Pistón

Un pistón es un componente de motores alternativos, bombas alternativas, compresores de gas, cilindros hidráulicos y cilindros neumáticos, entre otros mecanismos similares. Es el componente móvil que está contenido en un cilindro y está hermético al gas mediante anillos de pistón. En un motor, su propósito es transferir la fuerza del gas en expansión en el cilindro al cigüeñal a través de un vástago de pistón y/o biela. En una bomba, la función se invierte y la fuerza se transfiere del cigüeñal al pistón con el fin de comprimir o expulsar el fluido del cilindro. En algunos motores, el pistón también actúa como una válvula cubriendo y descubriendo puertos en el cilindro.

Motores de pistones

Motores de combustión interna

Un motor de combustión interna recibe la acción de la presión de los gases de combustión en expansión en el espacio de la cámara de combustión en la parte superior del cilindro. Esta fuerza luego actúa hacia abajo a través de la biela y sobre el cigüeñal. La biela está unida al pistón mediante un pasador de pistón giratorio (EE. UU.: pasador de muñeca). Este pasador está montado dentro del pistón: a diferencia de la máquina de vapor, no hay varilla de pistón ni cruceta (excepto en los grandes motores de dos tiempos).

El diseño típico del pistón está en la imagen. Este tipo de pistón es muy utilizado en motores diésel de automóviles. Según el propósito, el nivel de sobrealimentación y las condiciones de trabajo de los motores, se pueden cambiar la forma y las proporciones.

Los motores diesel de alta potencia trabajan en condiciones difíciles. La presión máxima en la cámara de combustión puede alcanzar los 20 MPa y la temperatura máxima de algunas superficies de los pistones puede superar los 450 °C. Es posible mejorar el enfriamiento del pistón creando una cavidad de enfriamiento especial. El inyector suministra aceite a esta cavidad de enfriamiento «A» a través del canal de suministro de aceite «B». Para una mejor reducción de la temperatura, la construcción debe calcularse y analizarse cuidadosamente. El flujo de aceite en la cavidad de enfriamiento no debe ser inferior al 80 % del flujo de aceite a través del inyector.

El pasador en sí es de acero templado y está fijo en el pistón, pero libre de moverse en la biela. Algunos diseños utilizan un diseño 'totalmente flotante' que está suelto en ambos componentes. Se debe evitar que todos los pasadores se muevan hacia los lados y que los extremos del pasador se claven en la pared del cilindro, generalmente mediante circlips.

El sellado de gas se logra mediante el uso de anillos de pistón. Estos son una serie de angostos anillos de hierro, colocados sin apretar en las ranuras del pistón, justo debajo de la corona. Los anillos están divididos en un punto del borde, lo que les permite presionar contra el cilindro con una ligera presión de resorte. Se utilizan dos tipos de anillos: los anillos superiores tienen caras sólidas y proporcionan sellado al gas; los anillos inferiores tienen bordes estrechos y un perfil en forma de U, para actuar como raspadores de aceite. Hay muchas características de diseño patentadas y detalladas asociadas con los anillos de pistón.

Los pistones suelen estar fundidos o forjados con aleaciones de aluminio. Para una mejor resistencia y resistencia a la fatiga, se pueden forjar algunos pistones de carrera. Los pistones de palanquilla también se usan en motores de carreras porque no dependen del tamaño y la arquitectura de las piezas forjadas disponibles, lo que permite cambios de diseño de última hora. Aunque normalmente no son visibles a simple vista, los pistones en sí están diseñados con un cierto nivel de ovalidad y perfil cónico, lo que significa que no son perfectamente redondos y su diámetro es mayor cerca de la parte inferior de la falda que en la corona.

Los primeros pistones eran de hierro fundido, pero había beneficios obvios para el equilibrio del motor si se podía usar una aleación más ligera. Para producir pistones que pudieran sobrevivir a las temperaturas de combustión del motor, fue necesario desarrollar nuevas aleaciones como la aleación Y y el hiduminio, específicamente para su uso como pistones.

Algunos de los primeros motores de gasolina tenían cilindros de doble acción, pero por lo demás, efectivamente, todos los pistones de los motores de combustión interna son de acción simple. Durante la Segunda Guerra Mundial, el submarino estadounidense Pompano fue equipado con un prototipo del infame y poco confiable motor diésel de dos tiempos HOR de doble acción. Aunque compacto, para uso en un submarino pequeño, este diseño de motor no se repitió.

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Pistones de maletero

Los pistones del tronco son largos en relación con su diámetro. Actúan tanto como pistón como cruceta cilíndrica. Como la biela está en ángulo durante gran parte de su rotación, también hay una fuerza lateral que reacciona a lo largo del lado del pistón contra la pared del cilindro. Un pistón más largo ayuda a soportar esto.

Los pistones de tronco han sido un diseño común de pistón desde los primeros días del motor alternativo de combustión interna. Se utilizaron tanto para motores de gasolina como diésel, aunque los motores de alta velocidad ahora han adoptado el pistón deslizante más ligero.

Una característica de la mayoría de los pistones troncales, particularmente para los motores diesel, es que tienen una ranura para un anillo de aceite debajo del bulón, además de los anillos entre el bulón y la corona.

El nombre 'tronco de pistón' deriva del 'tronco de motor', un diseño temprano de motor de vapor marino. Para hacerlos más compactos, evitaron el vástago del pistón habitual de la máquina de vapor con una cruceta separada y, en cambio, fueron el primer diseño de motor en colocar el bulón directamente dentro del pistón. De lo contrario, estos pistones del motor del maletero se parecían poco al pistón del maletero; eran de diámetro extremadamente grande y de doble efecto. Su 'tronco' era un cilindro estrecho montado en el centro del pistón.

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Pistones de cruceta

Los motores diesel grandes de baja velocidad pueden requerir soporte adicional para las fuerzas laterales en el pistón. Estos motores suelen utilizar pistones de cruceta. El pistón principal tiene un vástago de pistón grande que se extiende hacia abajo desde el pistón hasta lo que es efectivamente un segundo pistón de menor diámetro. El pistón principal es responsable del sellado de gas y lleva los anillos del pistón. El pistón más pequeño es puramente una guía mecánica. Corre dentro de un pequeño cilindro como guía del tronco y también lleva el bulón.

La lubricación de la cruceta tiene ventajas sobre el pistón principal ya que su aceite lubricante no está sujeto al calor de la combustión: el aceite no se contamina con partículas de hollín de combustión, no se descompone debido al calor y puede ser un aceite más delgado y menos viscoso. ser usado. La fricción tanto del pistón como de la cruceta puede ser solo la mitad de la de un pistón principal.

Debido al peso adicional de estos pistones, no se utilizan para motores de alta velocidad.

Pistones deslizantes

Un pistón deslizante es un pistón para un motor de gasolina que se ha reducido en tamaño y peso tanto como sea posible. En el caso extremo, se reducen a la cabeza del pistón, soporte para los anillos del pistón, y solo queda lo suficiente de la falda del pistón para dejar dos rellanos para detener el balanceo del pistón en el orificio. Los lados de la falda del pistón alrededor del bulón se reducen alejándose de la pared del cilindro. El propósito es principalmente reducir la masa recíproca, facilitando así el equilibrio del motor y permitiendo así altas velocidades. En aplicaciones de carreras, los faldones de pistones deslizantes se pueden configurar para producir un peso extremadamente ligero mientras se mantiene la rigidez y la fuerza de un faldón completo. La inercia reducida también mejora la eficiencia mecánica del motor: las fuerzas requeridas para acelerar y desacelerar las partes recíprocas causan más fricción del pistón con la pared del cilindro que la presión del fluido en la cabeza del pistón. Un beneficio secundario puede ser alguna reducción en la fricción con la pared del cilindro, ya que el área de la falda, que se desliza hacia arriba y hacia abajo en el cilindro, se reduce a la mitad. Sin embargo, la mayor parte de la fricción se debe a los anillos del pistón, que son las piezas que en realidad encajan mejor en el orificio y las superficies de apoyo del pasador y, por lo tanto, se reduce el beneficio.

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Pistones deflectores

Los pistones deflectores se utilizan en motores de dos tiempos con compresión del cárter, en los que el flujo de gas dentro del cilindro debe dirigirse cuidadosamente para proporcionar una evacuación eficiente. Con barrido transversal, la transferencia (entrada al cilindro) y los puertos de escape están en lados directamente enfrentados de la pared del cilindro. Para evitar que la mezcla entrante pase directamente de un puerto al otro, el pistón tiene una nervadura elevada en su corona. Esto está destinado a desviar la mezcla entrante hacia arriba, alrededor de la cámara de combustión.

Se invirtió mucho esfuerzo y muchos diseños diferentes de corona de pistón en el desarrollo de un barrido mejorado. Las coronas se desarrollaron desde una nervadura simple hasta una gran protuberancia asimétrica, generalmente con una cara empinada en el lado de entrada y una curva suave en el escape. A pesar de esto, el barrido cruzado nunca fue tan efectivo como se esperaba. La mayoría de los motores de hoy en día utilizan la portabilidad de Schnuerle en su lugar. Esto coloca un par de puertos de transferencia en los lados del cilindro y fomenta que el flujo de gas gire alrededor de un eje vertical, en lugar de un eje horizontal.

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Pistones de carreras

En los motores de carreras, la fuerza y ​​la rigidez del pistón suelen ser mucho más altas que las del motor de un automóvil de pasajeros, mientras que el peso es mucho menor para lograr las altas RPM del motor necesarias en las carreras.

Cilindros hidraulicos

Los cilindros hidráulicos pueden ser de simple o doble efecto. Un actuador hidráulico controla el movimiento del pistón hacia adelante y hacia atrás. Los anillos guía guían el pistón y el vástago y absorben las fuerzas radiales que actúan perpendicularmente al cilindro y evitan el contacto entre las partes metálicas deslizantes.

Máquinas de vapor

Las máquinas de vapor suelen ser de doble efecto (es decir, la presión del vapor actúa alternativamente en cada lado del pistón) y la admisión y liberación de vapor se controla mediante válvulas de corredera, válvulas de pistón o válvulas de asiento. En consecuencia, los pistones de las máquinas de vapor son casi siempre discos comparativamente delgados: su diámetro es varias veces su espesor. (Una excepción es el pistón del motor troncal, cuya forma se parece más a la de un motor de combustión interna moderno). Otro factor es que, dado que casi todas las máquinas de vapor usan crucetas para trasladar la fuerza a la varilla impulsora, hay pocas fuerzas laterales que actúen para intentar y "rockear" el pistón, por lo que no es necesaria una falda de pistón en forma de cilindro.

Zapatillas

Las bombas de pistón se pueden utilizar para mover líquidos o comprimir gases.

Para líquidos

Para gases

Cañones de aire

Hay dos tipos especiales de pistones que se utilizan en los cañones de aire: pistones de tolerancia estrecha y pistones dobles. En los pistones de tolerancia estrecha, las juntas tóricas sirven como válvula, pero las juntas tóricas no se utilizan en los tipos de pistón doble.