (lo cual es indeseable), esto no suele ser un problema ya que los aceros de mayor calidad, que normalmente son difíciles de forjar, pueden ser usado. Por unidad, estos cigüeñales suelen ser muy costosos debido a la gran cantidad de material que se debe eliminar con tornos y fresadoras, el alto costo del material y el tratamiento térmico adicional requerido. Sin embargo, dado que no se necesitan herramientas costosas, este método de producción permite pequeñas tiradas de producción sin altos costos iniciales.
Las primeras manivelas manuales aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). Se utilizaban para devanar la seda, para hilar el cáñamo, para el aventador agrícola , en el tamizador de harina accionado por agua, en los fuelles metalúrgicos hidráulicos y en el molinete de pozo . [25] El ventilador giratorio para aventar aumentó enormemente la eficiencia de la separación del grano de las cáscaras y los tallos. [26] [27] Sin embargo, el potencial de la manivela para convertir el movimiento circular en movimiento recíproco nunca parece haberse realizado completamente en China, y la manivela estuvo típicamente ausente en tales máquinas hasta principios del siglo XX. [28]
Una manivela en forma de mango de molino giratorio montado excéntricamente apareció en la España celtíbera del siglo V a. C. y finalmente se extendió por todo el Imperio Romano . [29] [23] [24] En Augusta Raurica , Suiza , se excavó una manivela de hierro romana que data del siglo II d.C. [30] [31] El molino romano de manivela data de finales del siglo II. [32]
Aparecen pruebas de la manivela combinada con una biela en el molino de Hierápolis , que data del siglo III; también se encuentran en aserraderos de piedra en la Siria romana y Éfeso que datan del siglo VI. [33] El frontón del molino de Hierápolis muestra una rueda hidráulica alimentada por una carrera de molino que acciona, a través de un tren de engranajes, dos sierras de bastidor que cortan bloques mediante una especie de bielas y manivelas. [34] Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos documentados arqueológicamente funcionaban sin engranaje. [35] [36] Las sierras de mármol impulsadas por agua en Alemania fueron mencionadas por el poeta Ausonius de finales del siglo IV ; [33] Casi al mismo tiempo, estos tipos de molinos también parecen ser indicados por Gregorio de Nisa de Anatolia . [37] [33] [38]
En el manuscrito carolingio Salterio de Utrecht se muestra una muela giratoria [39] accionada por una manivela ; el dibujo a pluma de alrededor del año 830 se remonta a un original antiguo tardío. [40] Las manivelas utilizadas para hacer girar ruedas también se representan o describen en diversas obras que datan de los siglos X al XIII. [39] [41]
Las primeras representaciones de la manivela compuesta en el soporte de carpintero aparecen entre 1420 y 1430 en obras de arte del norte de Europa. [42] La rápida adopción de la manivela compuesta se puede rastrear en los trabajos de un ingeniero alemán desconocido que escribió sobre el estado de la tecnología militar durante las guerras husitas: primero, reapareció la biela, aplicada a las manivelas; en segundo lugar, las manivelas de doble compuesto también comenzaron a equiparse con bielas; y tercero, se empleó el volante para estas manivelas para llevarlas por encima del "punto muerto". [43] El concepto fue mejorado mucho por el ingeniero y escritor italiano Roberto Valturio en 1463, quien ideó un barco con cinco juegos, donde las manivelas paralelas están unidas a una única fuente de energía mediante una biela, idea que también retomó de su compatriota el pintor italiano Francesco di Giorgio . [44]
La manivela se había vuelto común en Europa a principios del siglo XV, como se ve en las obras del ingeniero militar Konrad Kyeser (1366-después de 1405). [45] [46] Los dispositivos representados en Bellifortis de Kyeser incluyen molinetes de manivela para atravesar ballestas de asedio, cadenas de cubos de manivela para levantar agua y manivelas montadas en una rueda de campanas. [46] Kyeser también equipó los tornillos de Arquímedes para elevar el agua con una manivela, una innovación que posteriormente reemplazó la antigua práctica de trabajar la tubería pisándola. [47]
Pisanello pintó una bomba de pistón accionada por una rueda hidráulica y accionada por dos simples manivelas y dos bielas. [43]
También en el siglo XV se introdujeron dispositivos de piñón y cremallera acodados, llamados cranequins, que se colocaban en la culata de la ballesta como medio para ejercer aún más fuerza mientras se extendía el arma de proyectiles. [48] En la industria textil, se introdujeron carretes acodados para enrollar ovillos de hilo. [46]
El médico italiano Guido da Vigevano ( c. 1280 – c. 1349-1349 ), planeando una nueva cruzada, hizo ilustraciones para un bote de remos y carros de guerra propulsados por manivelas y ruedas dentadas compuestas giradas manualmente, [49] identificadas como Uno de los primeros prototipos de cigüeñal de Lynn Townsend White . [50] El Salterio de Luttrell , que data alrededor de 1340, describe una piedra de moler que giraba mediante dos manivelas, una en cada extremo de su eje; El molino manual de engranajes, accionado con una o dos manivelas, apareció más tarde en el siglo XV. [46]
Alrededor de 1480, la muela giratoria de la Alta Edad Media se mejoró con un mecanismo de pedal y manivela. Las manivelas montadas en carritos de empuje aparecen por primera vez en un grabado alemán de 1589. [51] Los cigüeñales también fueron descritos por Leonardo da Vinci (1452-1519) [52] y un granjero holandés y propietario de un molino de viento llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest en 1592. Su aserradero impulsado por viento usaba un cigüeñal para convertir el movimiento circular de un molino de viento en un movimiento hacia adelante y hacia atrás que impulsaba la sierra. A Corneliszoon se le concedió una patente para su cigüeñal en 1597.
A partir del siglo XVI, la evidencia de manivelas y bielas integradas en el diseño de máquinas se vuelve abundante en los tratados tecnológicos de la época: Las máquinas diversas y artifacticias de Agostino Ramelli de 1588 describe dieciocho ejemplos, un número que aumenta en el Theatrum Machinarum Novum. de Georg Andreas Böckler en 45 máquinas diferentes. [53] Las manivelas eran anteriormente comunes en algunas máquinas a principios del siglo XX; por ejemplo, casi todos los fonógrafos anteriores a la década de 1930 funcionaban con motores mecánicos accionados por manivelas. Los motores de pistones alternativos utilizan manivelas para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento de rotación. Los motores de combustión interna de los automóviles de principios del siglo XX generalmente se arrancaban con manivelas, antes de que los arrancadores eléctricos se generalizaran.
La manivela no manual aparece en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su Libro de dispositivos ingeniosos del siglo IX . [54] Estas manivelas operadas automáticamente aparecen en varios dispositivos, dos de los cuales contienen una acción que se aproxima a la de un cigüeñal. Sin embargo, la manivela automática descrita por Banū Mūsā no habría permitido una rotación completa, sino que sólo fue necesaria una pequeña modificación para convertirla en un cigüeñal. [55]
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