Un motor de levas es un motor alternativo en el que, en lugar del cigüeñal convencional , los pistones transmiten su fuerza a una leva que, a su vez, gira. El trabajo de salida del motor es impulsado por esta leva. [1]
Una variación del motor de levas, el motor de plato cíclico (también conocido como el motor de placa oscilante), fue popular durante un breve período. [2]
Los motores de levas se consideran generalmente motores de combustión interna , aunque también se han utilizado como motores hidráulicos y neumáticos . Los motores hidráulicos, en particular los de plato cíclico, se utilizan ampliamente y con éxito. Sin embargo, los motores de combustión interna siguen siendo casi desconocidos.
La historia de los motores de levas está relacionada con el desarrollo de los motores, especialmente a finales del siglo XIX y principios del XX. Los ingenieros e inventores exploraron diferentes diseños mecánicos para mejorar el rendimiento del motor. Uno de los primeros conceptos de motor de levas registrados se remonta al siglo XIX, durante la revolución industrial.
En 1862, un ingeniero francés llamado Alphonse Beau de Rochas , a quien se le atribuye el motor de cuatro tiempos , también exploró el uso de levas en los motores. Su trabajo sentó las bases para desarrollos posteriores en motores de combustión interna. [3] Otra figura notable es Felix Wankel , el ingeniero alemán conocido por inventar el motor rotativo Wankel . El trabajo de Wankel en diseños de motores no convencionales incluyó experimentos con mecanismos basados en levas, aunque su motor rotativo se volvió más prominente. [4]
A principios del siglo XX, se presentaron muchas patentes para diferentes diseños de motores de levas. Estos diseños fueron especialmente importantes para la aviación y las aplicaciones industriales. Durante la Primera Guerra Mundial y la Segunda Guerra Mundial , hubo mucho interés en diseños de motores alternativos. Estos diseños podrían ofrecer ventajas en las relaciones potencia-peso , durabilidad y eficiencia de combustible. Sin embargo, los motores de levas nunca se utilizaron ampliamente. Esto se debió principalmente a la complejidad de su diseño y los problemas de durabilidad con los mecanismos de levas y seguidores. [5]
El diseño mecánico de un motor de levas es diferente al de los motores de combustión interna convencionales accionados por cigüeñal. El diseño del motor utiliza un mecanismo de levas en lugar de un cigüeñal, lo que plantea desafíos y oportunidades únicos para optimizar el rendimiento.
El mecanismo de leva es el corazón del motor de levas. Este mecanismo juega un papel crucial. Convierte el movimiento lineal de los pistones en movimiento rotatorio. Esta tarea la realiza tradicionalmente un cigüeñal en los motores convencionales. La leva es un componente giratorio o deslizante. Forma parte de un enlace mecánico. La leva imparte un movimiento deseado a un seguidor por contacto directo. En el contexto de un motor de levas, la leva se diseña típicamente como un disco o cilindro giratorio. Tiene un perfil de forma especial. Este perfil interactúa con los pistones. El perfil de la leva está diseñado cuidadosamente. Controla la sincronización y el movimiento de los pistones. Los pistones se mueven alternativamente dentro de los cilindros del motor. A medida que la leva gira, su perfil empuja contra un seguidor de leva. El seguidor de leva se desliza sobre la superficie de la leva. Esto hace que el seguidor se mueva hacia arriba y hacia abajo. Este movimiento se transmite a los pistones. Esto hace que los pistones se muevan alternativamente. La forma de la leva determina la longitud de carrera, la sincronización y la velocidad del pistón. Estos factores influyen directamente en las características de rendimiento del motor. En un motor de levas, la leva está conectada a un mecanismo de accionamiento, generalmente un eje. Este eje hace girar la leva a una velocidad específica. La rotación de la leva está sincronizada con el ciclo de combustión del motor. Esto garantiza que los pistones estén en la posición correcta para utilizar la energía del proceso de combustión. El diseño cuidadoso y la sincronización del mecanismo de leva son cruciales para el funcionamiento eficiente del motor. Cualquier desviación puede provocar problemas de rendimiento o fallas mecánicas. [6]
El diseño del perfil de leva es muy importante para un motor de levas. El perfil de leva afecta directamente el rendimiento del motor, como el par, la potencia de salida y la eficiencia. Existen varios tipos de diseños de levas, cada uno con sus ventajas y desafíos únicos:
Diseño : Las levas planas, también llamadas levas de placa, tienen una superficie plana. El borde de la superficie está contorneado. El contorno del borde determina el movimiento del seguidor de leva. Este, a su vez, determina el movimiento del pistón.
Impacto en el rendimiento : las levas planas son fáciles de diseñar y fabricar, lo que las convierte en una opción popular para los primeros experimentos con motores de levas. Sin embargo, tienen limitaciones. No pueden producir perfiles de movimiento complejos, lo que puede limitar la eficiencia y la potencia de salida del motor. [7]
Diseño: Las levas cónicas tienen una superficie cónica que interactúa con el seguidor de leva. El radio variable del cono influye en el movimiento del seguidor. Esto permite crear perfiles de movimiento intrincados.
Impacto en el rendimiento : las levas cónicas pueden generar perfiles de movimiento altamente especializados. Estos perfiles pueden optimizar el rendimiento del motor para aplicaciones específicas. Sin embargo, la complejidad de su diseño y la precisión requerida en la fabricación pueden dificultar su implementación en la práctica. [8]
Diseño : Las levas de barril tienen una superficie en forma de barril, que es una variación de las levas cilíndricas. El seguidor de leva se mueve a lo largo de una pista o ranura en la superficie curva. Esto convierte el movimiento rotatorio en movimiento lineal.
Impacto en el rendimiento: las levas de barril pueden proporcionar un alto grado de control sobre el movimiento del pistón, similar a las levas cilíndricas. Su diseño permite la creación de perfiles de movimiento que pueden mejorar la salida de torque del motor en puntos específicos del ciclo. [9]
Algunos motores de levas son motores de dos tiempos , en lugar de cuatro tiempos. En un motor de dos tiempos, las fuerzas sobre el pistón actúan uniformemente hacia abajo, durante todo el ciclo. En un motor de cuatro tiempos, estas fuerzas se invierten cíclicamente: En la fase de inducción, el pistón es forzado hacia arriba , contra la depresión de inducción reducida. El mecanismo de leva simple solo funciona con una fuerza en una dirección. En los primeros motores Michel , la leva tenía dos superficies, una superficie principal sobre la que trabajaban los pistones al funcionar y otro anillo dentro de este que daba una acción desmodrómica para limitar la posición del pistón durante el arranque del motor. [10]
Por lo general, solo se necesita una leva, incluso para varios cilindros. La mayoría de los motores de levas se oponían a los motores radiales o gemelos . Una versión temprana del motor Michel era un motor rotativo , una forma de motor radial donde los cilindros giran alrededor de un cigüeñal fijo.
El breve tiempo de permanencia que produce un cigüeñal no proporciona un volumen más o menos constante para que se produzca la combustión. Un sistema de cigüeñal alcanza una ventaja mecánica significativa a 6° antes del PMS; luego alcanza la ventaja máxima a 45° a 50°. Esto limita el tiempo de combustión a menos de 60°. Además, el pistón que desciende rápidamente reduce la presión delante del frente de llama, lo que reduce el tiempo de combustión. Esto significa menos tiempo para quemar a menor presión. Esta dinámica es la razón por la que en todos los motores de cigüeñal una cantidad significativa del combustible se quema no por encima del pistón, donde se puede extraer su potencia, sino en el convertidor catalítico, que solo produce calor.
Una leva moderna se puede fabricar con tecnología de control numérico por computadora (CNC) para tener una ventaja mecánica retardada.
Otras ventajas de los motores de levas modernos incluyen:
Después de extensas pruebas realizadas por el gobierno de los Estados Unidos, el motor de levas radiales Fairchild Modelo 447-C tuvo la distinción de recibir el primer Certificado de Tipo Aprobado por el Departamento de Comercio. En una época en la que los motores de manivela de los aviones tenían una vida útil de 30 a 50 horas, el Modelo 447-C era mucho más robusto que cualquier otro motor de avión que se fabricara en ese momento. [12] Sin embargo, en esta era anterior al CNC tenía un perfil de leva muy pobre, lo que significaba que temblaba demasiado severamente para las hélices de madera y los fuselajes de madera, alambre y tela de la época.
Una ventaja es que la superficie de apoyo puede ser mayor que la de un cigüeñal. En los primeros días del desarrollo de materiales para cojinetes, la presión reducida que esto permitía podía brindar una mayor confiabilidad. Un motor de leva de plato oscilante relativamente exitoso fue desarrollado por el experto en cojinetes George Michell , quien también desarrolló el bloque de empuje con zapatas deslizantes . [2] [13]
El motor Michel (sin relación) comenzó con seguidores de levas de rodillos, pero durante el desarrollo cambió a seguidores de cojinetes lisos. [14] [15]
A diferencia de un cigüeñal, una leva puede tener fácilmente más de un recorrido por rotación. Esto permite más de un recorrido del pistón por revolución. Para uso aeronáutico, esto era una alternativa al uso de una unidad de reducción de velocidad de la hélice : alta velocidad del motor para una mejor relación potencia-peso , combinada con una velocidad de la hélice más lenta para una hélice eficiente. En la práctica, el diseño del motor de leva pesaba más que la combinación de un motor y una caja de cambios convencionales.
Los únicos motores de combustión interna con levas que han tenido un éxito remoto han sido los motores de plato cíclico . [2] Estos eran casi todos motores axiales , donde los cilindros están dispuestos en paralelo al eje del motor, en uno o dos anillos. El propósito de tales motores era generalmente lograr esta disposición axial o de "barril", haciendo un motor con un área frontal muy compacta. Hubo planes en un momento para usar motores de barril como motores de aeronaves , con su área frontal reducida que permite un fuselaje más pequeño y una menor resistencia.
Un motor similar al motor de plato oscilante es el motor de plato oscilante, también conocido como nutador o transmisión por cigüeñal en Z. Este utiliza un cojinete que simplemente nuta , en lugar de girar también como en el caso del plato oscilante. El plato oscilante está separado del eje de salida por un cojinete giratorio. [2] Por lo tanto, los motores de plato oscilante no son motores de levas.
La mayoría de los motores sin pistones que dependen de levas, como el motor de levas Rand, utilizan el mecanismo de levas para controlar el movimiento de los álabes de sellado. La presión de combustión contra estos álabes hace que gire un soporte de álabes, separado de la leva. En el motor Rand, el árbol de levas mueve los álabes de modo que tengan una longitud variable expuesta y, de este modo, encierren una cámara de combustión de volumen variable a medida que el motor gira. [16] El trabajo realizado al girar el motor para provocar esta expansión es el trabajo termodinámico realizado por el motor y lo que hace que el motor gire.