Un árbol de levas es un eje que contiene una fila de levas puntiagudas para convertir el movimiento de rotación en movimiento alternativo . Los árboles de levas se utilizan en motores de pistón (para operar las válvulas de admisión y escape), [1] [2] sistemas de encendido controlados mecánicamente y controladores de velocidad de motores eléctricos tempranos .
Los árboles de levas en los motores de pistón generalmente están hechos de acero o hierro fundido, y la forma de las levas afecta en gran medida las características del motor.
Los martillos de vaivén son uno de los primeros usos de una forma de leva para convertir el movimiento giratorio, por ejemplo, de una rueda hidráulica, en el movimiento alternativo de un martillo utilizado para forjar o para machacar grano. Existen pruebas de su existencia que se remontan a la dinastía Han en China, y se generalizaron en el período medieval.
Una vez que se desarrolló la versión rotativa de la máquina de vapor a fines del siglo XVIII, el funcionamiento del mecanismo de válvulas generalmente se realizaba mediante un excéntrico , que convertía la rotación del cigüeñal en un movimiento alternativo del mecanismo de válvulas, normalmente una válvula de corredera . En algunas máquinas de vapor se usaron árboles de levas más parecidos a los que se vieron más tarde en los motores de combustión interna, más comúnmente donde el vapor a alta presión (como el generado a partir de una caldera de vapor flash ) requería el uso de válvulas de asiento o válvulas de pistón. Para ver ejemplos, consulte la máquina de vapor Uniflow y los automóviles de vapor Gardner-Serpollet , que también incluían el deslizamiento axial del árbol de levas para lograr una sincronización variable de las válvulas.
Entre los primeros automóviles que utilizaron motores con un solo árbol de levas en cabeza se encontraban el Maudslay, diseñado por Alexander Craig y presentado en 1902 [3] [4] [5] y el Marr Auto Car diseñado por el nativo de Michigan Walter Lorenzo Marr en 1903. [6] [7]
En los motores de pistón , el árbol de levas se utiliza para operar las válvulas de admisión y escape . El árbol de levas consta de una varilla cilíndrica que recorre la longitud de la bancada de cilindros con una serie de levas (discos con lóbulos de leva salientes ) a lo largo de su longitud, una para cada válvula. A medida que la leva gira, el lóbulo presiona la válvula (o un mecanismo intermedio), empujándola así para abrirla. Normalmente, se utiliza un resorte de válvula para empujar la válvula en la dirección opuesta, cerrando así la válvula una vez que la leva gira más allá del punto más alto de su lóbulo. [8]
Los árboles de levas están hechos de metal y suelen ser sólidos, aunque a veces se utilizan árboles de levas huecos. [9] Los materiales utilizados para un árbol de levas suelen ser:
Muchos de los primeros motores de combustión interna utilizaban un diseño de levas en bloque (como los diseños de cabeza plana , IOE o de cabeza en T ), en el que el árbol de levas se ubica dentro del bloque del motor cerca de la parte inferior del motor. Los primeros motores de cabeza plana ubicaban las válvulas en el bloque y la leva actúa directamente sobre esas válvulas. En un motor de válvulas en cabeza, que vino después, el seguidor de leva presiona una varilla de empuje que transfiere el movimiento a la parte superior del motor, donde un balancín abre la válvula de admisión/escape. [13] Aunque en gran parte reemplazado por los diseños SOHC y DOHC en los motores de automóviles modernos, el diseño de válvulas en cabeza más antiguo todavía se usa en muchos motores industriales, debido a su menor tamaño y menor costo.
A medida que las velocidades de los motores aumentaron durante el siglo XX, los motores con un solo árbol de levas en cabeza (SOHC), en los que el árbol de levas se encuentra dentro de la culata cerca de la parte superior del motor, se volvieron cada vez más comunes, seguidos por los motores con doble árbol de levas en cabeza (DOHC) en años más recientes. En los motores OHC y DOHC, el árbol de levas opera la válvula directamente o a través de un balancín corto. [13]
La disposición del tren de válvulas se define según el número de árboles de levas por bancada de cilindros. Por lo tanto, un motor V6 con un total de cuatro árboles de levas (dos árboles de levas por bancada de cilindros) suele denominarse motor de doble árbol de levas en cabeza (aunque coloquialmente a veces se los denomina motores de "cuatro levas"). [14]
El control preciso de la posición y la velocidad del árbol de levas es de vital importancia para permitir que el motor funcione correctamente. El árbol de levas suele accionarse directamente, a través de una "correa de distribución" de goma dentada o a través de una "cadena de distribución" de rodillos de acero. En ocasiones, también se han utilizado engranajes para accionar el árbol de levas. [15] En algunos diseños, el árbol de levas también acciona el distribuidor , la bomba de aceite , la bomba de combustible y, ocasionalmente, la bomba de dirección asistida.
Los sistemas de transmisión alternativos utilizados en el pasado incluyen un eje vertical con engranajes cónicos en cada extremo (por ejemplo, los coches Peugeot y Mercedes Grand Prix de antes de la Primera Guerra Mundial y la motocicleta Kawasaki W800 ) o un triple excéntrico con bielas (por ejemplo, el coche Leyland Eight ).
En un motor de dos tiempos que utiliza un árbol de levas, cada válvula se abre una vez por cada rotación del cigüeñal; en estos motores, el árbol de levas gira a la misma velocidad que el cigüeñal. En un motor de cuatro tiempos , las válvulas se abren solo la mitad de veces, por lo tanto, el árbol de levas está engranado para girar a la mitad de la velocidad del cigüeñal.
La duración del árbol de levas determina el tiempo que permanece abierta la válvula de admisión y escape, por lo que es un factor clave en la cantidad de potencia que produce un motor. Una duración más prolongada puede aumentar la potencia a altas velocidades del motor (RPM), sin embargo, esto puede tener como contrapartida la producción de un menor par a bajas RPM. [16] [17] [18]
La medición de la duración de un árbol de levas se ve afectada por la cantidad de elevación que se elige como punto de inicio y fin de la medición. Un valor de elevación de 0,050 pulgadas (1,3 mm) se utiliza a menudo como procedimiento de medición estándar, ya que se considera que es el más representativo del rango de elevación que define el rango de RPM en el que el motor produce potencia máxima. [16] [18] Las características de potencia y ralentí de un árbol de levas con la misma calificación de duración que se ha determinado utilizando diferentes puntos de elevación (por ejemplo, 0,006 o 0,002 pulgadas) podrían ser muy diferentes a las de un árbol de levas con una duración calificada utilizando puntos de elevación de 0,05 pulgadas.
Un efecto secundario de una mayor duración puede ser un mayor solapamiento , que determina el tiempo que tanto las válvulas de admisión como las de escape están abiertas. Es el solapamiento lo que más afecta la calidad del ralentí, ya que el "soplo" de la carga de admisión que sale inmediatamente a través de la válvula de escape que ocurre durante el solapamiento reduce la eficiencia del motor y es mayor durante el funcionamiento a bajas RPM. [16] [18] En general, aumentar la duración de un árbol de levas normalmente aumenta el solapamiento, a menos que se aumente el ángulo de separación de lóbulos para compensar.
Un profano puede detectar fácilmente un árbol de levas de larga duración observando la superficie amplia del lóbulo donde la leva empuja la válvula para abrirla durante una gran cantidad de grados de rotación del cigüeñal. Esto será visiblemente mayor que la protuberancia más puntiaguda del lóbulo del árbol de levas que se observa en árboles de levas de menor duración.
La elevación del árbol de levas determina la distancia entre la válvula y el asiento de la válvula (es decir, qué tan abierta está la válvula). [19] Cuanto más se eleva la válvula desde su asiento, más flujo de aire se puede proporcionar, aumentando así la potencia producida. Una mayor elevación de la válvula puede tener el mismo efecto de aumentar la potencia máxima que una mayor duración, sin las desventajas causadas por una mayor superposición de válvulas. La mayoría de los motores de válvulas en cabeza tienen una relación de balancín mayor que uno, por lo tanto, la distancia que se abre la válvula (la elevación de la válvula ) es mayor que la distancia desde el pico del lóbulo del árbol de levas hasta el círculo base (la elevación del árbol de levas ). [20]
Existen varios factores que limitan la cantidad máxima de elevación posible para un motor determinado. En primer lugar, el aumento de la elevación acerca las válvulas al pistón, por lo que una elevación excesiva podría provocar que las válvulas sean golpeadas y dañadas por el pistón. [18] En segundo lugar, una mayor elevación significa que se requiere un perfil de árbol de levas más pronunciado, lo que aumenta las fuerzas necesarias para abrir la válvula. [19] Un problema relacionado es la flotación de la válvula a altas RPM, donde la tensión del resorte no proporciona suficiente fuerza para mantener la válvula siguiendo la leva en su vértice o evitar que la válvula rebote cuando regresa al asiento de la válvula. [21] Esto podría ser el resultado de una elevación muy pronunciada del lóbulo, [18] donde el seguidor de leva se separa del lóbulo de la leva (debido a que la inercia del tren de válvulas es mayor que la fuerza de cierre del resorte de la válvula), dejando la válvula abierta durante más tiempo del previsto. La flotación de la válvula provoca una pérdida de potencia a altas RPM y, en situaciones extremas, puede provocar que la válvula se doble si es golpeada por el pistón. [20] [21]
La sincronización (ángulo de fase) del árbol de levas en relación con el cigüeñal se puede ajustar para cambiar la banda de potencia de un motor a un rango de RPM diferente. Adelantar el árbol de levas (cambiarlo por delante de la sincronización del cigüeñal) aumenta el par a bajas RPM, mientras que retrasarlo (cambiarlo por detrás del cigüeñal) aumenta la potencia a altas RPM. [22] Los cambios necesarios son relativamente pequeños, a menudo del orden de 5 grados. [ cita requerida ]
Los motores modernos que tienen distribución variable de válvulas suelen poder ajustar la distribución del árbol de levas para adaptarse a las RPM del motor en un momento determinado. Esto evita el compromiso mencionado anteriormente que se requiere al elegir una distribución fija de levas para usar tanto a RPM altas como bajas.
El ángulo de separación de lóbulos (LSA, también llamado ángulo de la línea central del lóbulo ) es el ángulo entre la línea central de los lóbulos de admisión y la línea central de los lóbulos de escape. [23] Un LSA más alto reduce la superposición, lo que mejora la calidad del ralentí y el vacío de admisión, [22] sin embargo, el uso de un LSA más amplio para compensar la duración excesiva puede reducir la potencia y el torque de salida. [20] En general, el LSA óptimo para un motor determinado está relacionado con la relación entre el volumen del cilindro y el área de la válvula de admisión. [20]
Los árboles de levas son componentes integrales de los motores de combustión interna, responsables de controlar la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape del motor. A medida que el árbol de levas gira, sus lóbulos empujan contra las válvulas, lo que permite la entrada de aire y combustible y la expulsión de los gases de escape. Este proceso sincronizado es crucial para optimizar el rendimiento del motor, la eficiencia del combustible y el control de las emisiones. Sin árboles de levas diseñados con precisión, el funcionamiento suave y eficiente de un motor se vería comprometido. [24]
Los métodos más comunes de accionamiento de válvulas involucran árboles de levas y resortes de válvulas, sin embargo ocasionalmente se han utilizado sistemas alternativos en motores de combustión interna:
Antes de la llegada de la electrónica de estado sólido , se utilizaban controladores de árbol de levas para controlar la velocidad de los motores eléctricos . Se utilizaba un árbol de levas, impulsado por un motor eléctrico o un motor neumático , para operar contactores en secuencia. De este modo, se conectaban o desconectaban resistencias o cambiadores de tomas del circuito para variar la velocidad del motor principal. Este sistema se utilizaba principalmente en motores de trenes eléctricos (es decir, EMU y locomotoras ). [27]
