Un cigüeñal es un componente mecánico utilizado en un motor de pistón para convertir el movimiento alternativo en movimiento rotatorio . El cigüeñal es un eje giratorio que contiene uno o más muñequillas , [1] que son accionadas por los pistones a través de las bielas . [2]
Los muñones del cigüeñal también se denominan muñones de cojinetes de biela y giran dentro del "extremo grande" de las bielas.
La mayoría de los cigüeñales modernos se encuentran en el bloque del motor . Están hechos de acero o hierro fundido , mediante un proceso de forjado , fundición o mecanizado .
El cigüeñal está ubicado dentro del bloque del motor y 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 conecta un volante a 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 para 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 torsionales 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] La cantidad de cojinetes principales se determina en función del factor de carga general y la velocidad máxima del motor. Los cigüeñales de los motores diésel a menudo utilizan 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 la sustitución de los motores V8 por motores de ocho cilindros en línea en la década de 1950; los cigüeñales largos de estos últimos 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 los muñones del cigüeñal y el eje del cigüeñal determina la longitud de la carrera del motor. [1]
La mayoría de los motores de los automóviles modernos se clasifican como "de carrera corta" o "sobre cuadrado", [ cita requerida ] donde la carrera es menor que el diámetro del orificio del cilindro . Una forma común de aumentar el par motor a bajas RPM es aumentar la carrera, a veces conocida como "recorrer" el motor. Históricamente, la contrapartida 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 un cigüeñal de plano cruzado por el cual los recorridos del cigüeñal están espaciados 90 grados. [13] Sin embargo, algunos motores V8 de alto rendimiento (como el Ferrari 488 ) [14] [15] en cambio utilizan un cigüeñal de plano plano , por el cual los recorridos están espaciados 180°, lo que esencialmente da como resultado dos motores de cuatro cilindros en línea que comparten un cárter común. Los motores de plano plano generalmente pueden funcionar a mayores RPM, sin embargo tienen mayores vibraciones de segundo orden, [16] por lo que son más adecuados para los motores de autos de carrera. [17]
En algunos motores es necesario proporcionar contrapesos para la masa recíproca del pistón, las bielas y el cigüeñal, con el fin de mejorar el equilibrio del motor . [18] [19] Estos contrapesos suelen estar fundidos como parte del cigüeñal pero, ocasionalmente, son piezas atornilladas. [ cita requerida ]
En algunos motores, el cigüeñal contiene enlaces directos entre muñequillas adyacentes, sin el cojinete principal intermedio habitual. Estos enlaces se denominan brazos volantes . [20] : 16, 41 Esta disposición se utiliza a veces en motores V6 y V8 , con el fin de mantener un intervalo de encendido uniforme mientras se utilizan 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 de salida. [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 través de su carrera. Esta variación en el 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 , conectaron cada pistón a dos cigüeñales que giran 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 laminación . 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. [23] Con cigüeñales forjados, se utilizan principalmente aceros microaleados al vanadio , ya que estos aceros se pueden enfriar al 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 en hierro dúctil. Los cigüeñales de hierro fundido se encuentran hoy en día sobre todo en motores de producción más baratos, donde las cargas son menores.
Los cigüeñales también pueden mecanizarse a partir de palanquilla , a menudo una barra de acero de alta calidad refundido al vacío . Aunque el flujo de fibra (las inhomogeneidades locales de la composición química del material generadas durante la fundición) no sigue la forma del cigüeñal (lo que no es deseable), esto no suele ser un problema ya que se pueden utilizar aceros de mayor calidad, que normalmente son difíciles de forjar. Por unidad, estos cigüeñales tienden a ser muy caros debido a la gran cantidad de material que se debe eliminar con tornos y fresadoras, el alto coste del material y el tratamiento térmico adicional necesario. Sin embargo, dado que no se necesitan herramientas costosas, este método de producción permite pequeñas tiradas de producción sin altos costes iniciales.
Las primeras manivelas operadas a mano aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.). Se usaban para devanar seda, hilar cáñamo, para el aventador agrícola, en el tamiz de harina accionado por agua, para fuelles metalúrgicos accionados hidráulicamente y en el molinete de pozo . [26] Se desenterraron modelos de cerámica con aventadores operados por manivela que datan de la dinastía Han Occidental (202 a. C. - 9 d. C.). [27] [26] El aventador rotatorio aumentó en gran medida la eficiencia de separar el grano de las cáscaras y los tallos. [28] [29] Los chinos usaron la manivela y la biela en antiguos aparatos de voladura, maquinaria textil y maquinaria agrícola no más tarde de la dinastía Han Occidental (202 a. C. - 9 d. C.). Con el tiempo, las manivelas y bielas se utilizaron en la interconversión o el movimiento rotatorio y alternativo para otras aplicaciones, como el tamizado de harina, las ruedas de hilar a pedal, los fuelles de hornos accionados por agua y las máquinas de bobinado de seda. [30] [26]
Los antiguos egipcios tenían taladros manuales parecidos a una manivela en la época del Imperio Antiguo (2686-2181 a. C.) e incluso un jeroglífico para la herramienta. [31] Sin embargo, el taladro del Antiguo Egipto no funcionaba como una verdadera manivela. [32]
Evidencias posteriores de la manivela, combinada con una biela en una máquina, aparecen en el aserradero de la antigua Grecia Hierápolis en Asia romana del siglo III d. C. y en dos aserraderos de piedra en Gerasa , Siria romana , y Éfeso , Jonia griega bajo Roma (ambos del siglo VI d. C.). [33] En el frontón del molino de Hierápolis, se muestra una rueda hidráulica alimentada por un canal de molino que acciona a través de un tren de engranajes dos sierras de bastidor que cortan bloques rectangulares por medio de una especie de bielas y, por necesidad mecánica, manivelas. La inscripción que acompaña está en griego . [34] Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos arqueológicamente atestiguados funcionaban sin un tren de engranajes. [35] [36]
La manivela aparece a mediados del siglo IX en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su Libro de dispositivos ingeniosos . [37] Estos dispositivos, sin embargo, solo realizaban rotaciones parciales y no podían transmitir mucha potencia, [38] aunque solo se habría requerido una pequeña modificación para convertirlo en un cigüeñal. [39]
Al-Jazari (1136-1206) describió un sistema de biela y manivela en una máquina rotatoria en dos de sus máquinas para extraer agua. [40] Su bomba de dos cilindros incorporaba un cigüeñal. [41] Una manivela también se describe más tarde en un manuscrito árabe de principios del siglo XV de la Mecánica de Herón de Alejandría . [42]
Los primeros molinos de mano rotatorios, o molinos rotatorios, aparecieron en España (600 a. C. – 500 a. C.), [44] [45] antes de extenderse a Oriente. [44] [45] El mango cerca del borde exterior de la parte rotatoria es la manivela [44] [25] [46] y el brazo humano que impulsa la rotación sería la biela. [44]
El mecanismo de Antikythera, que data de alrededor del año 200 a. C., [47] [48] utilizaba una manivela como parte de su mecanismo. [49] La manivela se utilizaba para introducir manualmente las fechas. [50]
La evidencia de la manivela combinada con una biela aparece en el molino de Hierápolis de la antigua Grecia , que data del siglo III d. C. bajo el Imperio Romano; también se encuentran en aserraderos de piedra en la Siria romana y Éfeso , la Jonia griega bajo Roma, que datan del siglo VI. [43] El frontón del molino de Hierápolis muestra una rueda hidráulica alimentada por un canal de molino que impulsa a través de un tren de engranajes dos sierras de bastidor que cortan bloques por medio de una especie de bielas y manivelas. [34] Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos arqueológicamente atestiguados funcionaban sin un tren de engranajes. [35] [51]
En Augusta Raurica , Suiza , se excavó un molino romano de hierro que data del siglo II d . C. [52] [53] El molino romano accionado por manivela data de finales del siglo II. [54]
Las sierras de mármol accionadas por agua en Alemania fueron mencionadas por el poeta Ausonio de finales del siglo IV ; [43] aproximadamente en la misma época, estos tipos de molinos también parecen estar indicados por el griego San Gregorio de Nisa de Anatolia . [55] [43] [56]
En el manuscrito carolingio Salterio de Utrech se muestra una muela giratoria [ 57] accionada por una manivela ; el dibujo a pluma de alrededor de 830 se remonta a un original de la Antigüedad tardía. [58] Las manivelas utilizadas para hacer girar las ruedas también se representan o describen en varias obras que datan de los siglos X al XIII. [57] [59]
Las primeras representaciones de la manivela compuesta en la abrazadera del carpintero aparecen entre 1420 y 1430 en las obras de arte del norte de Europa. [60] La rápida adopción de la manivela compuesta se puede rastrear en las obras 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; segundo, 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". [61] 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 todas unidas a una sola fuente de energía por una biela, una idea también retomada por su compatriota pintor italiano Francesco di Giorgio . [62]
La manivela se había vuelto común en Europa a principios del siglo XV, como se puede ver en las obras del ingeniero militar Konrad Kyeser (1366-después de 1405). [63] [64] Los dispositivos representados en Bellifortis de Kyeser incluyen molinetes con manivela para colgar ballestas de asedio, cadenas con manivela de cubos para elevar agua y manivelas ajustadas a una rueda de campanas. [64] Kyeser también equipó los tornillos de Arquímedes para elevar agua con una manivela, una innovación que posteriormente reemplazó la antigua práctica de hacer funcionar la tubería pisándola. [65]
Pisanello pintó una bomba de pistón impulsada por una rueda hidráulica y operada por dos manivelas simples y dos bielas. [61] El siglo XV también vio la introducción de dispositivos de piñón y cremallera con manivela, llamados cranequines, que se ajustaron a la culata de la ballesta como un medio para ejercer aún más fuerza mientras se extendía el arma del misil. [66] En la industria textil, se introdujeron carretes con manivela para enrollar madejas de hilo. [64]
El Salterio de Luttrell , que data de alrededor de 1340, describe una muela que giraba gracias a dos manivelas, una en cada extremo de su eje; el molino de mano con engranajes, que funcionaba con una o dos manivelas, apareció más tarde, en el siglo XV. [64] Alrededor de 1480, la muela rotatoria medieval temprana se mejoró con un mecanismo de pedal y manivela. Las manivelas montadas en carros de empuje aparecen por primera vez en un grabado alemán de 1589. [67]
En la Bagdad abasí del siglo IX , aparecen manivelas operadas automáticamente en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en el Libro de los ingeniosos dispositivos . [37] Estas manivelas operadas automáticamente aparecen en varios dispositivos, dos de los cuales contienen una acción que se aproxima a la de un cigüeñal, cinco siglos antes de la primera descripción europea conocida de un cigüeñal. Sin embargo, el mecanismo de manivela automática descrito por los Banū Mūsā no habría permitido una rotación completa, sino que solo se requirió una pequeña modificación para convertirlo en un cigüeñal. [39]
En el Sultanato Artuqid , el ingeniero árabe Ismail al-Jazari (1136-1206) describió un sistema de manivela y biela en una máquina giratoria para dos de sus máquinas para elevar el agua, [40] que incluyen mecanismos de manivela y eje . [68]
El médico italiano Guido da Vigevano ( c. 1280 – c. 1349 ), al planificar una nueva Cruzada , hizo ilustraciones para un barco de remos y carros de guerra que eran impulsados por manivelas compuestas y ruedas dentadas giradas manualmente, [69] identificados como un prototipo temprano de cigüeñal por Lynn Townsend White . [70]
Los cigüeñales fueron descritos por Leonardo da Vinci (1452-1519) [40] y por un granjero holandés y propietario de un molino de viento llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest en 1592. Su aserradero impulsado por el viento utilizaba un cigüeñal para convertir el movimiento circular del molino de viento en un movimiento de ida y vuelta que impulsaba la sierra. Corneliszoon obtuvo 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 diversas y artificiosas máquinas de Agostino Ramelli de 1588 describe dieciocho ejemplos, un número que aumenta en el Theatrum Machinarum Novum de Georg Andreas Böckler a 45 máquinas diferentes. [71] Las manivelas eran anteriormente comunes en algunas máquinas a principios del siglo XX; por ejemplo, casi todos los fonógrafos antes de la década de 1930 estaban impulsados por motores de relojería enrollados con manivelas. Los motores de pistón alternativos usan manivelas para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento rotatorio. Los motores de combustión interna de los automóviles de principios del siglo XX generalmente se ponían en marcha con manivelas manuales, antes de que los arrancadores eléctricos se generalizaran.
A causa de los hallazgos de Éfeso y Gerasa, la invención del sistema de manivela y biela ha tenido que datarse del siglo XIII al VI; ahora el relieve de Hierápolis la remonta otros tres siglos, lo que confirma que los aserraderos de piedra impulsados por agua efectivamente estaban en uso cuando Ausonio escribió su Mosella.
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