Principios de funcionamiento de los motores recíprocos
Las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases son los principios básicos del funcionamiento del motor. Un motor de combustión interna es un dispositivo para convertir la energía térmica en energía mecánica.
La gasolina se vaporiza y se mezcla con el aire, es forzada o arrastrada a un cilindro, es comprimida por un pistón y luego es encendida por una chispa eléctrica. La conversión de la energía térmica resultante en energía mecánica y luego en trabajo se realiza en el cilindro.
El ciclo de funcionamiento de un motor recíproco de combustión interna incluye la serie de acontecimientos necesarios para la inducción, la compresión, el encendido y la combustión, provocando la expansión de la carga de combustible/aire en el cilindro y la evacuación de los subproductos del proceso de combustión.
Cuando la mezcla comprimida se enciende, los gases de combustión resultantes se expanden muy rápidamente y obligan al pistón a alejarse de la culata. Este movimiento descendente del pistón, que actúa sobre el cigüeñal a través de la biela, se convierte en un movimiento circular o de rotación por parte del cigüeñal.
Una válvula situada en la parte superior o en la culata del cilindro se abre para permitir la salida de los gases quemados, y el impulso del cigüeñal y de la hélice obliga al pistón a volver a subir al cilindro, donde está preparado para el siguiente evento del ciclo. A continuación, se abre otra válvula en la culata para dejar entrar una nueva carga de la mezcla de combustible y aire.
La válvula que permite la salida de los gases de escape quemados se denomina válvula de escape, y la que permite la entrada de una nueva carga de la mezcla de aire y combustible se llama válvula de admisión.
Estas válvulas se abren y se cierran mecánicamente en los momentos adecuados mediante el mecanismo de accionamiento de las válvulas. Por lo tanto, el orden de los cinco eventos de un motor de ciclo de cuatro tiempos es admisión, compresión, encendido, potencia y escape.
El diámetro interior de un cilindro es su diámetro interior. La carrera es la distancia que recorre el pistón desde un extremo del cilindro hasta el otro, concretamente desde el punto muerto superior (PMI) hasta el punto muerto inferior (PMI), o viceversa.
Diseño y construcción
Los principales componentes básicos de un motor recíproco son el cárter, los cilindros, los pistones, las bielas, las válvulas, el mecanismo de accionamiento de las válvulas y el cigüeñal. En la cabeza de cada cilindro se encuentran las válvulas y las bujías.
Una de las válvulas está en un pasaje que sale del sistema de inducción; la otra está en un pasaje que sale del sistema de escape. En el interior de cada cilindro hay un pistón móvil conectado al cigüeñal mediante una biela.
Secciones del cárter - Crankcase Sections
La base de un motor es el cárter. Contiene los cojinetes y los soportes de los cojinetes en los que gira el cigüeñal. Además de soportarse a sí mismo, el cárter debe proporcionar un recinto hermético para el aceite lubricante y debe soportar diversos mecanismos externos e internos del motor.
También sirve de soporte para la fijación de los conjuntos de cilindros y del grupo motor a la aeronave. Debe ser lo suficientemente rígido y resistente para evitar la desalineación del cigüeñal y sus cojinetes. Generalmente se utiliza una aleación de aluminio fundido o forjado para la construcción del cárter porque es ligero y resistente.
El cárter está sometido a muchas variaciones de cargas mecánicas y otras fuerzas. Dado que los cilindros están sujetos al cárter, las tremendas fuerzas ejercidas sobre el cilindro tienden a arrancarlo del cárter.
Las fuerzas centrífugas e inerciales desequilibradas del cigüeñal que actúan a través de los cojinetes principales someten al cárter a momentos de flexión que cambian continuamente de dirección y magnitud. El cárter debe tener la suficiente rigidez para soportar estos momentos de flexión sin que se produzcan desviaciones importantes.
Si el motor está equipado con un engranaje reductor de la hélice, el extremo delantero o de accionamiento está sometido a fuerzas adicionales. Además de las fuerzas de empuje desarrolladas por la hélice cuando la potencia es elevada, hay fuerzas centrífugas y giroscópicas severas aplicadas al cárter debido a los cambios repentinos en la dirección de vuelo, como los que se producen durante las maniobras del avión.
Las fuerzas giroscópicas son especialmente severas cuando se instala una hélice pesada. Para absorber las cargas centrífugas, se utiliza un gran cojinete centrífugo en la sección del morro.
La forma del morro o parte delantera de la sección del cárter varía considerablemente. En general, es cónica o redonda. Dependiendo del tipo de motor recíproco, el morro o la parte delantera del cárter varía un poco. Si la hélice es accionada directamente por el cigüeñal, se necesita menos superficie para este componente del motor.
Los cárteres utilizados en los motores con disposición de cilindros opuestos o en línea varían en cuanto a su forma para los diferentes tipos de motores, pero en general son aproximadamente cilíndricos. Uno o más lados tienen una superficie que sirve de base a la que se fijan los cilindros mediante tornillos de cabeza, pernos o espárragos. Estas superficies mecanizadas con precisión se denominan con frecuencia almohadillas de cilindro.
Si la hélice se acciona mediante engranajes reductores (engranajes que reducen la velocidad de la hélice menos que el motor), se necesita más superficie para alojar los engranajes reductores. La sección de nariz cónica se utiliza con bastante frecuencia en los motores de transmisión directa y baja potencia, ya que no se necesita espacio adicional para alojar los engranajes de reducción de la hélice.
Las secciones de la nariz del cárter suelen ser de aleación de aluminio o de magnesio. La sección de la nariz del cárter en los motores que desarrollan de 1.000 a 2.500 CV suele ser más grande para alojar los engranajes de reducción y, a veces, está acanalada para obtener la mayor resistencia posible.
El regulador se utiliza para controlar la velocidad de la hélice y el ángulo de las palas. El montaje del regulador de la hélice varía. En algunos motores, está situado en la sección trasera, aunque esto complica la instalación, especialmente si la hélice se acciona o controla por presión de aceite, debido a la distancia entre el regulador y la hélice.
Cuando se utilizan hélices de accionamiento hidráulico, es una buena práctica montar el regulador en la sección de morro lo más cerca posible de la hélice para reducir la longitud de los conductos de aceite. El regulador se acciona a partir de los dientes del engranaje de la campana o por otros medios adecuados. Esta disposición básica también se utiliza en los turbohélices.
Tipos de motores - Types of Engines
Los motores de aviación pueden clasificarse por varios métodos. Pueden clasificarse según los ciclos de funcionamiento, la disposición de los cilindros o el método de producción de empuje. Todos son motores térmicos que convierten el combustible en energía térmica que se transforma en energía mecánica para producir empuje.
La mayoría de los motores de aviación actuales son del tipo de combustión interna porque el proceso de combustión tiene lugar dentro del motor. Hay muchos tipos de motores de aviación, como los basados en turbinas de gas, los de pistón recíproco, los rotativos, los de dos o cuatro ciclos, los de encendido por chispa, los diésel y los refrigerados por aire o agua.
Los motores recíprocos y de turbina de gas también tienen subdivisiones basadas en el tipo de disposición de los cilindros (pistón) y el rango de velocidad (turbina de gas).
Se han diseñado muchos tipos de motores recíprocos. Sin embargo, los fabricantes han desarrollado algunos diseños que se utilizan más comúnmente que otros y, por lo tanto, se reconocen como convencionales. Los motores recíprocos pueden clasificarse según la disposición de los cilindros (en línea, en V, radiales y opuestos) o según el método de refrigeración (refrigerado por líquido o por aire).
En realidad, todos los motores de pistón se refrigeran transfiriendo el exceso de calor al aire circundante. En los motores refrigerados por aire, esta transferencia de calor es directa de los cilindros al aire. Por lo tanto, es necesario dotar de finas aletas metálicas a los cilindros de un motor refrigerado por aire para disponer de una mayor superficie que permita una transferencia de calor suficiente.
La mayoría de los motores recíprocos de aviación están refrigerados por aire, aunque unos pocos motores de gran potencia utilizan un sistema eficaz de refrigeración por líquido. En los motores refrigerados por líquido, el calor se transfiere de los cilindros al refrigerante, que se envía a través de tubos y se enfría dentro de un radiador colocado en la corriente de aire.
El radiador de líquido refrigerante debe ser lo suficientemente grande como para enfriar el líquido de forma eficiente. El principal problema de la refrigeración líquida es el peso añadido del refrigerante, el intercambiador de calor (radiador) y los tubos para conectar los componentes. Los motores refrigerados por líquido permiten obtener una gran potencia del motor de forma segura.
Motores en línea - Inline Engines
Un motor en línea suele tener un número par de cilindros, aunque se han construido algunos motores de tres cilindros. Este motor puede estar refrigerado por líquido o por aire y sólo tiene un cigüeñal, que está situado por encima o por debajo de los cilindros. Si el motor está diseñado para funcionar con los cilindros por debajo del cigüeñal, se denomina motor invertido.
El motor en línea tiene un área frontal pequeña y se adapta mejor a la aerodinámica. Cuando se monta con los cilindros en posición invertida, ofrece las ventajas añadidas de un tren de aterrizaje más corto y una mayor visibilidad del piloto.
Al aumentar el tamaño del motor, el tipo en línea refrigerado por aire ofrece problemas adicionales para proporcionar una refrigeración adecuada; por lo tanto, este tipo de motor se limita a los motores de baja y media potencia utilizados en aviones ligeros muy antiguos.
Motores opuestos o de tipo O - Opposed or O-Type Engines
Los pistones de ambas bancadas de cilindros están conectados a un único cigüeñal. Aunque el motor puede estar refrigerado por líquido o por aire, la versión refrigerada por aire se utiliza predominantemente en la aviación. Generalmente se monta con los cilindros en posición horizontal.
El motor de tipo opuesto tiene una baja relación peso-caballo, y su estrecha silueta lo hace ideal para su instalación horizontal en las alas de los aviones (aplicaciones de motores gemelos). Otra ventaja es su bajo nivel de vibraciones.
Motores en V - V-Type Engines
En los motores de tipo V, los cilindros están dispuestos en dos bancos en línea, generalmente separados 60°. La mayoría de los motores tienen 12 cilindros, refrigerados por líquido o por aire. Los motores se designan con una V seguida de un guión y la cilindrada del pistón en pulgadas cúbicas.
Por ejemplo, V-1710. Este tipo de motor se utilizó principalmente durante la segunda guerra mundial y su uso se limita sobre todo a los aviones más antiguos.
Motores radiales - Radial Engines
El motor radial consiste en una fila, o filas, de cilindros dispuestos radialmente alrededor de un cárter central. Este tipo de motor ha demostrado ser muy robusto y fiable.
El número de cilindros que componen una fila puede ser de tres, cinco, siete o nueve. Algunos motores radiales tienen dos filas de siete o nueve cilindros dispuestas radialmente alrededor del cárter, una delante de la otra. Se denominan radiales de doble fila.
Un tipo de motor radial tiene cuatro filas de cilindros con siete cilindros en cada fila para un total de 28 cilindros. Los motores radiales se siguen utilizando en algunos aviones de carga antiguos, en aves de guerra y en aviones de fumigación. Aunque todavía existen muchos de estos motores, su uso es limitado.
El motor radial de una fila y nueve cilindros es de construcción relativamente sencilla, con un morro de una pieza y un cárter principal de dos secciones. Los motores más grandes de dos filas tienen una construcción algo más compleja que los de una sola fila.
Por ejemplo, el cárter del motor Wright R-3350 se compone de la sección delantera del cárter, cuatro secciones principales del cárter (principal delantera, central delantera, central trasera y principal trasera), carcasa trasera de levas y taqués, carcasa delantera del sobrealimentador, carcasa trasera del sobrealimentador y tapa de la carcasa trasera del sobrealimentador.
Los motores Pratt y Whitney de tamaño comparable incorporan las mismas secciones básicas, aunque la construcción y la nomenclatura difieren considerablemente.
En algunos de los motores radiales más grandes, hay una pequeña cámara situada en la parte inferior de la sección de morro para recoger el aceite. Esto se denomina cárter de aceite de la sección de morro. Dado que la sección de morro transmite muchas y variadas fuerzas al cárter principal o sección de potencia, debe estar bien fijada para transmitir las cargas de forma eficiente.
Las superficies mecanizadas sobre las que se montan los cilindros se denominan bancadas de cilindros. Están provistas de un medio adecuado para retener o sujetar los cilindros al cárter. La práctica general para asegurar la brida del cilindro a la zapata es montar espárragos en los agujeros roscados del cárter.
La parte interior de las almohadillas del cilindro a veces está biselada o afilada para permitir la instalación de una gran junta tórica de goma alrededor de la falda del cilindro, que sella eficazmente la unión entre el cilindro y las almohadillas del cárter contra las fugas de aceite.
Debido a que el aceite es arrojado sobre el cárter, especialmente en los motores invertidos de tipo en línea y radial, las faldas de los cilindros se extienden una distancia considerable en las secciones del cárter para reducir el flujo de aceite en los cilindros invertidos. Los conjuntos de pistón y segmentos deben estar dispuestos de manera que arrojen el aceite salpicado directamente hacia ellos.
Los salientes de montaje están espaciados en la periferia de la parte trasera del cárter o de la sección del difusor de un motor radial. Se utilizan para fijar el conjunto del motor al soporte del motor o a la estructura prevista para fijar el grupo motor al fuselaje de las aeronaves monomotoras o a la estructura de la góndola del ala de las aeronaves multimotoras.
Los salientes de montaje pueden estar integrados en el cárter o en la sección del difusor o ser desmontables, como en el caso de los soportes de motor flexibles o dinámicos.
La disposición de montaje soporta todo el sistema de propulsión, incluida la hélice, y por lo tanto está diseñada para proporcionar una amplia resistencia para maniobras rápidas u otras cargas. Debido a la elongación y contracción de los cilindros, los tubos de admisión que llevan la mezcla desde la cámara del difusor a través de los puertos de la válvula de admisión están dispuestos para proporcionar una junta deslizante que debe ser a prueba de fugas.
La presión atmosférica en el exterior de la caja de un motor sin sobrealimentación es mayor que en el interior, especialmente cuando el motor funciona al ralentí. Si el motor está equipado con un sobrealimentador y funciona a pleno rendimiento, la presión es considerablemente mayor en el interior que en el exterior de la caja.
Si la conexión de la junta deslizante tiene una ligera fuga, el motor puede funcionar al ralentí rápido debido a una ligera inclinación de la mezcla. Si la fuga es bastante grande, puede que no funcione al ralentí.
En el acelerador abierto, una pequeña fuga probablemente no se notaría en el funcionamiento del motor, pero la ligera inclinación de la mezcla de combustible y aire podría causar detonación o daños en las válvulas y los asientos de las válvulas.
En algunos motores radiales, el tubo de admisión tiene una longitud considerable y en algunos motores en línea, el tubo de admisión está en ángulo recto con los cilindros. En estos casos, la flexibilidad del tubo de admisión o su disposición elimina la necesidad de una junta deslizante.
En cualquier caso, el sistema de inducción del motor debe estar dispuesto de forma que no se produzcan fugas de aire y se modifique la relación combustible/aire deseada.
Sección de accesorios
La sección de accesorios (trasera) suele ser de fundición y el material puede ser una aleación de aluminio, que es la más utilizada, o magnesio, que se ha utilizado en cierta medida. En algunos motores, está fundida en una sola pieza y provista de medios para el montaje de los accesorios, como magnetos, carburadores, bombas de combustible, aceite y vacío, motor de arranque, generador, accionamiento del tacómetro, etc., en los distintos lugares necesarios para facilitar la accesibilidad.
Otras adaptaciones consisten en una fundición de aleación de aluminio y una placa de cubierta de magnesio fundida por separado en la que se disponen los soportes de los accesorios. Los ejes de transmisión de los accesorios se montan en disposiciones de transmisión adecuadas que se llevan a cabo a las almohadillas de montaje de los accesorios.
De este modo, las distintas relaciones de transmisión pueden disponerse para dar la velocidad de accionamiento adecuada a las magnetos, bombas y otros accesorios para obtener una sincronización o funcionamiento correctos.
Trenes de engranajes de accesorios Los trenes de engranajes, que contienen engranajes de tipo recto y cónico, se utilizan en los diferentes tipos de motores para accionar los componentes y accesorios del motor. Los engranajes de tipo recto se utilizan generalmente para accionar los accesorios más cargados o los que requieren menos juego o holgura en el tren de engranajes.
Los engranajes cónicos permiten la ubicación angular de los ejes cortos que conducen a las diversas almohadillas de montaje de los accesorios. En los motores recíprocos opuestos, los trenes de engranajes de los accesorios suelen ser disposiciones sencillas.
Muchos de estos motores utilizan trenes de engranajes sencillos para accionar los accesorios del motor a las velocidades adecuadas.
Cigüeñales - Crankshafts
El cigüeñal se lleva en posición paralela al eje longitudinal del cárter y, por lo general, se apoya en un cojinete principal entre cada tiro. Los cojinetes principales del cigüeñal deben apoyarse de forma rígida en el cárter. Esto se consigue normalmente mediante bandas transversales en el cárter, una para cada cojinete principal.
Los nervios forman parte de la estructura y, además de soportar los cojinetes principales, aumentan la resistencia de todo el cárter. El cárter está dividido en dos secciones en un plano longitudinal.
Esta división puede ser en el plano del cigüeñal, de modo que la mitad de los cojinetes principales (y a veces los cojinetes del árbol de levas) se llevan en una sección de la caja y la otra mitad en la sección opuesta.
Otro método consiste en dividir la carcasa de tal manera que los cojinetes principales se fijen a una sola sección de la carcasa en la que se fijan los cilindros, proporcionando así medios para retirar una sección del cárter para su inspección sin perturbar el ajuste de los cojinetes.
El cigüeñal es la columna vertebral del motor recíproco. Está sometido a la mayor parte de las fuerzas desarrolladas por el motor. Su objetivo principal es transformar el movimiento recíproco del pistón y la biela en movimiento de rotación para el giro de la hélice.
El cigüeñal, como su nombre indica, es un eje compuesto por una o más bielas situadas en puntos específicos de su longitud. Las manivelas, o tiros, se forman forjando desviaciones en un eje antes de mecanizarlo. Como los cigüeñales deben ser muy resistentes, generalmente se forjan con una aleación muy resistente, como el acero al cromo-níquel-molibdeno.
Un cigüeñal puede ser de construcción de una sola pieza o de varias piezas. La construcción de cuatro tiros puede utilizarse en motores de cuatro cilindros horizontales opuestos o de cuatro cilindros en línea.
El eje de seis tiros se utiliza en motores de seis cilindros en línea, motores de 12 cilindros en V y motores de seis cilindros opuestos. Los cigüeñales de los motores radiales pueden ser del tipo de una, dos o cuatro carreras, dependiendo de si el motor es del tipo de una, dos o cuatro carreras.
Independientemente del número de carreras que tenga, cada cigüeñal tiene tres partes principales: un muñón, una biela y una carrillera. Los contrapesos y los amortiguadores, aunque no forman parte del cigüeñal, suelen estar unidos a él para reducir las vibraciones del motor.
El muñón se apoya en un cojinete principal y gira en él. Sirve como centro de rotación del cigüeñal. Su superficie está endurecida para reducir el desgaste. La muñequilla del cigüeñal es la sección a la que se une la biela. Está descentrada de los muñones principales y a menudo se denomina tiro.
Dos bielas y una muñequilla conforman un tiro. Cuando se aplica una fuerza a la muñequilla del cigüeñal en cualquier dirección que no sea paralela o perpendicular a la línea central del cigüeñal y a través de ella, hace que el cigüeñal gire. La superficie exterior se endurece mediante nitruración para aumentar su resistencia al desgaste y proporcionar la superficie de apoyo necesaria.
La muñequilla del cigüeñal suele ser hueca. Esto reduce el peso total del cigüeñal y proporciona un paso para la transferencia de aceite lubricante. En los primeros motores, la muñequilla hueca también servía como cámara para recoger lodos, depósitos de carbón y otros materiales extraños.
La fuerza centrífuga lanzaba estas sustancias al exterior de la cámara y evitaba que llegaran a la superficie de apoyo de la biela. Debido al uso de aceites dispersantes sin cenizas, los motores más recientes ya no utilizan cámaras de lodos.
En algunos motores, se perfora un pasaje en la mejilla del cigüeñal para permitir que el aceite del cigüeñal hueco se rocíe en las paredes del cilindro. La carrillera del cigüeñal conecta la muñequilla con el muñón principal.
En algunos diseños, la carrillera se extiende más allá del gorrón y lleva un contrapeso para equilibrar el cigüeñal. La carrillera del cigüeñal debe ser de construcción robusta para obtener la rigidez necesaria entre la biela y el muñón.
En todos los casos, el tipo de cigüeñal y el número de bielas deben corresponder a la disposición de los cilindros del motor. La posición de las bielas en el cigüeñal en relación con las otras bielas del mismo eje se expresa en grados.
El cigüeñal más sencillo es el de una sola vuelta o de 360º. Este tipo se utiliza en un motor radial de una sola fila. Puede construirse en una o dos piezas. Cuando se utiliza este tipo de cigüeñal, se proporcionan dos cojinetes principales (uno en cada extremo). El cigüeñal de doble vuelta o de 180° se utiliza en los motores radiales de doble fila. En el motor de tipo radial, se dispone de un tiro para cada fila de cilindros.
Equilibrio del cigüeñal - Crankshaft Balance
Las vibraciones excesivas en un motor no sólo provocan la fatiga de las estructuras metálicas, sino que también hacen que las piezas móviles se desgasten rápidamente. En algunos casos, la vibración excesiva está causada por un cigüeñal que no está equilibrado. Los cigüeñales están equilibrados para el equilibrio estático y el equilibrio dinámico.
Un cigüeñal está equilibrado estáticamente cuando el peso de todo el conjunto de bielas, manivelas y contrapesos está equilibrado alrededor del eje de rotación. Cuando se comprueba el equilibrio estático, se coloca sobre dos bordes de cuchilla. Si el eje tiende a girar hacia cualquier posición durante la prueba, está fuera de equilibrio estático.
Amortiguadores dinámicos - Dynamic Dampers
Un cigüeñal está equilibrado dinámicamente cuando todas las fuerzas creadas por la rotación del cigüeñal y los impulsos de potencia están equilibrados entre sí, de modo que se produce poca o ninguna vibración cuando el motor está en funcionamiento. Para reducir las vibraciones al mínimo durante el funcionamiento del motor, se incorporan amortiguadores dinámicos en el cigüeñal.
Un amortiguador dinámico no es más que un péndulo que se sujeta al cigüeñal para que se mueva libremente en un pequeño arco. Se incorpora en el conjunto del contrapeso.
Algunos cigüeñales incorporan dos o más de estos conjuntos, cada uno de ellos fijado a una mejilla de cigüeñal diferente. La distancia a la que se desplaza el péndulo y, por tanto, su frecuencia de vibración corresponde a la frecuencia de los impulsos de potencia del motor.
Cuando se produce la frecuencia de vibración del cigüeñal, el péndulo oscila fuera de tiempo con la vibración del cigüeñal, reduciendo así la vibración al mínimo.
La construcción del amortiguador dinámico utilizado en un motor consiste en un contrapeso móvil de acero ranurado fijado a la mejilla del cigüeñal. Dos pasadores de acero en forma de carrete se extienden dentro de la ranura y pasan a través de agujeros sobredimensionados en el contrapeso y la mejilla del cigüeñal. La diferencia de diámetro entre los pasadores y los agujeros proporciona un efecto de péndulo.
Bielas - Connecting Rods
La biela es el enlace que transmite las fuerzas entre el pistón y el cigüeñal. Las bielas deben ser lo suficientemente resistentes para permanecer rígidas bajo carga y, al mismo tiempo, lo suficientemente ligeras para reducir las fuerzas de inercia que se producen cuando la biela y el pistón se detienen, cambian de dirección y vuelven a arrancar al final de cada carrera.
Hay cuatro tipos de conjuntos de biela:
1. Liso (Plain)
2. Horquilla y pala (Fork and blade)
3. Maestro y articulado (Master and articulated)
4. Tipo dividido (Split-type)
Conjunto de biela maestra y articulada
El conjunto de biela maestra y articulada se utiliza habitualmente en los motores radiales. En un motor radial, el pistón de un cilindro de cada fila está conectado al cigüeñal mediante una biela maestra. Todos los demás pistones de la fila están conectados al vástago maestro mediante vástagos articulados.
En un motor de 18 cilindros, que tiene dos filas de cilindros, hay dos bielas maestras y 16 bielas articuladas. Los vástagos articulados están construidos con una aleación de acero forjado en forma de I o de H, lo que denota la forma de la sección transversal. Los casquillos de bronce se introducen a presión en los orificios de cada extremo del vástago articulado para proporcionar cojinetes de pasador de rótula y de pistón.
El vástago maestro sirve de enlace entre el bulón del pistón y la biela. El extremo de la biela, o el extremo grande, contiene el cojinete de la biela o biela maestra. Las bridas que rodean el extremo grande sirven para la fijación de las varillas articuladas.
Las bielas articuladas se fijan a la biela maestra por medio de pasadores de rótula, que se introducen a presión en los orificios de las bridas de la biela maestra durante el montaje. En el extremo del pistón del vástago maestro se instala un cojinete liso, normalmente llamado casquillo del bulón del pistón, para recibir el bulón del pistón.
Cuando se emplea un cigüeñal del tipo split-spline o split-clamp, se utiliza una biela maestra de una sola pieza. La biela maestra y la articulada se ensamblan y luego se instalan en la muñequilla del cigüeñal; a continuación se unen las secciones del cigüeñal. En los motores que utilizan el tipo de cigüeñal de una pieza, el extremo grande de la biela maestra está dividido, al igual que el cojinete de la biela maestra.
La parte principal de la biela maestra se instala en la muñequilla del cigüeñal; a continuación se coloca la tapa del cojinete y se atornilla a la biela maestra. Los centros de los pasadores de la biela no coinciden con el centro de la muñequilla.
Así, mientras que el centro de la muñequilla describe un círculo verdadero para cada revolución del cigüeñal, los centros de las muñequillas describen una trayectoria elíptica. Las trayectorias elípticas son simétricas en torno a una línea central que pasa por el cilindro de la biela maestra.
Se puede observar que los diámetros mayores de las elipses no son iguales. Por lo tanto, las barras de acoplamiento tienen diferentes grados de angularidad en relación con el centro del tiro de la manivela.
Debido a la variación de la angulación de las bielas y al movimiento elíptico de los bulones, no todos los pistones se mueven lo mismo en cada cilindro para un número determinado de grados de movimiento del cigüeñal.
Esta variación en la posición del pistón entre los cilindros puede tener un efecto considerable en el funcionamiento del motor. Para minimizar el efecto de estos factores en la sincronización de las válvulas y el encendido, los orificios de los pasadores de la brida de la biela maestra no son equidistantes del centro de la biela, compensando así en cierta medida el efecto de la angulación de la biela.
Otro método para minimizar los efectos adversos en el funcionamiento del motor es utilizar un magneto compensado. En este magneto, la leva de ruptura tiene un número de lóbulos igual al número de cilindros del motor.
Para compensar la variación de la posición del pistón debida a la angulación del vástago, los lóbulos de la leva de ruptura están rectificados con un espacio desigual. Esto permite que los contactos del disyuntor se abran cuando el pistón está en la posición de disparo correcta.
Pasadores de los nudillos - Knuckle Pins
Los pasadores de la rótula son de construcción sólida, excepto por los pasajes de aceite perforados en los pasadores, que lubrican los bujes de la rótula. Estos pasadores pueden instalarse presionando en los agujeros de las bridas de la barra maestra para evitar que giren en ella.
Los pasadores de rótula también pueden instalarse con un ajuste suelto, de modo que puedan girar en los orificios de la brida de la barra maestra, y también girar en los bujes de la barra articulada. Estos pasadores se denominan pasadores de rótula de flotación completa. En cualquiera de los dos tipos de montaje, una placa de bloqueo en cada lado retiene el pasador de biela y evita un movimiento lateral.
Bielas lisas - Plain-Type Connecting Rods
Las bielas lisas se utilizan en motores en línea y opuestos. El extremo de la biela unido al cigüeñal está provisto de una tapa y un cojinete de dos piezas. La tapa del cojinete se mantiene en el extremo de la biela mediante pernos o espárragos. Para mantener el ajuste y el equilibrio adecuados, las bielas deben sustituirse siempre en el mismo cilindro y en la misma posición relativa.
Conjunto de biela y pala - Fork-and-Blade Rod Assembly
El conjunto de biela y pala se utiliza principalmente en los motores de tipo V. El vástago en horquilla está dividido en el extremo de la biela para dejar espacio para que el vástago de la pala encaje entre las puntas. En el extremo del cigüeñal de la biela se utiliza un único cojinete de dos piezas. Este tipo de biela no se utiliza mucho en los motores modernos.
Pistones - Pistons
El pistón de un motor recíproco es un miembro cilíndrico que se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro de un cilindro de acero. El pistón actúa como una pared móvil dentro de la cámara de combustión.
Cuando el pistón se mueve hacia abajo en el cilindro, aspira la mezcla de combustible y aire. Cuando se mueve hacia arriba, comprime la carga, se produce la ignición y los gases en expansión obligan al pistón a bajar. Esta fuerza se transmite al cigüeñal a través de la biela. En la carrera ascendente de retorno, el pistón expulsa los gases de escape del cilindro y el ciclo se repite.
Construcción del pistón - Piston Construction
La mayoría de los pistones de los motores de aviación se mecanizan a partir de piezas forjadas de aleación de aluminio. Se mecanizan ranuras en la superficie exterior del pistón para recibir los segmentos, y se proporcionan aletas de refrigeración en el interior del pistón para una mayor transferencia de calor al aceite del motor.
Los pistones pueden ser del tipo tronco o del tipo deslizante. Los pistones de tipo deslizante no se utilizan en los motores modernos de alta potencia porque no proporcionan la fuerza adecuada ni la resistencia al desgaste. La parte superior del pistón, o cabeza, puede ser plana, convexa o cóncava. Se pueden mecanizar rebajes en la cabeza del pistón para evitar la interferencia con las válvulas.
Los motores modernos utilizan pistones rectificados por levas que tienen un diámetro mayor perpendicular al bulón del pistón. Este diámetro mayor mantiene el pistón recto en el cilindro cuando el motor se calienta desde el arranque inicial.
A medida que el pistón se calienta durante el calentamiento, la parte del pistón en línea con el bulón tiene más masa y se expande más haciendo que el pistón sea completamente redondo. A bajas temperaturas, el pistón tiene forma ovalada y, cuando se calienta hasta la temperatura de funcionamiento, se vuelve redondo.
Este proceso reduce la tendencia del pistón a golpear en el cilindro durante el calentamiento. Cuando el motor alcanza su temperatura normal de funcionamiento, el pistón adopta las dimensiones correctas en el cilindro.
Se pueden mecanizar hasta seis ranuras alrededor del pistón para alojar los segmentos de compresión y los segmentos de aceite. Los segmentos de compresión se instalan en las tres ranuras superiores; los segmentos de control de aceite se instalan inmediatamente por encima del bulón del pistón.
El pistón suele estar perforado en las ranuras de los segmentos de control de aceite para permitir que el aceite sobrante raspado de las paredes del cilindro por los segmentos de control de aceite vuelva al cárter. En la base de la pared o falda del pistón se instala un anillo rascador de aceite para evitar el consumo excesivo de aceite.
Las partes de las paredes del pistón que se encuentran entre las ranuras de los segmentos se denominan tierras de los segmentos. Además de servir de guía para la cabeza del pistón, la falda del pistón incorpora los salientes del bulón. Los resaltes del bulón del pistón son de construcción pesada para permitir que la carga pesada de la cabeza del pistón se transfiera al bulón del pistón.
Pasador del pistón - Piston Pin
El bulón del pistón une el pistón con la biela. Se mecaniza en forma de tubo a partir de una aleación de acero al níquel forjada, cementada y rectificada. El bulón del pistón se denomina a veces muñequilla por la similitud entre los movimientos relativos del pistón y la biela articulada y los del brazo humano.
El bulón del pistón utilizado en los motores de aviación modernos es del tipo totalmente flotante, llamado así porque el bulón es libre de girar tanto en el pistón como en el cojinete del bulón de la biela.
El bulón del pistón debe mantenerse en su sitio para evitar que los extremos del bulón marquen las paredes del cilindro. Un tapón de aluminio relativamente blando en el extremo del bulón proporciona una buena superficie de apoyo contra la pared del cilindro.
Anillos de pistón - Piston Rings
Los segmentos del pistón evitan la fuga de gas a presión de la cámara de combustión y reducen al mínimo la filtración de aceite en la cámara de combustión. Los segmentos encajan en las ranuras del pistón pero salen para presionar contra las paredes del cilindro; cuando están bien lubricados, los segmentos forman un sello de gas eficaz.
Construcción de los segmentos del pistón - Piston Ring Construction
La mayoría de los segmentos del pistón se fabrican con hierro fundido de alta calidad. Una vez fabricados los segmentos, se rectifican hasta conseguir la sección deseada.
A continuación, se dividen para que puedan deslizarse por el exterior del pistón y entrar en las ranuras de los segmentos que están mecanizadas en la pared del pistón.
Dado que su objetivo es sellar el espacio entre el pistón y la pared del cilindro, deben ajustarse a la pared del cilindro lo suficiente como para proporcionar un ajuste hermético. Deben ejercer la misma presión en todos los puntos de la pared del cilindro y deben hacer un ajuste hermético contra los lados de las ranuras de los segmentos.
La fundición gris es la más utilizada para fabricar segmentos de pistón. En algunos motores, se utilizan segmentos de acero dulce cromados en la ranura del segmento de compresión superior, ya que estos segmentos soportan mejor las altas temperaturas presentes en este punto. Los segmentos cromados deben utilizarse con paredes de cilindros de acero. No utilice nunca segmentos cromados en cilindros cromados.
Anillo de compresión - Compression Ring
La finalidad de los segmentos de compresión es impedir el escape de los gases de combustión más allá del pistón durante el funcionamiento del motor. Se colocan en las ranuras de los segmentos inmediatamente debajo de la cabeza del pistón.
El número de segmentos de compresión utilizados en cada pistón viene determinado por el tipo de motor y su diseño, aunque la mayoría de los motores de aviación utilizan dos segmentos de compresión más uno o más segmentos de control de aceite.
La sección transversal del anillo es rectangular o en forma de cuña con una cara cónica. La cara cónica presenta un borde de apoyo estrecho con respecto a la pared del cilindro, lo que ayuda a reducir la fricción y a proporcionar un mejor sellado.
Anillos de control de aceite - Oil Control Rings
Los segmentos de control de aceite se colocan en las ranuras situadas inmediatamente por debajo de los segmentos de compresión y por encima de los orificios de los bulones del pistón. Puede haber uno o varios segmentos de control de aceite por pistón; pueden instalarse dos segmentos en la misma ranura, o pueden instalarse en ranuras separadas.
Los segmentos de control de aceite regulan el espesor de la película de aceite en la pared del cilindro. Si entra demasiado aceite en la cámara de combustión, se quema y deja una gruesa capa de carbón en las paredes de la cámara de combustión, la cabeza del pistón, las bujías y las cabezas de las válvulas.
Esta carbonilla puede hacer que las válvulas y los segmentos del pistón se peguen si entra en las ranuras de los segmentos o en las guías de las válvulas. Además, la carbonilla puede provocar fallos de encendido en las bujías, así como detonación, preignición o consumo excesivo de aceite.
Para permitir que el aceite sobrante regrese al cárter, se perforan agujeros en el fondo de las ranuras de los segmentos de control de aceite del pistón o en las tierras próximas a estas ranuras.
Anillo limpiador de aceite - Oil Scraper Ring
El anillo limpiador de aceite suele tener una cara biselada y se instala en la ranura de la parte inferior de la falda del pistón. El segmento se instala con el borde rascador alejado de la cabeza del pistón o en posición inversa, dependiendo de la posición del cilindro y de la serie del motor.
En la posición inversa, el anillo rascador retiene el aceite sobrante por encima del anillo en la carrera ascendente del pistón, y este aceite es devuelto al cárter por los anillos de control de aceite en la carrera descendente.
Cilindros - Cylinders
La parte del motor en la que se desarrolla la potencia se llama cilindro. El cilindro proporciona una cámara de combustión donde se produce la combustión y la expansión de los gases, y alberga el pistón y la biela. Hay cuatro factores principales que deben tenerse en cuenta en el diseño y la construcción del conjunto de cilindros. Debe:
1. Ser lo suficientemente resistente para soportar las presiones internas que se desarrollan durante el funcionamiento del motor.
2. Estar construido con un metal ligero para mantener bajo el peso del motor.
3. Tener buenas propiedades de conducción del calor para una refrigeración eficaz.
4. Ser comparativamente fácil y barato de fabricar, inspeccionar y mantener.
La culata de un motor refrigerado por aire suele estar hecha de una aleación de aluminio, ya que ésta es una buena conductora del calor y su ligereza reduce el peso total del motor. Las culatas son forjadas o fundidas a presión para aumentar su resistencia. La forma interior de una culata es generalmente semiesférica. La forma semiesférica es más resistente que el diseño convencional y ayuda a una evacuación más rápida y completa de los gases de escape.
El cilindro utilizado en el motor refrigerado por aire es del tipo de válvula en cabeza. Cada cilindro es un conjunto de dos partes principales: la culata y el cilindro.
En el momento del montaje, la culata se expande por calentamiento y luego se enrosca en la camisa, que se ha enfriado. Cuando la culata se enfría y se contrae y la camisa se calienta y se expande, se produce una unión estanca. La mayoría de los cilindros utilizados se construyen de esta manera, utilizando una culata de aluminio y un cilindro de acero.
Cabezas de cilindros - Cylinder Heads
La finalidad de la culata es proporcionar un lugar para la combustión de la mezcla de combustible y aire y dotar al cilindro de mayor conductividad térmica para una refrigeración adecuada. La mezcla de aire y combustible se enciende con la chispa en la cámara de combustión y comienza a arder cuando el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior (parte superior de su recorrido) en la carrera de compresión.
La carga encendida se expande rápidamente en este momento, y la presión aumenta de modo que, cuando el pistón se desplaza por la posición de punto muerto superior, es impulsado hacia abajo en la carrera de potencia. Los orificios de las válvulas de admisión y escape se encuentran en la culata, junto con las bujías y los mecanismos de accionamiento de las válvulas de admisión y escape.
Una vez fundida la culata, se instalan en ella los casquillos de las bujías, las guías de las válvulas, los casquillos de los balancines y los asientos de las válvulas. Los orificios de las bujías pueden equiparse con casquillos de bronce o de acero que se encogen y se atornillan en los orificios. Los insertos de bujías de acero inoxidable Heli-Coil se utilizan en muchos motores fabricados actualmente.
Las guías de válvulas de bronce o acero suelen estar encogidas o atornilladas en las aberturas perforadas en la culata para proporcionar guías para los vástagos de las válvulas. Suelen estar situadas en ángulo con respecto a la línea central del cilindro. Los asientos de las válvulas son anillos circulares de metal endurecido que protegen el metal relativamente blando de la culata de la acción de martilleo de las válvulas (al abrirse y cerrarse) y de los gases de escape.
Las culatas de los motores refrigerados por aire están sometidas a temperaturas extremas, por lo que es necesario prever una superficie adecuada de aletas de refrigeración y utilizar metales que conduzcan el calor rápidamente. Las culatas de los motores refrigerados por aire suelen estar fundidas o forjadas.
La aleación de aluminio se utiliza en la construcción por varias razones. Se adapta bien a la fundición o al mecanizado de aletas profundas y poco espaciadas, y es más resistente que la mayoría de los metales al ataque corrosivo del tetraetilo de plomo de la gasolina. La mayor mejora en la refrigeración por aire se ha producido al reducir el grosor de las aletas y aumentar su profundidad.
De este modo, la superficie de las aletas se ha incrementado en los motores modernos. Las aletas de refrigeración se estrechan de 0,090" en la base a 0,060" en el extremo de la punta. Debido a la diferencia de temperatura en las distintas secciones de la culata, es necesario proporcionar más superficie de aletas de refrigeración en algunas secciones que en otras.
La región de la válvula de escape es la parte más caliente de la superficie interna; por lo tanto, se proporciona más área de aletas alrededor del exterior del cilindro en esta sección.
Camisa de los Cilindros - Cylinder Barrels
La camisa del cilindro en la que opera el pistón debe ser de un material de alta resistencia, normalmente acero. Debe ser lo más ligero posible y tener las características adecuadas para funcionar a altas temperaturas.
Debe ser de un buen material portante y tener una alta resistencia a la tracción. La camisa del cilindro está hecha de una aleación de acero forjado con la superficie interior endurecida para resistir el desgaste del pistón y de los segmentos que lo soportan. Este endurecimiento se realiza normalmente exponiendo el acero a gas amoníaco o cianuro mientras el acero está muy caliente.
El acero absorbe el nitrógeno del gas, que forma nitruros de hierro en la superficie expuesta. Como resultado de este proceso, se dice que el metal está nitrurado. Esta nitruración sólo penetra en la superficie del cañón unos pocos milímetros.
A medida que los cilindros se desgastan por el uso, pueden repararse mediante el cromado. Se trata de un proceso que aplica cromo a la superficie del cilindro y lo devuelve a las nuevas dimensiones estándar. Los cilindros cromados deben utilizar anillos de hierro fundido.
El bruñido de las paredes de los cilindros es un proceso que les devuelve las dimensiones correctas y les proporciona un patrón de rayas cruzadas para el asentamiento de los segmentos del pistón durante el rodaje del motor. Algunos cilindros del motor están estrangulados en la parte superior, o tienen un diámetro menor para permitir la expansión térmica y el desgaste.
En algunos casos, el cilindro tiene roscas en la superficie exterior de un extremo para poder atornillarlo a la culata. Las aletas de refrigeración están mecanizadas como parte integrante del cañón y tienen límites de reparación y servicio.
Numeración de los cilindros
En ocasiones, es necesario referirse al lado izquierdo o derecho del motor o a un cilindro concreto. Por lo tanto, es necesario conocer las direcciones del motor y cómo se numeran los cilindros de un motor.
El extremo del eje de la hélice del motor es siempre el extremo delantero, y el extremo de los accesorios es el extremo trasero, independientemente de cómo esté montado el motor en un avión. Cuando se hace referencia al lado derecho o al lado izquierdo de un motor, siempre se asume que la vista es desde el extremo trasero o accesorio. Visto desde esta posición, la rotación del cigüeñal se denomina en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario.
Los cilindros de los motores en línea y en V suelen estar numerados desde la parte trasera. En los motores en V, las bancadas de cilindros se denominan bancada derecha y bancada izquierda, vistas desde el extremo accesorio.
La numeración de los cilindros del motor opuesto que se muestra comienza con el trasero derecho como nº 1 y el trasero izquierdo como nº 2. El que está delante del nº 1 es el nº 3; el que está delante del nº 2 es el nº 4, y así sucesivamente.
La numeración de los cilindros de motores opuestos no es en absoluto estándar. Algunos fabricantes numeran sus cilindros desde la parte trasera y otros desde la parte delantera del motor. Consulte siempre el manual del motor correspondiente para determinar el sistema de numeración utilizado por ese fabricante.
Los cilindros de los motores radiales de una fila se numeran en el sentido de las agujas del reloj cuando se ven desde la parte trasera. El cilindro nº 1 es el superior. En los motores de dos filas, se utiliza el mismo sistema.
El cilindro nº 1 es el primero de la fila trasera. El cilindro nº 2 es el primero en el sentido de las agujas del reloj desde el nº 1, pero el nº 2 está en la fila delantera. El cilindro nº 3 es el siguiente al nº 2 en el sentido de las agujas del reloj, pero está en la fila trasera. Por lo tanto, todos los cilindros impares están en la fila trasera, y todos los cilindros pares están en la fila delantera.
Orden de encendido - Firing Order
El orden de encendido de un motor es la secuencia en la que se produce la potencia en los diferentes cilindros. El orden de encendido está diseñado para proporcionar equilibrio y eliminar las vibraciones en la mayor medida posible.
En los motores radiales, el orden de encendido debe seguir un patrón especial, ya que los impulsos de encendido deben seguir el movimiento del cigüeñal durante su rotación. En los motores en línea, los órdenes de encendido pueden variar un poco, pero la mayoría de los órdenes se organizan de manera que el encendido de los cilindros se distribuye uniformemente a lo largo del cigüeñal. Los motores de seis cilindros en línea suelen tener un orden de encendido de 1-5-3-6-2-4.
El orden de encendido de los cilindros en los motores opuestos se puede enumerar normalmente en pares de cilindros, ya que cada par dispara a través del cojinete principal central. El orden de encendido de los motores opuestos de seis cilindros es 1-4-5- 2-3-6. El orden de encendido de un modelo de motor opuesto de cuatro cilindros es 1-4-2-3, pero en otro modelo es 1-3-2-4.
Motores radiales de una fila - Single-Row Radial Engines
En un motor radial de una fila, todos los cilindros impares se disparan en sucesión numérica; luego, los cilindros pares se disparan en sucesión numérica. En un motor radial de cinco cilindros, por ejemplo, el orden de encendido es 1-3-5-2-4, y en un motor radial de siete cilindros es 1-3-5-7-2-4-6. El orden de encendido de un motor radial de nueve cilindros es 1-3-5-7-9-2-4-6-8.
Motores radiales de doble fila - Double-Row Radial Engines
En un motor radial de dos filas, el orden de encendido es algo complicado. El orden de encendido se organiza de forma que el impulso de encendido se produzca en un cilindro de una fila y, a continuación, en un cilindro de la otra fila; por lo tanto, dos cilindros de la misma fila nunca se encienden sucesivamente.
Un método sencillo para calcular el orden de encendido de un motor radial de 14 cilindros y doble fila es empezar con cualquier número del 1 al 14 y sumarle 9 o restarle 5 (son los llamados números de orden de encendido), lo que dé una respuesta entre 1 y 14, ambos inclusive. Por ejemplo, si se empieza por el 8, no se puede añadir el 9, ya que la respuesta sería superior a 14; por lo tanto, se resta el 5 al 8 para obtener el 3, se añade el 9 al 3 para obtener el 12, se resta el 5 al 12 para obtener el 7, se resta el 5 al 7 para obtener el 2, y así sucesivamente.
Los números de orden de encendido de un motor radial de 18 cilindros y doble fila son 11 y 7; es decir, se comienza con cualquier número del 1 al 18 y se le suma 11 o se le resta 7.
Por ejemplo, comenzando con 1, se suma 11 para obtener 12; no se puede sumar 11 a 12 porque el total sería mayor que 18, así que se resta 7 para obtener 5, se suma 11 a 5 para obtener 16, se resta 7 a 16 para obtener 9, se resta 7 a 9 para obtener 2, se suma 11 a 2 para obtener 13, y se continúa este proceso para 18 cilindros.
Válvulas - Valves
La mezcla de combustible y aire entra en los cilindros a través de los orificios de las válvulas de admisión, y los gases quemados son expulsados a través de los orificios de las válvulas de escape.
La cabeza de cada válvula abre y cierra estos orificios de los cilindros. Las válvulas utilizadas en los motores de aviación son del tipo convencional de asiento. Las válvulas también se tipifican por su forma y se denominan hongo o tulipán por su parecido con la forma de estas plantas.
Construcción de las válvulas
Las válvulas de los cilindros de un motor de aviación están sometidas a altas temperaturas, corrosión y tensiones de funcionamiento; por lo tanto, la aleación metálica de las válvulas debe ser capaz de resistir todos estos factores. Dado que las válvulas de admisión funcionan a temperaturas más bajas que las de escape, pueden estar hechas de acero al cromo-níquel. Las válvulas de escape suelen ser de acero al cromo, al cromo-silicio o al cromo-cobalto porque estos materiales son mucho más resistentes al calor.
La cabeza de la válvula tiene una cara rectificada que forma un sello contra el asiento rectificado de la válvula en la cabeza del cilindro cuando la válvula está cerrada. La cara de la válvula suele estar rectificada en un ángulo de 30° o 45°.
En algunos motores, la cara de la válvula de admisión está rectificada con un ángulo de 30°, y la cara de la válvula de escape está rectificada con un ángulo de 45°. Las caras de las válvulas a menudo se hacen más duraderas mediante la aplicación de un material llamado estelita. Aproximadamente 1/16 pulgadas de esta aleación se suelda a la cara de la válvula y se rectifica al ángulo correcto.
La estelita es resistente a la corrosión a alta temperatura y también soporta los golpes y el desgaste asociados al funcionamiento de las válvulas. Algunos fabricantes de motores utilizan un revestimiento de nicromo en las válvulas. Este material cumple la misma función que la estelita.
El vástago de la válvula actúa como piloto de la cabeza de la válvula y se monta en la guía de la válvula instalada en la cabeza del cilindro para este propósito. El vástago de la válvula está endurecido en su superficie para resistir el desgaste. El cuello es la parte que forma la unión entre la cabeza y el vástago.
La punta de la válvula está endurecida para soportar el martilleo del balancín de la válvula al abrirla. Una ranura mecanizada en el vástago cerca de la punta recibe las llaves del vástago de anillo dividido. Estas llaves del vástago forman un anillo de bloqueo para mantener la arandela de retención del muelle de la válvula en su lugar.
Algunos vástagos de válvulas de admisión y escape son huecos y están parcialmente rellenos de sodio metálico. Este material se utiliza porque es un excelente conductor del calor. El sodio se funde a aproximadamente 208 °F y el movimiento recíproco de la válvula hace circular el sodio líquido, lo que le permite transportar el calor desde la cabeza de la válvula hasta el vástago de la válvula, donde se disipa a través de la guía de la válvula hasta la cabeza del cilindro y las aletas de refrigeración.
Así, la temperatura de funcionamiento de la válvula puede reducirse hasta 300° a 400 °F. Bajo ninguna circunstancia se debe cortar una válvula rellena de sodio o someterla a un tratamiento que pueda provocar su rotura. La exposición del sodio de estas válvulas al aire exterior provoca un incendio o una explosión con posibles daños personales.
Las válvulas de admisión más utilizadas tienen vástagos sólidos y la cabeza es plana o en forma de tulipán. Las válvulas de admisión de los motores de baja potencia suelen tener la cabeza plana. En algunos motores, la válvula de admisión puede ser del tipo tulipán y tener un vástago más pequeño que la válvula de escape o puede ser similar a la válvula de escape pero tener un vástago y una cabeza sólidos. Aunque estas válvulas son similares, no son intercambiables ya que las caras de las válvulas están construidas con materiales diferentes. La válvula de admisión suele tener un plano fresado en la punta para identificarla.
Mecanismo de funcionamiento de las válvulas
Para que un motor recíproco funcione correctamente, cada válvula debe abrirse en el momento adecuado, permanecer abierta durante el tiempo necesario y cerrarse en el momento adecuado. Las válvulas de admisión se abren justo antes de que el pistón alcance el punto muerto superior, y las válvulas de escape permanecen abiertas después del punto muerto superior.
Por lo tanto, en un instante determinado, ambas válvulas están abiertas al mismo tiempo (final de la carrera de escape y comienzo de la carrera de admisión). Este solapamiento de las válvulas permite un mayor rendimiento volumétrico y reduce la temperatura de funcionamiento del cilindro. Esta sincronización de las válvulas está controlada por el mecanismo de accionamiento de las válvulas y se denomina sincronización de las válvulas.
La elevación de la válvula (la distancia que la válvula se levanta de su asiento) y la duración de la válvula (el tiempo que la válvula se mantiene abierta) vienen determinadas por la forma de los lóbulos de la leva. La parte del lóbulo que pone en movimiento el mecanismo de funcionamiento de la válvula se denomina rampa o escalón.
La rampa está mecanizada a cada lado del lóbulo de la leva para permitir que el balancín entre en contacto con la punta de la válvula y reducir así la carga de choque que se produciría de otro modo. El mecanismo de funcionamiento de la válvula consiste en un anillo de levas o árbol de levas equipado con lóbulos que trabajan contra un rodillo de leva o un seguidor de leva.
El seguidor de leva empuja una varilla de empuje y una rótula, accionando un balancín, que a su vez abre la válvula. Los resortes, que se deslizan sobre el vástago de las válvulas y se mantienen en su lugar por la arandela de retención del resorte de la válvula y la llave del vástago, cierran cada válvula y empujan el mecanismo de la válvula en la dirección opuesta.
Rodamientos - Bearings
Un cojinete es cualquier superficie que soporta, o es soportada por, otra superficie. Un buen rodamiento debe estar compuesto por un material lo suficientemente fuerte como para soportar la presión que se le impone y debe permitir que la otra superficie se mueva con un mínimo de fricción y desgaste. Las piezas deben mantenerse en su posición dentro de unas tolerancias muy estrechas para proporcionar un funcionamiento eficaz y silencioso, y al mismo tiempo permitir la libertad de movimiento.
Para conseguirlo, y al mismo tiempo reducir la fricción de las piezas móviles para que la pérdida de potencia no sea excesiva, se utilizan rodamientos lubricados de muchos tipos. Los rodamientos deben soportar cargas radiales, cargas de empuje o una combinación de ambas. Un ejemplo de carga radial sería un eje giratorio que se mantiene o contiene en una posición en un plano radial.
La carga de empuje sería que el eje giratorio no se moviera axialmente a lo largo del eje. Las superficies de los cojinetes se mueven entre sí de dos maneras. Una es por el movimiento de deslizamiento de un metal contra el otro (fricción de deslizamiento), y la segunda es que una superficie ruede sobre la otra (fricción de rodadura).
Los tres tipos diferentes de cojinetes que se utilizan generalmente son los lisos, los de rodillos y los de bolas.
Rodamientos lisos - Plain Bearings
Los cojinetes lisos se utilizan generalmente para el cigüeñal, el anillo de levas, el árbol de levas, las bielas y los cojinetes del eje de transmisión de los accesorios. Estos cojinetes suelen estar sometidos únicamente a cargas radiales, aunque algunos han sido diseñados para soportar cargas de empuje. Los cojinetes lisos suelen estar hechos de metales no ferrosos (sin hierro), como la plata, el bronce, el aluminio y diversas aleaciones de cobre, estaño o plomo.
Los cojinetes de biela o de cigüeñal de algunos motores son finos casquillos de acero, chapados con plata tanto en la superficie interior como en la exterior y con plomo-estaño chapado sobre la plata sólo en la superficie interior.
Los cojinetes más pequeños, como los que se utilizan para soportar varios ejes en la sección de accesorios, se denominan casquillos. Los casquillos porosos de Oilite se utilizan mucho en este caso. Están impregnados de aceite para que el calor de la fricción lleve el aceite a la superficie del cojinete durante el funcionamiento del motor.
Rodamientos de bolas - Ball Bearings
Un conjunto de cojinetes de bolas consta de pistas interiores y exteriores ranuradas, uno o más juegos de bolas, en cojinetes diseñados para el desmontaje, y un retén de cojinete. Se utilizan para los cojinetes del eje y los cojinetes del balancín en algunos motores recíprocos.
Los rodamientos especiales de bolas de ranura profunda se utilizan para transmitir el empuje de la hélice y las cargas radiales a la sección de la nariz del motor de los motores radiales. Dado que este tipo de rodamiento puede aceptar tanto cargas radiales como de empuje, se utiliza en los motores de turbina de gas para soportar un extremo de un eje (cargas radiales) y para evitar que el eje se mueva axialmente (cargas de empuje).
Rodamientos de rodillos - Roller Bearings
Los rodamientos de rodillos se fabrican de muchos tipos y formas, pero los dos tipos que se utilizan generalmente en los motores de aviación son los rodamientos de rodillos rectos y los rodamientos de rodillos cónicos. Los rodamientos de rodillos rectos se utilizan cuando el rodamiento está sometido únicamente a cargas radiales.
En los rodamientos de rodillos cónicos, las superficies de apoyo del anillo interior y exterior tienen forma de cono. Estos cojinetes soportan tanto las cargas radiales como las de empuje. Los rodamientos de rodillos rectos se utilizan en motores recíprocos de aviones de gran potencia para los cojinetes principales del cigüeñal.
También se utilizan en aplicaciones de turbinas de gas, donde las cargas radiales son elevadas. Por lo general, un eje giratorio en un motor de turbina de gas se apoya en un rodamiento de bolas de ranura profunda (cargas radiales y de empuje) en un extremo y en un rodamiento de rodillos rectos (sólo cargas radiales) en el otro.
Engranaje reductor de la hélice - Propeller Reduction Gearing
El aumento de la potencia de frenado que ofrece un motor de gran potencia se debe en parte al aumento de las revoluciones del cigüeñal. Por lo tanto, es necesario proporcionar engranajes de reducción para limitar la velocidad de rotación de la hélice a un valor en el que se obtenga un funcionamiento eficiente.
Cuando la velocidad de las puntas de las palas se aproxima a la velocidad del sonido, el rendimiento de la hélice disminuye rápidamente. Los engranajes de reducción de los motores permiten que el motor funcione a un mayor número de revoluciones, desarrollando más potencia y reduciendo las revoluciones de la hélice.
Esto evita que la eficiencia de la hélice disminuya. Dado que los engranajes reductores deben soportar tensiones extremadamente elevadas, los engranajes se mecanizan a partir de piezas forjadas de acero. Existen muchos tipos de sistemas de engranajes reductores. Los tres tipos más utilizados son el planetario de dientes rectos, el planetario cónico y el de dientes rectos y piñones.
El engranaje reductor planetario de engranajes rectos consta de un gran engranaje motriz o engranaje solar estriado (y a veces encogido) al cigüeñal, un gran engranaje estacionario, llamado engranaje de campana, y un conjunto de pequeños engranajes planetarios de engranajes rectos montados en un anillo portador. El anillo se sujeta al eje de la hélice y los engranajes planetarios engranan con el engranaje solar y la campana estacionaria o el engranaje de anillo.
El engranaje estacionario se atornilla o se estría a la carcasa de la sección delantera. Cuando el motor está en funcionamiento, el engranaje solar gira. Como los engranajes planetarios están engranados con este anillo, también deben girar.
Como también se engranan con el engranaje estacionario, caminan o ruedan alrededor de él mientras giran, y el anillo en el que están montados hace girar el eje de la hélice en la misma dirección que el cigüeñal pero a una velocidad reducida.
En algunos motores, la rueda de campana está montada en el eje de la hélice, y la jaula del piñón planetario se mantiene fija. El engranaje planetario está acoplado al cigüeñal y actúa como engranaje motriz. En esta disposición, la hélice se desplaza a una velocidad reducida pero en sentido contrario al cigüeñal.
En el sistema de engranaje reductor planetario cónico, el engranaje motriz está mecanizado con dientes externos cónicos y está unido al cigüeñal. Un conjunto de engranajes de piñón cónico acoplados está montado en una jaula fijada al extremo del eje de la hélice.
Los engranajes de piñón son accionados por el engranaje motriz y caminan alrededor del engranaje estacionario, que está atornillado o estriado a la carcasa de la sección delantera. El empuje de los engranajes de piñón cónico es absorbido por un rodamiento de bolas de empuje de diseño especial.
El accionamiento y los engranajes fijos se apoyan generalmente en rodamientos de bolas de alta resistencia. Este tipo de conjunto reductor planetario es más compacto que el otro descrito y, por lo tanto, puede utilizarse cuando se desea un escalón de engranaje de hélice más pequeño.
En el caso de los motores turbopropulsores de gas, se utiliza más de una etapa de reducción debido a las altas velocidades de salida del motor. Varios tipos de motores de menor potencia pueden utilizar la disposición de engranajes reductores de piñón y recto.
Ejes de hélice - Propeller Shafts
Los ejes de las hélices pueden ser de tres tipos principales: cónicos, estriados o con bridas. Los ejes cónicos se identifican con números cónicos. Los ejes estriados y embridados se identifican con números SAE. El eje de la hélice de la mayoría de los motores de baja potencia está forjado como parte del cigüeñal.
Es cónico y tiene una ranura fresada para que el centro de la hélice pueda ser enchavetado en el eje. El chavetero y el índice de chaveta de la hélice están en relación con el punto muerto superior del cilindro nº 1. El extremo del eje está roscado para recibir la tuerca de retención de la hélice. Los ejes de hélice cónicos son comunes en los motores más antiguos y pequeños.
El eje de la hélice de los motores radiales de alta potencia suele ser estriado. Está roscado en un extremo para una tuerca de centro de la hélice. El cojinete de empuje, que absorbe el empuje de la hélice, está situado alrededor del eje y transmite el empuje a la carcasa de la sección de nariz.
El eje está roscado para fijar la tuerca de retención del cojinete de empuje. En la parte que sobresale de la carcasa (entre los dos conjuntos de roscas), hay estrías para recibir el centro de la hélice estriado. El eje se mecaniza generalmente a partir de una aleación de acero forjado en toda su longitud.
El eje de la hélice puede estar conectado mediante un engranaje reductor al cigüeñal del motor, pero en los motores más pequeños el eje de la hélice es simplemente una extensión del cigüeñal del motor. Para girar el eje de la hélice, el cigüeñal del motor debe girar.
En la mayoría de los motores recíprocos y turbohélices modernos se utilizan ejes de hélice embridados. Un extremo del eje está embridado con agujeros perforados para aceptar los pernos de montaje de la hélice. La instalación puede ser un eje corto con roscado interno para aceptar la válvula distribuidora que se utilizará con una hélice controlable. El eje de la hélice con brida es una instalación muy común en la mayoría de los aviones con hélice.
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