PROYECTO DE MOTORES 2015.ppt

PROYECTO DE MOTORES
• Motores térmicos: transformación de
energía térmica en energía mecánica.
• Fuentes de Energía: eléctrica, solar,
nuclear, química de los combustibles.

PROYECTO DE MOTORES
Exotérmicos: combustión en un
quemador y la energía térmica es
transmitida al fluido a través de un
intercambiador.
Ejemplo: caldera y turbina de
vapor.

PROYECTO DE MOTORES
• Endotérmicos: la combustión se produce
en el fluido de trabajo el cual se
transforma por las reacciones de la
misma. Transforman en energía mecánica
a la energía química de los combustibles.

PROYECTO DE MOTORES
• Requerimientos:
• Diversificación y economía de
combustibles, reducción de emisiones
contaminantes y combinación con
máquinas eléctricas.

PROYECTO DE MOTORES
• Motores Endotérmicos o de combustión
interna:
• Alternativos.
• Motores Rotativos ( Turbinas de gas y
pistones rotantes o Wankel).
• Motores a reacción.

CINEMÁTICA, DINÁMICA Y
EQUILIBRADO DE MCIA
• Estudio cinemático: determinar posiciones
velocidades y aceleraciones de distintos
puntos del mecanismo.

CINEMÁTICA, DINÁMICA Y
EQUILIBRADO DE MCIA
• Estudio dinámico: determinación de las
fuerzas y momentos para el cálculo de la
resistencia mecánica de los componentes
y las condiciones de fricción, lubricación,
vibraciones y equilibrado.

CINEMÁTICA DEL MECANISMO
BIELA MANIVELA
• Gorrón de la manivela (punto A):
se desplaza sobre un círculo de centro O y
radio R.
• Pistón (punto B):
A cada posición angular de la manivela le
corresponde una posición del pistón.
• Biela: cabeza sólo rotación, pie sólo
traslación y cuerpo traslación y giro
pendular.

DINÁMICA DEL MECANISMO
BIELA MANIVELA
• FUERZAS DE INERCIA.
• FUERZA DE LA PRESIÓN DE LOS
GASES SOBRE LAS CARAS DEL
PISTÓN.
• FUERZA LATERAL QUE EJERCE LA
PARED DEL CILINDRO EN LA
GENERATRIZ DE CONTACTO.

FUERZAS Y MOMENTOS EN
MOTORES MONOCILÍNDRICOS
• Podemos conocer para cada ángulo del
cigüeñal el valor de las fuerzas que actúan
sobre los diferentes puntos del
mecanismo.
• En particular nos interesa la fuerza
aplicada sobre la biela en el punto A en el
gorrón de la manivela, cuya componente
tangencial genera el torque.

RESISTENCIA MECÁNICA DE
LOS COMPONENTES
• PMS: la presión de los gases de
combustión empuja a la biela hacia abajo,
y la manivela ejerce la reacción
ascendente.

TENSIÓN PICO SOBRE LA BIELA
• En un motor diesel de 4 tiempos,
turbosobrealimentado de 2.8 litros de
cilindrada a 3600 rpm y con una presión
máxima de combustión de 110 bar, la
Biela trabaja en el PMS y durante la
mayor parte del ciclo a compresión.

ESFUERZOS DINÁMICOS EN
LA BIELA
• El máximo es de 50000N, por lo que la
viga debe verificar al pandeo y la sección
transversal es tipo H o doble tee.
• En el PMS de Combustión hay
compresión.
• En el PMS de admisión (cruce de
válvulas). La biela tira hacia arriba y la
manivela hacia abajo: tracción.

ESFUERZOS DINÁMICOS EN LA
BIELA
• En los dos PMI la biela ejerce contra la
manivela una fuerza vertical descendente
y la manivela una reacción ascendente de
20000 N. Por lo tanto la biela trabaja a
compresión.

FUERZAS DE INERCIA FRENTE A
FUERZAS DE COMBUSTIÓN
• Si en el ejemplo anterior bajamos la
velocidad de giro a 1800 rpm y
mantenemos la ley de presiones en la
cámara de combustión, se reducen las
fuerzas de inercia.

FUERZAS DE INERCIA FRENTE A
FUERZAS DE COMBUSTIÓN
• Esa reducción hace crecer el esfuerzo a la
presión máxima de combustión de 50000
a 70000 N, dado que tienen sentidos
opuestos.
• Esto influye en el diseño de los
contrapesos de equilibrado.

ESFUERZOS EN LA BIELA
DURANTE EL CICLO

IRREGULARIDAD
• Es la relación entre el valor máximo y el
medio del par motor.
• Motor monocilíndrico: 10
• Motor de cuatro cilindros: 3

VOLANTE MOTOR
• Aunque el valor medio del par motor sea
igual al valor medio del momento
resistente la velocidad de rotación del
motor NO se mantiene constante.
• En los periodos en los cuales el par motor
es mayor que el resistente la velocidad de
rotación aumenta.
• Cuando es menor que el resistente la
velocidad baja.

GRADO DE IRREGULARIDAD
• Se define δ = ω2 – ω1
ω
ω2: = valor máximo de velocidad angular
ω1 = valor mínimo de velocidad angular
ΔE= ½. Mi(ω2
2 – ω2
1)
δ = ΔE/Mi. ω 2
ΔE: variación de energía cinética
Mi: momento de inercia de las masas en rotación

GRADO DE IRREGULARIDAD
• Para mantener el grado de irregularidad
dentro de límites aceptables es necesario
asignar un momento de inercia adecuado
lo que se consigue por medio del volante.
• Para ahorrar masa conviene obtener el
momento de inercia mediante un volante
del mayor diámetro posible compatible
con el espacio disponible y las fuerzas
centrífugas admisibles por resistencia.

EQUILIBRADO
• VIBRACIONES DEL GRUPO MOTOR
• Las fuerzas de inercia alternativas y
rotativas y las fuerzas debidas a la
combustión actúan sobre el block y se
transmiten a los bastidores.
• Dado que son variables en el tiempo y los
soportes del motor tienen cierta
elasticidad, el motor soportará vibraciones

EQUILIBRADO DEL CIGÜEÑAL
• Las vibraciones causadas por las masas
rotantes se eliminan mediante el
equilibrado del cigüeñal.
• Equilibrado Estático: cuando es nula la
resultante de las fuerzas centrífugas, o
sea cuando el baricentro está en el eje de
rotación. El árbol apoyado entre puntas se
mantiene inmóvil en cualquier posición.

EQUILIBRADO DINÁMICO DEL
CIGÜEÑAL
• El árbol está dinámicamente equilibrado cuando
es nula la resultante de los momentos
generadas por las fuerzas centrífugas con
respecto a cualquier apoyo.
• Esto se da cuando tienen un plano de simetría
normal al eje de rotación respecto al cual las
manivelas se distribuyen simétricamente en
número, forma y posición.
• Si esto no se cumple se deben agregar
contrapesos.

VIBRACIONES CAUSADAS POR
MASAS ALTERNATIVAS
• 1- Equilibrado de fuerzas alternativas de 1er
orden dirigida según el eje del cilindro:
• Fa= ma. ω 2.r (cosα + λ. cos2 α)
• Puedo considerar a Fa como la proyección
sobre el eje del cilindro de una fuerza centrífuga
ficticia ma. ω 2.r generada por una masa ficticia
ma igual a la de las masas alternativas pero
ubicada en la manivela.

EQUILIBRADO PARCIAL DE LAS
FUERZAS ALTERNATIVAS DE
PRIMER ORDEN
• Si agregamos una masa real ma en
oposición a la manivela, tendrá una
componente que anulará a la Fa y ahora
se originará una fuerza perpendicular al
eje del cilindro que antes NO existía.
• Cambié las pulsaciones según el eje por
otras normales al mismo que son menos
perjudiciales. En general se compensa
con Ma/2.

RESÚMEN DE CONDICIONES
• En general un motor es aceptable
cuando:
1. Regularidad del par motor.
2. Equilibrado de fuerzas y momentos
centrífugos.
3. Equilibrado de fuerzas alternativas de
primer orden.

ORDEN DE ENCENDIDO
• La regularización del par de un motor
policilíndrico conduce a una repartición
uniforme de las manivelas.
• El equilibrado dinámico del árbol conduce
también a especiales disposiciones de la
manivela.
• Por ambas causas estamos obligados a
seguir determinados órdenes de
encendido de los cilindros.

CONSIDERACIONES
PRINCIPALES
1. Obtener la mayor uniformidad de carga sobre
los cojinetes de bancada alternando tanto
como sea posible las combustiones en los
diferentes tramos.
2. Procurar que las aspiraciones de los cilindros
alimentados por un múltiple de admisión no
interfieran entre sí causando el llenado
irregular y la caida del rendimiento
volumétrico.
3. Cuatro cilindros indistinto: 1.3.4.2-1.2.4.3
4. Seis cilindros el mejor: 1.5.3.6.2.4.

TEORÍA DE LA SEMEJANZA
• Permite predecir el comportamiento de los
motores de diferente cilindrada.
• Permite inferir las prestaciones de un
motor a partir de un motor semejante.
• Partimos de la hipótesis de la semejanza
geométrica y de la equivalencia en las
condiciones de operación.

CONDICIONES DE SEMEJANZA
• λ: Longitudes
• λ2: Superficies
• λ3: Volúmenes
• Para el caso de diferencia del número de
cilindros no hay semejanza en sentido
estricto pero sí cilindro a cilindro:
• Vt2/Vt1= ζ.λ3 , donde ζ=Z2/Z1

Semejanza de velocidades
• La velocidad del aire en el múltiple de
admisión y las pérdidas mecánicas están
directamente relacionadas con la
velocidad lineal media del pistón.
• Por ello los puntos de operación
homólogos serán:
• cm1 = cm2

Semejanza de rpm
• n2/n1 = cm2/2S2 : cm1/2S1= S1/S2 = 1/ λ
• El régimen de giro variará de forma
inversamente proporcional al tamaño del
motor considerado.

Comparación de rendimiento
volumétrico
• Pérdidas de presión en filtros y colectores.
Dependen del diseño geométrico de dichos
elementos y de la velocidad de los gases que
los atraviesan.
Si asumimos que la densidad del fluido se
mantiene, el valor medio de la velocidad de los
gases puede expresarse en función de la
velocidad media del pistón, del diámetro del
pistón y del diámetro del conducto.

COMPARACIÓN DE
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
• Efectos de compresibilidad.
Además de las pérdidas de presión por
rozamiento en las válvulas aparecen efectos de
pérdida de presión por compresibilidad. Son
gobernados por la velocidad de circulación del
fluido caracterizado por el número de Mach. Se
demuestra que es igual. Se igualan las pérdidas
de presión por compresibilidad.

EFECTOS DE INERCIA Y DE
ONDAS DEL FLUIDO.
• Los efectos de inercia dependen de la
relación entre la energía cinética del fluido
en la admisión y el volumen desplazado
del cilindro. Es un invariante.
• Los efectos de onda también serán
semejantes porque el ángulo girado por el
motor durante el tiempo invertido por la
onda de presión no variará en motores
semejantes.

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
• Son iguales las pérdidas de presión, los
efectos de compresibilidad, los efectos de
inercia del fluido y las pulsaciones de los
colectores.
• Por lo tanto los procesos de admisión y de
escape serán iguales.
• Entonces se verifica igualdad de:
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO.

Semejanza de pmi y pme
• Ante la igualdad de todos los procesos que
condicionan la evolución de la presión en
cámara de combustión.
• Por ello los motores semejantes comparten el
ciclo de trabajo y tienen: IGUAL PMI.
• Se demuestra que son iguales las pérdidas
mecánicas debidas al proceso de
bombeo,accionamiento de auxiliares y la fricción
Entonces ambos motores tienen IGUAL PME.

TEORÍA DE SEMEJANZA DE MCI
• Los motores semejantes cuando operan
en iguales condiciones de funcionamiento
tienen igual PME.
• Esto nos permite establecer relaciones
entre prestaciones de motores
semejantes:
PAR Y POTENCIA

POTENCIA EN MOTORES
SEMEJANTES
• Ne= izApSn.Pme=izApCm/2. Pme
• Al comparar dos motores semejantes el
parámetro es ζ.λ2
• Es decir la POTENCIA aumenta con el
número de cilindros y de forma cuadrática
con la relación de semejanza.

POTENCIA POR UNIDAD DE
ÁREA Y DE CILINDRADA
• N2/Z2.A2:N1/Z1.A1= ζ.λ2 ζ-1. λ-2 =1
• Es decir la carga térmica es una magnitud que
se mantiene con independencia del tamaño del
motor. Es un parámetro de diseño ligado a la
tecnología empleada.
• N2/V2:N1/V1 = ζ.λ2 ζ-1. λ-3 = λ-1
• Es decir la potencia específica NO es parámetro
de diseño. Los motores semejantes presentan
una menor potencia específica al aumentar su
volumen y masa (iguales materiales).

PAR EN MOTORES
SEMEJANTES
• El par puede expresarse como:
• Me= Pme.Vt.i/2π
• Me2/Me1 = ζ.λ3
• Es decir el PAR MOTOR crece con el
número de cilindros y de forma cúbica con
la relación de semejanza.

RENDIMIENTOS EN MOTORES
SEMEJANTES
• Debido a la igualdad en Pmi ; Pme ;
Pérdidas Mecánicas (en primera
aproximación) los rendimientos son
semejantes.

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS
• El cigüeñal.
• Atendiendo a su montaje en la bancada
puede considerarse como una viga
apoyada en diferentes puntos sometida a
esfuerzos de flexión y torsión alternados.

CIGÜEÑAL
• Las partes fundamentales del cigüeñal
son:
1. Los apoyos, que son los gorrones donde
se sustenta el cigüeñal a la bancada.
2. Las muñequillas o muñones, que son los
gorrones sobre los que se articulan las
bielas.

CIGÜEÑAL
1. Los brazos, que unen las muñequillas
con los apoyos, conformando las
manivelas.
2. Los contrapesos, colocados en dirección
opuesta a las manivelas.

CIGÜEÑAL
• En los extremos se acoplan el volante de
inercia de un lado y los elementos de
transmición de potencia para la
distribución y los sistemas auxiliares del
otro.

ANÁLISIS DE LA GEOMETRÍA
DEL CIGÜEÑAL
1. El diseño de un motor se inicia
definiendo la cantidad de cilindros, su
diámetro, la separación entre ellos. De
esta manera queda definida la
LONGITUD del cigüeñal.

DEL CIGÜEÑAL
• El radio de la manivela debe ser la mitad
de la carrera del pistón, la cual está
definida por la limitación de la Cm de
diseño.
• Partiendo de estas premisas se deben
determinar las dimensiones básicas para
asegurar la resistencia estructural del
cigüeñal.

DEL CIGÜEÑAL
1. Diametro y longitud de la muñequilla.
2. Diámetro, longitud y número de apoyos.
3. Recubrimiento o solape entre el diámetro
de la muñequilla y el diámetro del apoyo.
A mayor recubrimiento mayor rigidez
tendrá el cigüeñal.

MUÑEQUILLA DEL CIGÜEÑAL
• El diámetro y la longitud de la muñequilla
vienen determinado por los cojinetes. Pero
es necesario comprobar si la geometría
del cigüeñal es capaz de resistir los
esfuerzos a los que estará sometido.
• La unión entre la muñequilla y el brazo
debe hacerse con radios de acuerdo
amplios para evitar la concentración de
tensiones.

MUÑEQUILLA DEL CIGÜEÑAL
• Es habitual utilizar muñequillas huecas,
dado que reducen las masas en rotación a
equilibrar y disminuyen la concentración
de tensiones.
• Los orificios de lubricación deben ubicarse
en zonas que no debiliten
estructuralmente al cigüeñal.

APOYOS DEL CIGÜEÑAL
• El diámetro de los apoyos es mayor que el
de las muñequillas por tener menores
limitaciones de espacio.
• La limitante es la velocidad de
deslizamiento, que no debe superar a las
18 a 20 m/s.
• La unión del apoyo con el brazo debe
hacerse con radios de acuerdo.

• Del lado del volante de inercia se
denomina primer apoyo.
• Este es más ancho que los demás pues
debe resistir el peso del volante que está
en voladizo.
• El aumento del número de apoyos da
rigidez al cigüeñal, favorable para las
vibraciones torsionales y flexionales.

• El cigüeñal debe poseer un cojinete de apoyo
axial o crapodina así como los sellos para evitar
fuga de aceite en los extremos.
• Los nafteros pueden tener apoyos alternados
dada las bajas presiónes de combustión.
• Los encendidos por compresión tienen apoyos
junto a cada cilindro por los picos de presión.

• La tendencia actual es que a pesar de las
mayores pérdidas mecánicas los apoyos
sean completos.
• El cigüeñal totalmente apoyado implica
que cada muñequilla de manivela tiene
apoyos a ambos lados.

BRAZOS Y CONTRAPESOS
• Los contrapesos equilibran como máximo
del 50 al 60% de las masas rotativas.
• En los cigüeñales fundidos los brazos
pueden ser huecos para aligerar la masa
del conjunto.
• La tendencia es a usar mayor cantidad de
contrapesos para aligerar el volante.

CONSIDERACIONES
GENERALES DE DISEÑO
• La necesidad de aumentar la resistencia y
la rigidez crecen con las presiones medias
efectivas y las velocidades lineales
medias de los pistones.
• Las mejoras de diseño han permitido
mantener el tamaño del cigüeñal a pesar
del aumento de la pme y el régimen de
giro.

ZONA DE TRANSICIÓN DE LAS
MANIVELAS
1. Radios de acuerdo.
2. Terminación superficial.
3. Evitar chavetas y orificios.

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• Están asociados a los dos procesos de
fabricación.
• Fundición: por ser de una geometría
complicada, es un método muy usado.
• Forja: obtengo las mejores propiedades
mecánicas.

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• Materiales Fundidos:
• Fundición gris con grafito esferoidal
modificado con magnesio.
• Fundición gris maleable con estructura
perlítica.
• Acero fundido aleado con níquel

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• Materiales Forjados.
• Acero al carbono.
• Acero al cromo níquel
molibdeno.
• 4340 TyR 30 HRc

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• FUNDIDOS
• Son más económicos.
• Tienen buen comportamiento en el
mecanizado de los radios de acuerdo.
• La baja densidad de la fundición nodular
baja el peso 10% respecto al acero.
• Permite muñequillas y apoyos huecos que
reducen el peso.

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• Forjados:
• Mayor módulo de Young, mayor rigidez y mejor
comportamiento para vibraciones torsionales.
• Mejor comportamiento para evitar el desgaste
de los cojinetes por no tener microporos.
• Mayor dureza original y mejor comportamiento
con tratamientos térmicos.

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• MEC (diesel) se usa más el forjado porque
tienen a bajo régimen un muy elevado
torque. Necesitan mayor rigidez y
capacidad para soportar esfuerzos a baja
frecuencia.
• MEP (nafta) se usa más el fundido.

MATERIALES PARA
CIGÜEÑALES
• TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y
TERMOQUÍMICOS.
• Se busca endurecer las superficies de
rozamiento minimizando las tensiones térmicas
que pueden originar fisuras y falla posterior por
fatiga.
• Temple por inducción: integrable a líneas de
producción.
• Nitruración: mayor resistencia a fatiga y
desgaste.

MECANISMO DE DISTRIBUCIÓN
• Es el conjunto de elementos mecánicos
que producen la apertura y cierre de las
válvulas de admisión y escape según las
leyes dispuestas por cada fabricante.
• Gobierna las características de la
comunicación del cilindro con los
colectores de admisión y de escape.

ELEMENTOS DEL MECANISMO
DE LA DISTRIBUCIÓN
• Árbol de levas; empujadores; varillas;
balancines; válvulas; resortes; sistema
de transmisión.
• De acuerdo a la posición de las válvulas
y del árbol de levas se clasifican en:
1. Árbol de levas lateral (OHV).
2. Árbol(es) de leva a la cabeza (OHC).

DISPOSICIONES DE
ACCIONAMIENTO OHV-OHC
• La disposición lateral OHV tiene mayor
número de elementos, siendo la cadena
cinemática más larga y por lo tanto más
sensible a las dilataciones y a los
fenómenos de inercia.
• La disposición a la cabeza OHC tiene una
lubricación y accionamiento complicados
por la lejanía entre el árbol de levas y el
cigüeñal.

ÁRBOL DE LEVAS
• Son elementos esbeltos que contienen las
levas encargadas de gobernar la apertura
y cierre de acuerdo a leyes definidas.
• Se construyen por fundición, obteniéndose
en una sóla pieza bruta el árbol con las
levas. Posteriormente se tallan con
precisión los perfiles de las levas y los
apoyos, con tratamiento térmico y
mecanizado final.

ÁRBOL DE LEVAS
• Requiere alta rigidez y resistencia
mecánica para absorber esfuerzos
flectores y torsores, así como las
vibraciones que el mismo genera.
• Es conducido por el cigüeñal mediante
elementos de transmisión (cadenas,
correas o engranajes).

PERFILES DE LEVAS
• La forma de apertura ideal de las válvulas
es aquella que permite disponer de la
máxima sección de paso de gas de forma
instantánea y que cierre instantáneamente
en el momento adecuado.
• Por limitaciones asociadas a los esfuerzos
y la inercia, las válvulas no pueden abrir y
cerrar bruscamente, sino de acuerdo a
una LEY.

PERFILES DE LEVAS
• Las válvulas deben asentar con firmeza.
• Se deben permitir dilataciones.
• Se debe considerar el desgaste.
• Para todo lo anterior, se debe diseñar el
sistema con un ajuste-juego determinado.
• El perfil de la leva definirá la alzada o
levantamiento, y consecuentemente las
velocidades y aceleraciones de la válvula.

PERFIL DE LA LEVA
• Se deben evitar los esfuerzos bruscos al
entrar en contacto la leva con el seguidor.
Además los juegos mencionados deben
absorberse mediante una rampa de
velocidad constante zona A.
• Los esfuerzos de impacto son función de
la velocidad de la rampa y se evalúan
experimentalmente.

PERFIL DE LA LEVA
• Al final de la rampa, la válvula debe realizar un
rápido levantamiento.
• La velocidad y la aceleración de ese
levantamiento será función de la geometría de
la zona B de la leva.
• La deceleración será comandada por el resorte,
hasta que la válvula tenga velocidad nula, para
moverla a continuación en sentido negativo,
SIGUIENDO LA GEOMETRÍA DE LA LEVA

CONTINUIDAD CADENA
CINEMÁTICA
• Es muy importante evitar que por
deceleraciones muy bruscas se produzca
una falta de contacto entre las piezas,
perdiéndose así la continuidad de la
cadena cinemática.

EMPUJADORES O TAQUÉS
• El movimiento de la leva es transmitido al
balancín mediante el empujador y la
varilla. Entre el empujador y la leva se
debe lubricar por el movimiento de
deslizamiento.
• El empujador puede tener un rodillo para
evitar el desgaste. El mismo debe ser
siempre en el empujador y nunca en la
leva, pues variaría su perfil.

TAQUÉS HIDRÁULICOS
• Existen sistemas para absorber el huelgo
entre el balancín y la válvula, logrando un
funcionamiento más silencioso. Se
denominan taqués hidráulicos.
• Es un mecanismo hidráulico compuesto
por una camisa móvil accionada por la
leva y un pistón que se mueve dentro de
ella. Este pistón es el encargado de
accionar la cadena cinemática.

RESORTES O MUELLES
• La fuerza del resorte debe ser capaz de
mantener el contacto entre las levas y las
válvulas. Es crucial el contacto en la
deceleración .
• Esto depende de las masas de las partes
móviles y de la aceleración generada por
el perfil de la leva.
• Materiales 1050 o 6150.

RESORTES O MUELLES
• SAE
6150C: 0,48 / 0,53
Mn: 0,70 / 0,90
Si: 0,20 / 0,35
Cr: 0,80 / 1,10
V: 0,15Acero al Cr y V
• Buena templabilidad Di: 3,99" (101 mm)
Acero de grano fino. Alta rsistencia al a fatiga y
al choque. Puede usarse en temperaturas
elevadas (hasta 500 ºC)

RESORTES O MUELLES
• Alambres para resortes.
• Resortes de alta calidad. Varillas de torsión.
Piezas de construcción en general sometidas a
severos esfuerzos. Herramientas de mano.
Laminado,forjado:1100/850ºC950630 285Norm
alizado: 840/880ºC 9406152160277
• Recocido globulizante:755ºC650 197
• Recocido de regeneracion:
815ºC6704802348201Recocido de
ablandamiento:680ºC680 201Temple:840ºC
aceite Revenido:540ºC1200115514

RESORTES O MUELLES
• La frecuencia natural debe ser muy alta
para que a altas vueltas no haya
resonancia.
• Para evitar la resonancia se usan doble
resorte cilíndrico.

DISTRIBUCIÓN DESMODRÓMICA
• El árbol de levas gobierna completamente
los movimientos de la válvula, tanto el de
apertura como el de cierre.
• NO HAY RESORTE RECUPERADOR,
sino que a través de dos levas, una de
apertura y una de cierre se maneja el
mecanismo evitando los movimientos
oscilatorios parásitos. Se utiliza en
motores de alta performance.

PERFIL, VELOCIDAD Y
ACELERACIÓN

FUNDAMENTACIÓN DE LA
DISTRIBUCIÓN VARIABLE
• Cuanto mayor es la cantidad de aire que entra
al cilindro, mayor será la potencia que desarrolla
el motor, por eso es fundamental el sistema de
distribución que es el encargado regular los
tiempos del funcionamiento del motor.
• La distribución del motor va estar controlada por
el árbol de levas que es el elemento
fundamental junto con las válvulas.

SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
VARIABLE
• El momento óptimo de apertura de las válvulas
es diferente para cada régimen del motor, por lo
que resulta imprescindible sacrificar rendimiento
en todos los regímenes de giro para obtener un
resultado aceptable también en todos los
regímenes de giro.
• Lo que hace la distribución variable es
precisamente cambiar el momento de apertura y
cierre de las válvulas en función del régimen del
motor.

SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
VARIABLE
• La determinación del diagrama de
distribución depende de:
1. Prestaciones (potencia, torque,
rendimiento).
2. Reducción de contaminantes químicos
(óxidos de carbono) y físicos (ruido).
3. Fiabilidad.
4. Durabilidad.

POR QUÉ VARIABLE?
• La selección de parámetros de
distribución para conseguir una
optimización del funcionamiento en
determinadas condiciones, NO ASEGURA
el funcionamiento adecuado en
condiciones diferentes.
• En los SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
VARIABLES se adapta el diagrama a cada
condición operativa del motor.

CONFIGURACIONES de los
Sistemas de Distribución Variable
• De acuerdo al cambio que producen en las
leyes de apertura y cierre de válvulas:
• A- Modificación de la fase a perfil constante.
• B- Modificación de la duración a levantamiento
máximo constante.
• C- Modificación del levantamiento a igual
duración y fase.
• D- Modificación del perfil, manteniendo
levantamiento máximo, la duración y la fase.

Modificación de perfiles en
sistemas de distribución variable.
• Figura 27.68

SISTEMAS de DISTRIBUCIÓN
VARIABLE
• Dos configuraciones:
1. A partir de modificaciones en la posición
de los elementos del sistema de
distribución, mediante actuadores
mecánicos (inerciales), eléctricos, e
hidráulicos.
2. A partir de sistemas que no utilizan
árboles de levas (cam less).

VARIABLE Tipo A
• Sistemas tipo “A” Desfasadores.
Operan mediante actuadores
oleohidráulicos, cuya fuerza desfasa el
mecanismo de arrastre (piñón de arrastre
y árbol de levas).
Figura 27.69 abajo izquierda

VARIABLE Tipo B y C
• En estos sistemas se interponen
elementos entre el árbol de levas y las
válvulas. Puede ser un mecanismo de
piñón y corona, que acciona al árbol de
levas a diferentes velocidades.
• Modifican el levantamiento máximo y los
instantes de apertura y cierre de las
válvulas de forma contínua.

https://www.youtube.com/watch?v=
MYflBZHV_wo

RENDIMIENTO MECÁNICO
• Fenómenos tribológicos + Fenómenos
Fluidodinámicos
• Constituye un porcentaje elevado de las
pérdidas del motor
• Fórmula 1 – 12 cilindros – 3,5 litros – Potencia
máxima → SE PIERDEN 150 cv (de 850 cv)
• 50 % → PISTÓN (AROS/CILINDROS) *
• 50 % → En partes iguales: Distribución,
cojinetes, accesorios *

PÉRDIDAS POR DESGASTE
• Fuerza sobre el pistón: 6000 kg (F 1)
• La fuerza a través de la “presión pico”, actúa
sólo pocos grados de la manivela, en cambio la
fuerza de inercia está siempre presente.
• Si tenemos en cuenta la fuerza de inercia a
causa de la masa del pistón y la de la biela, casi
equiparan a la de la presión.
• En los cojinetes de bancada, a causa del
contrapesado, minimiza y a veces elimina las
fuerzas de inercia en términos de desgaste.

SINTETIZANDO:
• El pico de presión define la Fuerza
Máxima
• El fenómeno de inercia define la Fuerza
Media
• Para el desgaste ( Fenómeno de
Acumulación de Daño) → MANDA LA
FUERZA MEDIA → MANDA LA INERCIA

MECANISMOS DE FALLA
• FATIGA
• CORROSIÓN
• DESGASTE:
• DUREZAS
• FUSIBLES MECÁNICOS
• DIFERENCIA DE MICROESTRUCTURAS

MATERIALES ANTIDESGASTE
• FUNDICIONES →
• APORTAN GRAFITO (LUBRICANTE
SÓLIDO)
• TIENEN POROS PARA ALMACENAR
LUBRICANTE LÍQUIDO

COMPONENTES MECÁNICOS
DONDE HAY DESGASTE
• AROS
• Se empezaron a usar hace 150 años en las máquinas a
vapor.
• Sirven para asegurar la estanqueidad de la cámara,
evitando el paso de los gases de combustión
• ¿Cuál es el mecanismo que asegura esa
estanqueidad?
• NO es la presión elástica del aro: esa tensión sólo es
una precarga para apretar contra la camisa en condición
de depresión del mismo.

DESGASTE EN LOS AROS DE
PISTÓN
• La acción más importante es la propia
presión del gas que actúa contra la cara
inferior del alojamiento del aro y
simultáneamente una carga horizontal
interior al diámetro interno del aro.
• Estas fuerzas en juego son varios órdenes
superiores a las elásticas. Por lo tanto:
• La estanqueidad es propiedad de la
presión.

FUERZAS EN LOS AROS
• Para ello debe garantizarse:
• El aro debe apoyar bien plano ( sin huecos) sobre la
cara inferior del alojamiento (efecto axial)
• El gas debe poder ingresar en el alojamiento para
apretar el aro contra la pared del cilindro (radial)
• Debe haber juego radial, para que el gas entre con baja
pérdida de carga ( sino pierdo potencia ↓ƞ₀ )
• Pero el volumen de esa cámara debe ser el mínimo
posible para no retardar el flujo de gas)
• Si no se dan las condiciones anteriores, no sólo pierdo
potencia, sino puede haber falla del aro.

FUERZAS EN LOS AROS
• Puede generar trefila del gas al cárter y
también puede haber un fenómeno
inercial del aro.
• Los aros deben ser por ello tanto más
delgados cuanto más alto lo sea el
régimen de vueltas.

PROBLEMAS DE
TEMPERATURA
• La exigencia mencionada de la planitud
del alojamiento es porque los mismos en
frío son levemente cónicos, para que con
el gradiente de temperatura y la
consecuente dilatación del pistón, sea
plano en caliente.

MATERIALES
• Material: 38NCD4 (4140 APROX.)
• Los hay Poliméricos (baja RESISTENCIA
ESPECÍFICA)
- Superaleaciones
• Bonificado a 40 HRc con anillo de Viton.
• Por el fuerte campo térmico puede
crackizarse el aceite y el producirse el
pegado de los aros.
• A veces se usa una barrera térmica:

Para minimizar la potencia disipada
en los aros:
• Mínimo número de aros
• Baja relación carrera-diámetro
• Baja viscosidad del aceite
• Bajo espesor del aro
• Baja presión elástica

ARBOL CIGÜEÑAL
• Toma la potencia del pistón y la transmite al eje de
entrada de la caja de transmisión.
• De acuerdo al uso del motor, los árboles tienen
diferencias:
• Para uso en competición, los árboles son mucho más
esbeltos. En consecuencia son más deformables.
• Además, para no perder potencia por roce hay menos
bancadas ( Ej: 4 bancadas en lugar de 7 para un 12
cilindros)
• Para ello, se utilizan materiales de alta resistencia, pero
sobre todo de alto módulo elástico.

ARBOL CIGÜEÑAL
• Por eso, no resuelve el problema usar aleaciones de
titanio.
• No se sale del acero. Materiales livianos ( aleaciones de
Aluminio) a igual peso son más rígidos, pero los
diámetros serán mayores → MAYOR DESGASTE
• Tampoco podemos usar el acero Mareging, acero al Mn,
de altísima resistencia, pero austenítico , por lo tanto: E
= 19300 Kg/mm² (contra 21000 kg/cm²)
• El cigüeñal, si sólo estuviera cargado con las fuerzas de
inercia NO soporta fatiga por cargas alternativas, sino
flexión constante. Esto produce la falla de los
cigüeñales, cuyo riesgo crece con la flexibilidad.

ARBOL CIGÜEÑAL
• La elevada deformabilidad del árbol de
competición genera dos problemas:
• El muñon de bancada NO estará paralelo al eje
del cojinete. Por lo tanto, habrá en parte roce
hidráulico y una parte de roce sólido → pérdida
de potencia. Si fuera un rodamiento PEOR,
pues no soporta desalineación.
• Vibración del cigüeñal en sus tres tipos
fundamentales: FLEXIONALES, TORSIONALES
Y AXIALES y a su vez de 1° y 2° orden.

AMORTIGUADORES
TORSIONALES
• Que solución se propusieron para las
vibraciones: AMORTIGUADORES
• Principio de funcionamiento: Roce viscoso
o histéresis de un polímero (energía
disipada).
• Si las vibraciones son muy intensas →
ALTA ENERGÍA DISIPADA (Calentamiento
y Pérdida de Potencia)

AMORTIGUADORES
TORSIONALES
• Podemos usar un volante en el extremo del árbol con
una fricción pre-fijada. Si hay baja intensidad de
vibración, gira con el árbol y solidario. Si me acerco a la
resonancia, se supera el valor de fricción, y el volante
sigue rotando a velocidad constante mientras el árbol
vibra. Pero al liberarse una masa, varía la frecuencia
crítica y sle de la resonancia.
• Es muy importante aumentar la dureza superficial
(cementación, nitruración) : superficie de elevada
resistencia a la fatiga, donde es muy alta la tensión de
torsión (TIZA). Con tenacidad en el núcleo.
• Buena terminación superficial: FATIGA BAJA

PISTONES
• Función de soportar la presión del gas (corona)
• Función de guía longitudinal a través del cilindro
(pollera)
• En un pistón muy corto (competición), parte de la pollera
también tiene función portante, por eso a veces tiene
forma de “margarita” para permitir siempre un área de
pasaje de los gases a través de los aros.
• Para compensar el gradiente axial de dilatación térmica,
la cabeza no tiene un diámetro constante.

PISTONES
• El juego máximo en frío de la parte superior de la
corona, puede ser de 0,5 a 1% del cilindro para pistón
de aluminio en camisas de fundición, pero algo menor si
la camisa es de aluminio.
• La posición del primer aro de compresión debe ser la
más alta posible, pero teniendo en cuenta el gradiente
axial de temperatura para evitar crackizar el aceite con
las consecuencias indeseables de encolado,
trafilamento de gas y agarre. En el motor turbo, los aros
van más abajo. De lo contrario debe haber un sistema
de refrigeración del aceite

PISTONES
• POLLERA
• GUÍA → deberá tener lubricación hidrodinámica.
• La pollera tiene una superficie levemente curvada para facilitar en
ambos sentidos la condición hidrodinámica. Tiene además una
rugosidad dada por canales circunferenciales, para guardar
lubricante y promover el arresto de partículas.
• El juego en frío del punto más alto de la convexidad (bombatura) es
muy bajo (0,13 % del cilindro) para pistón de aluminio en camisa de
fundición → mejor lubricación y menos pérdidas.
• En caliente habrá un leve calce forzado.
• Al sacar el pistón luego de un correcto servicio, debe verse una
zona central lúcida, que será en sintonía de un adecuado
funcionamiento.

PISTONES
• Con motor de serie, con pistón más alto,
esto no es tan crítico y a veces hay más
juego para un funcionamiento mas suave,
pero se pierde potencia. Si hay calce
forzado → necesito mayor elasticidad
radial. Se usan insertos bi-metálicos.

PISTONES: MATERIALES
• En general, aleación de alta resistencia mecánica de aluminio
(Rm=500 MPa), Al Silicio y otros.
• A veces están recubiertos por un material anti-desgaste ( ej:
estañado)
• Hay desarrollos muy especiales de aleación de magnesio
• Al ser elementos básicamente sometidos a fuerzas de inercia, son
críticas las relaciones σ/ρ y E/ρ
• En este aspecto son aleaciones ventajosas.
• La desventaja es la menor conductancia térmica (magnesio). Esto
no debería crear problemas en los motores aspirados pero en los
sobrealimentados debería desarrollar la refrigeración.

PISTONES: MATERIALES
• El perno es construido en acero de alta
resistencia, cementado, nitrurado o
sulfonitrurado.
• Tiene alta presión específica, entre 1500 y 2500
kg/cm² sobre el pie de la biela, por eso es
crucial la lubricación.
• La máxima solicitación del perno, por lo corto
NO es la flexión sino la ovalización.
• Por eso, se usan en casos especiales un tubo
zunchado (acero de alta resistencia por fuera
(Flexión-tracción/compresión) y cerámico por
dentro ( Ovalización- compresión)

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN EL
PISTÓN
• Roce en la pollera. Para reducir la pérdida de
calor:
• Alto número de cilindros
• Baja relación carrera-diámetro
• Baja viscosidad del aceite
• Bajo peso específico (baja inercia)
• Biela larga (menores esfuerzos laterales)
• Pequeña superficie de la pollera

PÉRDIDAS MECÁNICAS EN LOS
COJINETES
• En la primera mitad del siglo XX (rodamientos-
inyección-desmodrómica)(Mercedes W196-
Fangio) se usaban los rodamientos para la
competición. Hoy se usan cojinetes
hidrodinámicos.
• Después de la segunda Guerra Mundial no se
podían usar soluciones costosas. Esa
costumbre perduró y se trabajó en mejorarla
• Un F1 con turbo debe (1200 CV / 1,5 litros = 800
CV/litro) 15000 rpm→usa cojinetes

COJINETES
• COJINETES: Acero al carbono con resistencia
más antifricción
• ( 100 a 700 kg/cm² a la compresión). Si hay
lubricación hidrodinámica, no intervienen los
materiales sino la viscosidad.
• El material antifricción es para el caso en que no
hay lubricación hidrodinámica y con ello roce de
metales incompatibles.
• μ=0,0025 – 0,005
• “tener cuidado con la centrifugación que
produce el cigüeñal”

COJINETES
• Pero de 50 rpm a 15000 rpm → Paso de presión de 6,5
bar →a presión de llegada mayor a 10 bar
• 10 > 6,5 : para que haya lubricación a presión
• Para minimizar las pérdidas en el cojinete:
• Mínimo número de cojinetes por cilindro.*
• Baja viscosidad del lubricante.
• Perno de pequeño diámetro.
• Bajo largo del cojinete. (cojinete corto)
• Mínima rugosidad.

COJINETES
• Obs: * Vale si los cojinetes trabajan de modo
regular. Si el eje flexiona mucho por falta de
bancadas, los cojinetes existentes trabajarán
irregularmente → se pierde mucha potencia.
• “Hay desarrollos que montan los cojinetes sobre
soportes esféricos que permiten orientarse
angularmente”
• Juego cojinete: 1/1000 (diámetro del perno)
• Dos medios cojinetes: fractura contra fractura

MATERIALES DE COJINETES
• “Hay revestimientos que NO reducen la
fricción, pero son anti-desgaste (Metal
Blanco – Lubricante sólido consumible)”
• Variable
• Stellite
• Poros→fatiga

GEOMETRÍA DE LA BIELA
MANIVELA

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