Una biela , también llamada 'biela', [1] [2] [3] es la parte de un motor de pistón que conecta el pistón al cigüeñal . Junto con la manivela , la biela convierte el movimiento alternativo del pistón en la rotación del cigüeñal. [4] La biela es necesaria para transmitir las fuerzas de compresión y tracción del pistón. En su forma más común, en un motor de combustión interna , permite el pivoteo en el extremo del pistón y la rotación en el extremo del eje.
El predecesor de la biela es un mecanismo mecánico utilizado por los molinos de agua para convertir el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en movimiento alternativo. [5]
El uso más común de las bielas es en motores de combustión interna o en motores de vapor .
En el Oppida celta de Paule , en Bretaña, se ha encontrado una biela que data del año 69 a. C. [6]
El predecesor de la longitud de conexión es el mecanismo de conexión mecánico utilizado por los molinos de agua de la época romana . Un ejemplo temprano de este mecanismo de conexión se ha encontrado en el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III en el Asia romana (actual Turquía) y en los aserraderos del siglo VI en Éfeso en Asia Menor (actual Turquía) y en Gerasa en la Siria romana. El mecanismo de manivela y biela de estas máquinas convertía el movimiento rotatorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de la sierra. [7]
Una documentación temprana del diseño ocurrió en algún momento entre 1174 y 1206 d.C. en el estado Artuqid (Turquía moderna), cuando el inventor Al-Jazari describió una máquina que incorporaba la biela con un cigüeñal para bombear agua como parte de una máquina para elevar el agua, [8] [9] aunque el dispositivo era más complejo que los diseños típicos de manivela y biela. [10] : 170 También hay documentación de manivelas con bielas en los cuadernos de bocetos de Taccola de la Italia renacentista y del pintor del siglo XV Pisanello . [10] : 113
El motor atmosférico Newcomen de 1712 (el primer motor de vapor) utilizaba transmisión por cadena en lugar de una biela, ya que el pistón solo producía fuerza en una dirección. [11] Sin embargo, la mayoría de los motores de vapor posteriores a este son de doble efecto , por lo tanto, la fuerza se produce en ambas direcciones, lo que lleva al uso de una biela. La disposición típica utiliza un gran bloque de cojinete deslizante llamado cruceta con la bisagra entre el pistón y la biela colocada fuera del cilindro, lo que requiere un sello alrededor de la biela del pistón . [12]
En una locomotora de vapor , las manivelas suelen estar montadas directamente sobre las ruedas motrices . La biela se utiliza entre el pasador de la manivela en la rueda y la cruceta (donde se conecta al vástago del pistón ). [13] En las locomotoras de vapor más pequeñas, las bielas suelen tener una sección transversal rectangular, [14] sin embargo, ocasionalmente se han utilizado bielas de tipo marino de sección transversal circular.
En los barcos de vapor , las bielas se denominan "pitmans" (que no deben confundirse con los brazos pitman ).
Una biela para un motor de combustión interna consta de un "extremo grande", una "biela" y un "extremo pequeño". El extremo pequeño se conecta al pasador del muñón (también llamado "pasador del pistón" o "pasador de muñeca" en los EE. UU.), lo que permite la rotación entre la biela y el pistón. Por lo general, el extremo grande se conecta al muñón del cigüeñal mediante un cojinete liso para reducir la fricción; sin embargo, algunos motores más pequeños pueden utilizar en su lugar un cojinete de elementos rodantes , para evitar la necesidad de un sistema de lubricación por bombeo. Las bielas con cojinetes de elementos rodantes suelen tener un diseño de una sola pieza en el que el cigüeñal debe presionarse a través de ellas, en lugar de un diseño de dos piezas que se puede atornillar alrededor del muñón de un cigüeñal de una sola pieza. [ cita requerida ]
Normalmente, se perfora un orificio en el cojinete en el extremo grande de la biela para que el aceite lubricante salga por el lado de empuje de la pared del cilindro para lubricar el recorrido de los pistones y los anillos del pistón .
Una biela puede girar en ambos extremos, de modo que el ángulo entre la biela y el pistón puede cambiar a medida que la biela se mueve hacia arriba y hacia abajo y gira alrededor del cigüeñal .
Los materiales utilizados para las bielas varían ampliamente, incluyendo acero al carbono, metal sinterizado a base de hierro, acero microaleado, fundición de grafito esferoidizado. [15] En los motores automotrices producidos en masa, las bielas generalmente están hechas de acero . En aplicaciones de alto rendimiento, se pueden utilizar bielas de "palanquilla", que se mecanizan a partir de una palanquilla sólida de metal, en lugar de ser fundidas o forjadas.
Otros materiales incluyen aleación de aluminio T6-2024 o aleación de aluminio T651-7075 , que se utilizan por su ligereza y capacidad para absorber grandes impactos a costa de la durabilidad. El titanio es una opción más cara que reduce el peso. El hierro fundido se puede utilizar para aplicaciones más económicas y de menor rendimiento, como los scooters.
Durante cada rotación del cigüeñal, una biela a menudo está sujeta a fuerzas grandes y repetitivas: fuerzas de corte debido al ángulo entre el pistón y el muñón del cigüeñal, fuerzas de compresión cuando el pistón se mueve hacia abajo y fuerzas de tracción cuando el pistón se mueve hacia arriba. [16] Estas fuerzas son proporcionales a la velocidad del motor (RPM) al cuadrado.
La falla de una biela, a menudo llamada "lanzamiento de una biela", a menudo fuerza la biela rota a atravesar el costado del cárter y, por lo tanto, hace que el motor sea irreparable. [17] Las causas comunes de falla de la biela son la falla por tracción debido a altas velocidades del motor, la fuerza de impacto cuando el pistón golpea una válvula (debido a un problema en el tren de válvulas), la falla del cojinete de la biela (generalmente debido a un problema de lubricación) o la instalación incorrecta de la biela. [18] [19] [20] [21]
La fuerza lateral ejercida sobre el pistón a través de la biela por el cigüeñal puede provocar que los cilindros se desgasten hasta adquirir una forma ovalada. Esto reduce significativamente el rendimiento del motor, ya que los anillos circulares del pistón no pueden sellar adecuadamente contra las paredes ovaladas del cilindro.
La cantidad de fuerza lateral es proporcional al ángulo de la biela, por lo tanto, las bielas más largas reducirán la cantidad de fuerza lateral y el desgaste del motor. Sin embargo, la longitud máxima de una biela está limitada por el tamaño del bloque del motor; la longitud de la carrera más la longitud de la biela no deben hacer que el pistón se desplace más allá de la parte superior del bloque del motor.
Los motores radiales suelen utilizar bielas maestras y esclavas, en las que un pistón (el pistón superior en la animación) tiene una biela maestra con una conexión directa al cigüeñal. Los pistones restantes fijan las conexiones de sus bielas a anillos alrededor del borde de la biela maestra.
Los motores de múltiples bancos con muchos cilindros, como los motores V12 , tienen poco espacio disponible para muchos muñones de biela en una longitud limitada de cigüeñal. La solución más simple, como se usa en la mayoría de los motores de automóviles de carretera, es que cada par de cilindros comparta un muñón de cigüeñal , pero esto reduce el tamaño de los cojinetes de biela y significa que los cilindros coincidentes (es decir, opuestos) en los diferentes bancos están ligeramente desplazados a lo largo del eje del cigüeñal (lo que crea un par oscilante ). Otra solución es usar bielas maestras y esclavas, donde la biela maestra también incluye uno o más pasadores de anillo que están conectados a los extremos grandes de las bielas esclavas en otros cilindros. Un inconveniente de las bielas maestras-esclavas es que las longitudes de carrera de todos los pistones esclavos que no se encuentran a 180° del pistón maestro siempre serán ligeramente más largas que las del pistón maestro, lo que aumenta la vibración en los motores en V.
Uno de los ejemplos más complicados de bielas maestras y esclavas es el motor de avión experimental Junkers Jumo 222 de 24 cilindros desarrollado para la Segunda Guerra Mundial. Este motor constaba de seis bancos de cilindros, cada uno con cuatro cilindros por banco. Cada "capa" de seis cilindros utilizaba una biela maestra, mientras que los otros cinco cilindros utilizaban bielas esclavas. [22] Se construyeron aproximadamente 300 motores de prueba, pero el motor no llegó a la producción.
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Las bielas de horquilla y cuchilla, también conocidas como "bielas de biela divididas", se han utilizado en motores de motocicletas V-twin y motores de aviones V12 . [23] Para cada par de cilindros, una biela de "horquilla" se divide en dos en el extremo grande y la biela de "cuchilla" del cilindro opuesto se adelgaza para encajar en este espacio en la horquilla. Esta disposición elimina el par de balanceo que se produce cuando los pares de cilindros se desplazan a lo largo del cigüeñal.
Una disposición habitual para el cojinete de biela es que la biela de la horquilla tenga un único manguito ancho que abarque todo el ancho de la biela, incluido el hueco central. La biela de la cuchilla no se desliza directamente sobre el muñón de la manivela, sino por el exterior de este manguito. Esto hace que las dos bielas oscilen hacia adelante y hacia atrás (en lugar de girar una respecto de la otra), lo que reduce las fuerzas sobre el cojinete y la velocidad superficial. Sin embargo, el movimiento del cojinete también se vuelve alternativo en lugar de girar continuamente, lo que es un problema más difícil para la lubricación.
Entre los motores notables que utilizan bielas de horquilla y cuchilla se incluyen el motor de avión Rolls-Royce Merlin V12, los motores diésel de dos tiempos EMD y varios motores de motocicletas Harley Davidson V-twin.
Debido a los hallazgos en Éfeso y Gerasa, la invención del sistema de manivela y biela ha tenido que redactarse del siglo XIII al VI; ahora el relieve de Hierápolis la retrotrae otros tres siglos, lo que confirma que los aserraderos de piedra accionados por agua efectivamente estaban en uso cuando cambió el mundo de los motores.
Ausonio
escribió su Mosela.
{{cite book}}: |periodical=ignorado ( ayuda )Sin embargo, que al-Jazari no comprendió del todo el significado de la manivela para unir el movimiento alternativo con el rotatorio lo demuestra su bomba extraordinariamente compleja impulsada por una rueda dentada montada excéntricamente sobre su eje.