En un motor de pistón , un vástago de pistón une un pistón a la cruceta y, por tanto, a la biela que impulsa el cigüeñal o (en el caso de las locomotoras de vapor ) las ruedas motrices.
Los motores de combustión interna , y en particular todos los motores de automóviles actuales , no suelen tener bielas. En su lugar, utilizan pistones troncocónicos , en los que el pistón y la cruceta están combinados y, por lo tanto, no necesitan una biela entre ellos. El término biela se ha utilizado como sinónimo de "biela" en el contexto de estos motores. [ cita requerida ]
Los motores con crucetas tienen vástagos de pistón. Entre ellos se encuentran la mayoría de las locomotoras de vapor y algunos motores diésel marinos de gran tamaño .
Los primeros motores de viga de simple efecto , como el de Newcomen , tenían una única carrera de potencia que actuaba hacia abajo. En lugar de un vástago de pistón, utilizaban una cadena de hierro. Esta podía transmitir una fuerza de tracción, pero no una fuerza de compresión que empujara hacia arriba. El pistón estaba sellado en el cilindro alrededor de su borde, pero la parte superior del cilindro estaba abierta. Más tarde, se utilizó un vástago de pistón rudimentario, simplemente para eliminar el costo de una larga cadena forjada.
El desarrollo de la máquina de vapor por parte de Watt introdujo un cilindro superior cerrado. Esto requería una caja de empaquetadura para sellar alrededor del vástago del pistón y para que el vástago del pistón fuera mecanizado de manera lisa y con una forma cilíndrica precisa. En esa época, los motores todavía eran de simple efecto y el vástago todavía actuaba solo en tensión.
Los desarrollos posteriores, también de Watt, produjeron un cilindro de doble efecto . El vástago del pistón ahora tenía que transmitir una fuerza que empujaba y tiraba alternativamente. El uso generalizado en la máquina de vapor de un cilindro cerrado, casi siempre de doble efecto, lo hacía dependiente del prensaestopas y, por lo tanto, del vástago del pistón.
Los vástagos de pistón suelen estar unidos a la cruceta y al pistón mediante una ranura transversal y una chaveta cónica o cuña. Al introducir la chaveta de forma lateral se aprieta la unión. El uso de una chaveta transversal permite un desmontaje relativamente sencillo para realizar tareas de mantenimiento. Algunos pistones más pequeños se sujetan mediante un vástago roscado y una tuerca grande, aunque la cruceta casi siempre utiliza una chaveta.
Como la longitud precisa de la biela es importante para sincronizar el mecanismo de válvulas del motor, el accesorio aprieta el pistón sobre un escalón o ubicación fija en la biela y la longitud (y la sincronización de válvulas) no es ajustable. Esta longitud requiere la precisión de la biela fabricada pero, a diferencia de la biela que acciona las válvulas, no necesita ser ajustada con mayor precisión por un instalador durante el montaje del motor.
Los primeros ingenieros de vapor estaban convencidos de que los cilindros horizontales sufrirían un desgaste excesivo debido al peso del pistón que se apoyaba sobre el orificio del cilindro. Los cilindros verticales siguieron siendo los favoritos durante algunos años. Cuando se adoptaron los cilindros horizontales, una medida utilizada para soportar el peso del pistón fue tener un vástago de pistón extendido o segundo en el otro lado del pistón. Este salía a través de un segundo prensaestopas y, en casos excepcionales ( ilus. ) estaba sostenido por una segunda cruceta.
Al encerrar toda la barra de cola en una carcasa sellada se evitó la necesidad de un prensaestopas y cualquier fuga de vapor. Sin embargo, esto también generó el riesgo de que se acumulara agua condensada en la carcasa, lo que provocaría un bloqueo hidráulico y daños mecánicos.
Las máquinas de tronco eran máquinas de vapor compactas, desarrolladas para la propulsión de barcos. Reducían su longitud total colocando la cruceta junto al pistón en forma de tronco tubular hueco. De este modo, ya no era necesario un vástago de pistón. La biela y su bulón se montaban dentro de este tronco. Las máquinas de tronco tenían pistones de diámetro extremadamente grande, por lo que el viejo problema de soportar el peso del pistón y evitar el desgaste del cilindro volvió a ser una preocupación. Las máquinas de tronco utilizaban un segundo tronco como biela de cola para soportar sus grandes pistones.
Algunas máquinas de vapor de última generación, en su mayoría de alta velocidad , también eran de simple efecto. También utilizaban pistones en el tronco, pero con una forma nueva. Estas máquinas eran verticales y utilizaban un diseño de pistón simple, sin tronco separado, sino que utilizaban los lados de un pistón alargado como superficie de apoyo de la cruceta.
Este diseño de pistón de tronco se volvería casi universal para los motores de combustión interna.
Casi todas las locomotoras de vapor han utilizado un diseño similar de cilindro, con una corredera transversal montada adyacente al cilindro y un vástago de pistón corto entre ellos.
En algunos casos también se utilizaban barras de cola, algo poco habitual en el Reino Unido, pero relativamente habitual en Europa, al menos en las locomotoras de gran tamaño.
Los motores de combustión interna (de pistón) funcionan a velocidades más altas que los motores de vapor, por lo que se benefician de una masa reciprocante reducida y de una conexión más corta y rígida entre el pistón y la biela. Los motores de doble efecto también son muy raros, aunque estos utilizaban bielas. Por ello, el pistón troncal ligero de los motores de vapor de alta velocidad se adoptó rápidamente y sigue en servicio en la actualidad. Sus principales cambios han sido los anillos de sellado y la adopción de aleaciones de aluminio para hacer los pistones más ligeros.
Algunos motores diésel de baja velocidad, en particular los de los barcos, utilizan crucetas y bielas. Los motores diésel de velocidad media y alta funcionan a velocidades más altas y, por lo tanto, utilizan pistones de tronco más livianos.