Árbol de levas

El árbol de levas es un objeto giratorio, generalmente hecho de metal, que contiene levas puntiagudas que convierten el movimiento de rotación en movimiento recíproco. Los árboles de levas se utilizan en motores de combustión interna (para operar las válvulas de admisión y escape), sistemas de encendido controlados mecánicamente y los primeros controladores de velocidad de motores eléctricos. Los árboles de levas en los automóviles están hechos de acero o hierro fundido y son un factor clave para determinar el rango de RPM de la banda de potencia de un motor.

Historia

Los martillos perforadores son uno de los primeros usos de una forma de leva para convertir el movimiento giratorio, por ejemplo, de una rueda hidráulica, en el movimiento alternativo de un martillo utilizado en la forja o para machacar grano. La evidencia de estos existe desde la dinastía Han en China, y estaban muy extendidos en el período medieval.

El árbol de levas fue descrito en 1206 por el ingeniero Al-Jazari. Lo empleó como parte de sus autómatas, máquinas elevadoras de agua y relojes de agua como el reloj del castillo.

Una vez que se desarrolló la versión rotativa de la máquina de vapor a fines del siglo XVIII, el funcionamiento del engranaje de la válvula generalmente lo realizaba una excéntrica, que convertía la rotación del cigüeñal en un movimiento alternativo del engranaje de la válvula, normalmente una válvula deslizante. Los árboles de levas más parecidos a los que se vieron más tarde en los motores de combustión interna se usaron en algunas máquinas de vapor, más comúnmente donde el vapor a alta presión (como el generado por una caldera de vapor flash) requería el uso de válvulas de asiento o válvulas de pistón. Para ver ejemplos, consulte la máquina de vapor Uniflow y los automóviles de vapor Gardner-Serpollet, que también incluían el deslizamiento axial del árbol de levas para lograr una sincronización variable de las válvulas.

Entre los primeros automóviles en utilizar motores con un solo árbol de levas en cabeza se encuentran el Maudslay diseñado por Alexander Craig e introducido en 1902 y el Marr Auto Car diseñado por el nativo de Michigan Walter Lorenzo Marr en 1903.

Motores de pistones

En los motores de pistón, el árbol de levas se usa para operar las válvulas de admisión y escape. El árbol de levas consta de una varilla cilíndrica que corre a lo largo del banco de cilindros con varias levas (discos con lóbulos de leva sobresalientes) a lo largo de su longitud, una para cada válvula. Un lóbulo de leva fuerza la apertura de una válvula presionando sobre la válvula, o sobre algún mecanismo intermedio, a medida que gira. Mientras tanto, un resorte ejerce una tensión tirando de la válvula hacia su posición cerrada. Cuando el lóbulo alcanza su mayor desplazamiento en la varilla de empuje, la válvula está completamente abierta. La válvula se cierra cuando el resorte la jala hacia atrás y la leva está en su círculo base.

Construcción

Los árboles de levas están hechos de metal y suelen ser macizos, aunque a veces se utilizan árboles de levas huecos. Los materiales utilizados para un árbol de levas suelen ser:

• Hierro fundido: comúnmente utilizados en la producción de alto volumen, los árboles de levas de hierro enfriado tienen buena resistencia al desgaste ya que el proceso de enfriamiento los endurece. Se añaden otros elementos al hierro antes de la colada para que el material sea más adecuado para su aplicación.
• Acero en palanquilla: cuando se requiere un árbol de levas de alta calidad o una producción de bajo volumen, los constructores de motores y los fabricantes de árboles de levas eligen la palanquilla de acero. Este es un proceso que requiere mucho más tiempo y, por lo general, es más costoso que otros métodos. El método de construcción suele ser forjado, mecanizado (utilizando un torno de metal o una fresadora), fundición o hidroformado. Se pueden utilizar diferentes tipos de barras de acero, siendo un ejemplo EN40b. Al fabricar un árbol de levas de EN40b, el árbol de levas también se tratará térmicamente mediante nitruración de gas, lo que cambia la microestructura del material. Da una dureza superficial de 55-60 HRC, adecuada para su uso en motores de alto rendimiento.

Diseños de tren de válvulas

La mayoría de los primeros motores de combustión interna usaban un diseño de leva en bloque (como válvulas en cabeza), donde el árbol de levas está ubicado dentro del bloque del motor cerca de la parte inferior del motor. Los primeros motores de cabeza plana ubican las válvulas en el bloque y la leva actúa directamente sobre esas válvulas. En un motor de válvulas en cabeza, que apareció más tarde, el seguidor de leva (levantador) transfiere su movimiento a las válvulas en la parte superior del motor a través de una varilla de empuje y una palanca de balancín. A medida que las velocidades del motor aumentaron durante el siglo XX, los motores de árbol de levas en cabeza simple (SOHC), donde el árbol de levas está ubicado dentro de la culata cerca de la parte superior del motor, se volvieron cada vez más comunes, seguidos por los motores de árbol de levas en cabeza doble (DOHC) en años más recientes..

El diseño del tren de válvulas se define de acuerdo con el número de árboles de levas por bancada de cilindros. Por lo tanto, un motor V6 con un total de cuatro árboles de levas (dos por banco de cilindros) generalmente se denomina motor de doble árbol de levas en cabeza, aunque coloquialmente a veces se los denomina motores "quad-cam".

En un motor de válvulas en cabeza, el árbol de levas presiona una varilla de empuje que transfiere el movimiento a la parte superior del motor, donde un balancín abre la válvula de admisión/escape. Para los motores OHC y DOHC, el árbol de levas opera la válvula directamente o mediante un balancín corto.

Sistemas de accionamiento

El control preciso de la posición y la velocidad del árbol de levas es de vital importancia para permitir que el motor funcione correctamente. El árbol de levas es impulsado, universalmente, exactamente a la mitad de la velocidad del cigüeñal, ya sea directamente, generalmente a través de una correa de distribución de goma dentada o una cadena de rodillos de acero (llamada cadena de distribución). En ocasiones, también se han utilizado engranajes para impulsar el árbol de levas. En algunos diseños, el árbol de levas también acciona el distribuidor, la bomba de aceite, la bomba de combustible y, ocasionalmente, la bomba de dirección asistida. En aplicaciones de servicio severo, como tractores agrícolas, motores industriales, motores de aeronaves accionados por pistón, camiones pesados ​​y motores de carrera, los árboles de levas accionados por engranajes son comunes, dada su simplicidad mecánica y su larga vida útil.

Una alternativa utilizada en los primeros días de los motores OHC era impulsar los árboles de levas a través de un eje vertical con engranajes cónicos en cada extremo. Este sistema se utilizó, por ejemplo, en los automóviles Peugeot y Mercedes Grand Prix anteriores a la Primera Guerra Mundial o en algunas motocicletas. Todavía se usa hoy en día en el Kawasaki W800. Otra opción era utilizar una triple excéntrica con bielas; estos se usaron en ciertos motores diseñados por WO Bentley y también en el Leyland Eight.

En un motor de dos tiempos que usa un árbol de levas, cada válvula se abre una vez por cada rotación del cigüeñal; en estos motores, el árbol de levas gira a la misma velocidad que el cigüeñal. En un motor de cuatro tiempos, las válvulas se abren con la mitad de frecuencia; por tanto, se producen dos rotaciones completas del cigüeñal por cada rotación del árbol de levas.

Características de presentación

Duración

La duración del árbol de levas determina cuánto tiempo está abierta la válvula de admisión/escape, por lo que es un factor clave en la cantidad de potencia que produce un motor. Una duración más larga puede aumentar la potencia a altas velocidades del motor (RPM), sin embargo, esto puede tener como contrapartida la producción de menos torque a bajas RPM.

La medición de la duración de un árbol de levas se ve afectada por la cantidad de elevación que se elige como punto de inicio y finalización de la medición. Un valor de elevación de 0,050 in (1,3 mm) se usa a menudo como procedimiento de medición estándar, ya que se considera más representativo del rango de elevación que define el rango de RPM en el que el motor produce la potencia máxima. Las características de potencia y ralentí de un árbol de levas con la misma clasificación de duración que se ha determinado usando diferentes puntos de elevación (por ejemplo, 0,006 o 0,002 pulgadas) podrían ser muy diferentes a las de un árbol de levas con una duración clasificada usando puntos de elevación de 0,05 pulgadas.

Un efecto secundario de mayor duración puede ser una mayor superposición, que determina el tiempo que las válvulas de admisión y escape están abiertas. Es la superposición lo que más afecta la calidad del ralentí, ya que el "soplado" de la carga de admisión regresa inmediatamente a través de la válvula de escape que ocurre durante la superposición reduce la eficiencia del motor y es mayor durante el funcionamiento a bajas RPM. En general, aumentar la duración de un árbol de levas normalmente aumenta la superposición, a menos que se aumente el ángulo de separación del lóbulo para compensar.

Un profano puede detectar fácilmente un árbol de levas de larga duración al observar la amplia superficie donde la leva empuja la válvula para abrirla durante una gran cantidad de grados de rotación del cigüeñal. Esto será visiblemente mayor que la protuberancia del árbol de levas más puntiaguda que se observa en los árboles de levas de menor duración.

Levantar

La elevación del árbol de levas determina la distancia entre la válvula y el asiento de la válvula (es decir, qué tan abierta está la válvula). Cuanto más se eleva la válvula de su asiento, más flujo de aire se puede proporcionar, aumentando así la potencia producida. Una mayor elevación de válvulas puede tener el mismo efecto de aumentar la potencia máxima que una mayor duración, sin las desventajas causadas por una mayor superposición de válvulas. La mayoría de los motores de válvulas en cabeza tienen una relación de balancín mayor que uno, por lo tanto, la distancia que se abre la válvula (la elevación de la válvula) es mayor que la distancia desde el pico del lóbulo del árbol de levas hasta el círculo base (la elevación del árbol de levas).

Hay varios factores que limitan la cantidad máxima de sustentación posible para un motor determinado. En primer lugar, aumentar la elevación acerca las válvulas al pistón, por lo que una elevación excesiva podría causar que el pistón golpee las válvulas y las dañe. En segundo lugar, una mayor elevación significa que se requiere un perfil de árbol de levas más inclinado, lo que aumenta las fuerzas necesarias para abrir la válvula. Un problema relacionado es el flotador de la válvula a RPM altas, donde la tensión del resorte no proporciona la fuerza suficiente para mantener la válvula siguiendo a la leva en su vértice o evitar que la válvula rebote cuando regresa al asiento de la válvula. Esto podría ser el resultado de un aumento muy pronunciado del lóbulo,donde el seguidor de leva se separa del lóbulo de la leva (debido a que la inercia del tren de válvulas es mayor que la fuerza de cierre del resorte de la válvula), dejando la válvula abierta por más tiempo del previsto. El flotador de la válvula provoca una pérdida de potencia a altas RPM y, en situaciones extremas, puede provocar que la válvula se doble si el pistón la golpea.

Momento

La sincronización (ángulo de fase) del árbol de levas en relación con el cigüeñal se puede ajustar para cambiar la banda de potencia de un motor a un rango de RPM diferente. Avanzar el árbol de levas (cambiarlo adelante de la sincronización del cigüeñal) aumenta el par de RPM bajo, mientras que retrasar el árbol de levas (cambiarlo después del cigüeñal) aumenta la potencia de RPM altas. Los cambios requeridos son relativamente pequeños, a menudo del orden de 5 grados.

Los motores modernos que tienen sincronización variable de válvulas a menudo pueden ajustar la sincronización del árbol de levas para adaptarse a las RPM del motor en un momento dado. Esto evita el compromiso anterior requerido al elegir una sincronización de leva fija para usar tanto en RPM altas como bajas.

Ángulo de separación del lóbulo

El ángulo de separación del lóbulo (LSA, también llamado ángulo de la línea central del lóbulo) es el ángulo entre la línea central de los lóbulos de admisión y la línea central de los lóbulos de escape. Un LSA más alto reduce la superposición, lo que mejora la calidad del ralentí y el vacío de admisión; sin embargo, el uso de un LSA más amplio para compensar la duración excesiva puede reducir las salidas de potencia y par. En general, el LSA óptimo para un motor determinado está relacionado con la relación entre el volumen del cilindro y el área de la válvula de admisión.

Mantenimiento y desgaste

Muchos motores más antiguos requerían el ajuste manual de los balancines o varillas de empuje para mantener el juego de válvulas correcto a medida que se desgasta el tren de válvulas (en particular, las válvulas y los asientos de las válvulas). Sin embargo, la mayoría de los motores de automóviles modernos tienen elevadores hidráulicos que compensan automáticamente el desgaste, eliminando la necesidad de ajustar el juego de válvulas a intervalos regulares.

La fricción por deslizamiento entre la superficie de la leva y el seguidor de leva que se desplaza sobre ella puede ser considerable. Para reducir el desgaste en este punto, la leva y el seguidor tienen una superficie endurecida y los aceites de motor modernos contienen aditivos para reducir la fricción por deslizamiento. Los lóbulos del árbol de levas suelen ser ligeramente cónicos y las caras de los levantaválvulas ligeramente abovedadas, lo que hace que los levantadores giren para distribuir el desgaste en las piezas. Las superficies de la leva y el seguidor están diseñadas para "desgastarse" juntas y, por lo tanto, cada seguidor debe permanecer con su lóbulo de leva original y nunca moverse a un lóbulo diferente. Algunos motores (particularmente aquellos con lóbulos de árbol de levas empinados) usan taqués de rodillos para reducir la fricción de deslizamiento en el árbol de levas. Si se aumenta la elevación de un árbol de levas o las revoluciones operativas por minuto de un motor,

Los cojinetes de los árboles de levas, similares a los del cigüeñal, son cojinetes lisos alimentados a presión con aceite. Sin embargo, los cojinetes del árbol de levas en cabeza no siempre tienen casquillos reemplazables, en cuyo caso se debe reemplazar toda la culata si los cojinetes están defectuosos.

Alternativas

Además de la fricción mecánica, se requiere una fuerza considerable para abrir las válvulas contra la resistencia proporcionada por los resortes de las válvulas. Esto puede ascender a un 25% estimado de la producción total de un motor en ralentí.

Los siguientes sistemas alternativos se han utilizado en motores de combustión interna:

• Válvulas desmodrómicas, donde las válvulas se cierran positivamente mediante un sistema de palanca y leva en lugar de resortes. Este sistema se ha utilizado en varias motocicletas de carretera y carreras Ducati desde que se introdujo en la bicicleta de carreras Ducati 125 Desmo de 1956.
• Motor de pistón sin leva, que utiliza actuadores electromagnéticos, hidráulicos o neumáticos. Utilizado por primera vez en motores Renault Fórmula 1 turboalimentados a mediados de la década de 1980 y programado para uso en automóviles de carretera en el Koenigsegg Gemera.
• Motor Wankel, un motor rotativo que no utiliza pistones ni válvulas. Usado más notablemente por Mazda desde el Mazda Cosmo de 1967 hasta que el Mazda RX-8 fue descontinuado en 2012.

Sistemas de encendido del motor

En los sistemas de encendido sincronizados mecánicamente, una leva separada en el distribuidor está orientada al motor y opera un conjunto de puntos de ruptura que disparan una chispa en el momento correcto del ciclo de combustión.

Controladores de velocidad de motores eléctricos

Antes de la llegada de la electrónica de estado sólido, los controladores del árbol de levas se usaban para controlar la velocidad de los motores eléctricos. Se utilizó un árbol de levas, accionado por un motor eléctrico o un motor neumático, para operar los contactores en secuencia. Por este medio, las resistencias o los cambiadores de tomas se conectaban o desconectaban del circuito para variar la velocidad del motor principal. Este sistema se utilizó principalmente en unidades múltiples eléctricas y locomotoras eléctricas.