Cigüeñal

Un cigüeñal o cigoñal es un componente mecánico utilizado en un motor de pistón para convertir el movimiento alternativo en movimiento de rotación. El cigüeñal es un eje giratorio que contiene uno o más muñequillas, que son accionados por los pistones a través de las bielas.

Las muñequillas también se denominan cojinetes de biela y giran dentro del "extremo grande" de las bielas.

La mayoría de los cigüeñales modernos están ubicados en el bloque del motor. Están hechos de acero o hierro fundido, mediante un proceso de forja, fundición o mecanizado.

Diseño

El cigüeñal ubicado dentro del bloque del motor, sostenido en su lugar mediante cojinetes principales que permiten que el cigüeñal gire dentro del bloque. El movimiento ascendente y descendente de cada pistón se transfiere al cigüeñal a través de bielas. A menudo se adjunta un volante a un extremo del cigüeñal para suavizar la entrega de potencia y reducir la vibración.

Un cigüeñal está sujeto a enormes tensiones, en algunos casos más de 8,6 toneladas (19.000 libras) por cilindro. Los cigüeñales para motores de un solo cilindro suelen tener un diseño más simple que los motores con varios cilindros.

Aspectos

El cigüeñal puede girar en el bloque del motor gracias a los 'cojinetes principales'. Dado que el cigüeñal está sujeto a grandes fuerzas horizontales y de torsión de cada cilindro, estos cojinetes principales están ubicados en varios puntos a lo largo del cigüeñal, en lugar de solo uno en cada extremo. El número de cojinetes principales se determina en función del factor de carga total y la velocidad máxima del motor. Los cigüeñales de los motores diésel suelen utilizar un cojinete principal entre cada cilindro y en ambos extremos del cigüeñal, debido a las elevadas fuerzas de combustión presentes.

La flexión del cigüeñal fue un factor en los motores V8 que reemplazaron a los motores de ocho cilindros en línea en la década de 1950; los cigüeñales largos de este último sufrieron una cantidad inaceptable de flexión cuando los diseñadores de motores comenzaron a usar relaciones de compresión más altas y velocidades de motor más altas (RPM).

Golpe del pistón

La distancia entre el eje de las muñequillas y el eje del cigüeñal determina la longitud de carrera del motor.

La mayoría de los motores de automóviles modernos se clasifican como "sobre cuadrados" o de carrera corta, en los que la carrera es menor que el diámetro del cilindro. Una forma común de aumentar el par motor a bajas revoluciones por minuto de un motor es aumentar la carrera, lo que a veces se conoce como "carrera" del motor. Históricamente, la contrapartida de un motor de carrera larga era un límite de revoluciones más bajo y una mayor vibración a altas RPM, debido a la mayor velocidad del pistón.

Configuraciones de plano cruzado y plano

Al diseñar un motor, la configuración del cigüeñal está estrechamente relacionada con el orden de encendido del motor.

La mayoría de los motores V8 de producción (como el motor Ford Modular y el motor LS de General Motors) utilizan un cigüeñal de plano transversal en el que los tiros del cigüeñal están separados 90°. Sin embargo, algunos motores V8 de alto rendimiento (como el Ferrari 488) usan un cigüeñal plano, en el que los tiros están separados 180°, lo que esencialmente da como resultado dos motores de cuatro cilindros en línea que comparten un cárter común. Los motores planos generalmente pueden operar a RPM más altas, sin embargo, tienen vibraciones de segundo orden más altas, por lo que se adaptan mejor a los motores de autos de carreras.

Equilibrio del motor

Para algunos motores es necesario prever contrapesos para la masa recíproca del pistón, bielas y cigüeñal, con el fin de mejorar el equilibrio del motor. Estos contrapesos normalmente se funden como parte del cigüeñal pero, en ocasiones, son piezas atornilladas.

Brazos voladores

En algunos motores, el cigüeñal contiene enlaces directos entre muñones de cigüeñal adyacentes, sin el cojinete principal intermedio habitual. Estos enlaces se llaman brazos voladores. Esta disposición se usa a veces en motores V6 y V8, para mantener un intervalo de encendido uniforme mientras se usan diferentes ángulos en V y para reducir la cantidad de cojinetes principales necesarios. La desventaja de los brazos voladores es que se reduce la rigidez del cigüeñal, lo que puede causar problemas a altas RPM o salidas de alta potencia.

Cigüeñales contrarrotantes

En la mayoría de los motores, cada biela está unida a un solo cigüeñal, lo que da como resultado que el ángulo de la biela varíe a medida que el pistón se mueve a lo largo de su carrera. Esta variación de ángulo empuja los pistones contra la pared del cilindro, lo que provoca fricción entre el pistón y la pared del cilindro. Para evitar esto, algunos de los primeros motores, como los motores gemelos planos de Lanchester Engine Company de 1900-1904, conectaban cada pistón a dos cigüeñales que giraban en direcciones opuestas. Esta disposición anula las fuerzas laterales y reduce la necesidad de contrapesos. Este diseño rara vez se usa, sin embargo, se aplica un principio similar a los ejes de equilibrio, que se usan ocasionalmente.

Construcción

Cigüeñales forjados

Los cigüeñales se pueden crear a partir de una barra de acero mediante forjado por laminación. Hoy en día, cada vez más fabricantes tienden a favorecer el uso de cigüeñales forjados debido a su peso más ligero, dimensiones más compactas y mejor amortiguación inherente. Con cigüeñales forjados, se utilizan principalmente aceros microaleados con vanadio, ya que estos aceros pueden enfriarse con aire después de alcanzar altas resistencias sin tratamiento térmico adicional, con excepción del endurecimiento superficial de las superficies de los cojinetes. El bajo contenido de aleación también hace que el material sea más económico que los aceros de alta aleación. También se utilizan aceros al carbono, pero estos requieren un tratamiento térmico adicional para alcanzar las propiedades deseadas.

Cigüeñales fundidos

Otro método de construcción es moldear el cigüeñal de forma dúctil. Los cigüeñales de hierro fundido se encuentran hoy en día principalmente en motores de producción más baratos donde las cargas son más bajas.

Cigüeñales mecanizados

Los cigüeñales también se pueden mecanizar a partir de palanquilla, a menudo una barra de acero refundido al vacío de alta calidad. Aunque el flujo de fibras (inhomogeneidades locales de la composición química del material generadas durante la fundición) no sigue la forma del cigüeñal (lo cual no es deseable), esto no suele ser un problema ya que los aceros de mayor calidad, que normalmente son difíciles de forjar, pueden ser usó. Por unidad, estos cigüeñales tienden a ser muy costosos debido a la gran cantidad de material que debe eliminarse con tornos y fresadoras, el alto costo del material y el tratamiento térmico adicional requerido. Sin embargo, dado que no se necesitan herramientas costosas, este método de producción permite pequeñas series de producción sin altos costos iniciales.

Historia

Porcelana

Las primeras manivelas manuales aparecieron en China durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). Se utilizaron para enrollar seda, hilar cáñamo, para el aventador agrícola, en el tamiz de harina accionado por agua, para fuelles metalúrgicos accionados hidráulicamente y en el molinete de pozo. El ventilador de aventado rotativo aumentó en gran medida la eficiencia de separar el grano de las cáscaras y los tallos. Sin embargo, el potencial de la manivela de convertir el movimiento circular en movimiento recíproco nunca parece haberse realizado por completo en China, y la manivela estuvo típicamente ausente de tales máquinas hasta principios del siglo XX.

Europa

Una manivela en forma de mango montado excéntricamente del molino de mano giratorio apareció en la España celtibérica del siglo V a. C. y finalmente se extendió por todo el Imperio Romano. Una manivela romana de hierro que data del siglo II d. C. fue excavada en Augusta Raurica, Suiza. El molino romano accionado por manivela data de finales del siglo II.

La evidencia de la manivela combinada con una biela aparece en el molino de Hierápolis, que data del siglo III; también se encuentran en aserraderos de piedra en la Siria romana y Éfeso que datan del siglo VI. El frontón del molino de Hierápolis muestra una rueda hidráulica alimentada por una carrera de molino que acciona mediante un tren de engranajes dos sierras de bastidor que cortan bloques a modo de una especie de bielas y manivelas. Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos documentados arqueológicamente funcionaban sin tren de engranajes. Las sierras de mármol impulsadas por agua en Alemania fueron mencionadas por el poeta Ausonio de finales del siglo IV; casi al mismo tiempo, estos tipos de molinos también parecen estar indicados por Gregorio de Nyssa de Anatolia.

En el manuscrito carolingio Utrecht Psalter se muestra una piedra de afilar rotatoria accionada por una manivela; el dibujo a pluma de alrededor de 830 se remonta a un original antiguo tardío. Las manivelas utilizadas para hacer girar las ruedas también se representan o describen en varias obras que datan de los siglos X al XIII.

Las primeras representaciones de la manivela compuesta en la abrazadera del carpintero aparecen entre 1420 y 1430 en obras de arte del norte de Europa. La rápida adopción de la manivela compuesta se puede rastrear en los trabajos de un ingeniero alemán desconocido que escribió sobre el estado de la tecnología militar durante las guerras husitas: primero, reapareció la biela, aplicada a las manivelas; segundo, las manivelas de doble compuesto también comenzaron a equiparse con bielas; y tercero, se empleó el volante de inercia para estas manivelas para pasarlas por el 'punto muerto'. El concepto fue muy mejorado por el ingeniero y escritor italiano Roberto Valturio en 1463, quien ideó un barco con cinco conjuntos, donde las manivelas paralelas están todas unidas a una sola fuente de energía por una biela, una idea también retomada por su compatriota. Pintor italiano Francesco di Giorgio.

La manivela se había vuelto común en Europa a principios del siglo XV, como se ve en las obras del ingeniero militar Konrad Kyeser (1366-después de 1405). Los dispositivos representados en los Bellifortis de Kyeser incluyen molinetes acodados para atravesar ballestas de asedio, cadenas acodadas de cubos para levantar agua y manivelas instaladas en una rueda de campanas. Kyeser también equipó los tornillos de Arquímedes para subir el agua con una manivela, una innovación que posteriormente reemplazó la antigua práctica de trabajar la tubería pisando.

Pisanello pintó una bomba de pistón impulsada por una rueda hidráulica y operada por dos manivelas simples y dos bielas.

El siglo XV también vio la introducción de dispositivos de piñón y cremallera acodados, llamados cranequines, que se ajustaban a la culata de la ballesta como un medio para ejercer aún más fuerza mientras se extendía el arma del misil. En la industria textil, se introdujeron carretes acodados para enrollar madejas de hilo.

El médico italiano Guido da Vigevano (c. 1280-1349), al planear una nueva cruzada, hizo ilustraciones para un bote de remos y carruajes de guerra que eran propulsados ​​por manivelas compuestas y ruedas dentadas manualmente, identificadas como uno de los primeros prototipos de cigüeñal por Lynn Townsend Blanco. El Salterio de Luttrell, que data de alrededor de 1340, describe una piedra de moler que giraba mediante dos manivelas, una en cada extremo de su eje; el molino manual de engranajes, operado con una o dos manivelas, apareció más tarde en el siglo XV.

Alrededor de 1480, la muela giratoria de principios de la Edad Media se mejoró con un mecanismo de pedal y manivela. Las manivelas montadas en carritos de mano aparecen por primera vez en un grabado alemán de 1589. Los cigüeñales también fueron descritos por Leonardo da Vinci (1452-1519) y un agricultor holandés y propietario de un molino de viento llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest en 1592. Su aserradero impulsado por viento usó un cigüeñal para convertir el movimiento circular de un molino de viento en un movimiento hacia adelante y hacia atrás que impulsa la sierra. Corneliszoon obtuvo una patente para su cigüeñal en 1597.

Desde el siglo XVI en adelante, la evidencia de manivelas y bielas integradas en el diseño de la máquina se vuelve abundante en los tratados tecnológicos de la época: The Diverse and Artifactitious Machines de Agostino Ramelli de 1588 presenta dieciocho ejemplos, un número que se eleva en el Theatrum Machinarum Novum de Georg Andreas Böckler a 45 máquinas diferentes.Las manivelas eran comunes en algunas máquinas a principios del siglo XX; por ejemplo, casi todos los fonógrafos anteriores a la década de 1930 funcionaban con motores de relojería con manivelas. Los motores de pistones alternativos utilizan manivelas para convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento de rotación. Los motores de combustión interna de los automóviles de principios del siglo XX generalmente se arrancaban con manivelas, antes de que los arrancadores eléctricos se generalizaran.

Asia occidental

La manivela no manual aparece en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su Libro de dispositivos ingeniosos del siglo IX. Estas manivelas operadas automáticamente aparecen en varios dispositivos, dos de los cuales contienen una acción que se aproxima a la de un cigüeñal, anticipando la invención de Ismail al-Jazari por varios siglos y su primera aparición en Europa por más de cinco siglos. Sin embargo, la manivela automática descrita por Banū Mūsā no habría permitido una rotación completa, pero solo se requirió una pequeña modificación para convertirla en un cigüeñal.

El ingeniero árabe Ismail al-Jazari (1136-1206), en el Sultanato Artuqid, describió un sistema de manivela y biela en una máquina giratoria en dos de sus máquinas elevadoras de agua. La autora Sally Ganchy identificó un cigüeñal en su mecanismo de bomba de dos cilindros, incluidos los mecanismos de cigüeñal y eje.