Cigüeñal

El cigüeñal puede girar en el bloque del motor gracias a los cojinetes principales . Dado que el cigüeñal está sometido a grandes fuerzas horizontales y de torsión provenientes de cada cilindro, estos cojinetes principales se ubican en varios puntos a lo largo del cigüeñal, en lugar de uno solo en cada extremo. ^{[ 8 ]} 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. ^{[ 9 ]}

La flexión del cigüeñal fue un factor en la sustitución de los motores de ocho cilindros en línea en la década de 1950; los cigüeñales largos sufrían una flexión inaceptable cuando los diseñadores de motores comenzaron a utilizar relaciones de compresión más altas y velocidades de motor (RPM) más elevadas. ^{[ 10 ]}

La distancia entre el eje de las muñequillas y el eje del cigüeñal determina la longitud de la carrera del motor. ^{[ 1 ]}

La mayoría de los motores de automóviles modernos se clasifican como de carrera corta o de carrera sobrecuadrada, donde la carrera es menor que el diámetro del cilindro . Una forma común de aumentar el par motor a bajas revoluciones es aumentar la carrera, lo que a veces se conoce como "alargar la carrera". Históricamente, la desventaja de un motor de carrera larga era un límite de revoluciones más bajo y una mayor vibración a altas revoluciones, debido a la mayor velocidad del pistón. ^{[ 11 ]}

Al diseñar un motor, la configuración del cigüeñal está estrechamente relacionada con el orden de encendido del motor . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La mayoría de los motores V8 de producción (como el motor Ford Modular y el motor General Motors LS ) utilizan un cigüeñal de plano cruzado , donde las bielas están separadas 90 grados. ^{[ 14 ]} Sin embargo, algunos motores V8 de alto rendimiento (como el Ferrari 488 ) ^{[ 15 ] [ 16 ]} utilizan un cigüeñal de plano plano , donde las bielas están separadas 180°, lo que esencialmente resulta en dos motores de cuatro cilindros en línea compartiendo un cárter común. Los motores de plano plano generalmente pueden operar a mayores RPM, sin embargo, tienen mayores vibraciones de segundo orden, ^{[ 17 ]} por lo que son más adecuados para motores de autos de carreras. ^{[ 18 ]}

Para algunos motores es necesario proporcionar contrapesos para la masa recíproca del pistón, las bielas y el cigüeñal, con el fin de mejorar el equilibrio del motor . ^{[ 19 ] [ 20 ]} Estos contrapesos suelen estar fundidos como parte del cigüeñal, pero, ocasionalmente, son piezas atornilladas.

En algunos motores, el cigüeñal contiene enlaces directos entre muñequillas adyacentes , sin el cojinete principal intermedio habitual. Estos enlaces se denominan brazos volantes . ^{[ 21 ] : 16, 41} Esta disposición se utiliza a veces en motores V6 y V8 , para mantener un intervalo de encendido uniforme al usar diferentes ángulos en V y para reducir el número de cojinetes principales necesarios. La desventaja de los brazos volantes es que se reduce la rigidez del cigüeñal, lo que puede causar problemas a altas RPM o altas potencias. ^{[ 22 ]}

En la mayoría de los motores, cada biela está unida a un único cigüeñal, lo que provoca que el ángulo de la biela varíe a medida que el pistón se mueve a lo largo de su carrera. Esta variación angular empuja los pistones contra la pared del cilindro, lo que genera fricción entre el pistón y la pared del cilindro. ^{[ 23 ]} Para evitar esto, algunos motores antiguos, como los motores bicilíndricos planos de la 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 se usa raramente; sin embargo, un principio similar se aplica a los ejes de equilibrado , que se utilizan ocasionalmente.

La excentricidad y el desplazamiento dinámico son factores críticos que influyen en el rendimiento, la eficiencia y la durabilidad de los motores diésel. Estos fenómenos surgen debido a la flexibilidad del cigüeñal, el movimiento secundario del pistón y las cargas variables durante el funcionamiento del motor. Comprender estos efectos es esencial para reducir el desgaste mecánico, mejorar la eficiencia del combustible y optimizar el diseño del motor. ^{[ 24 ]}

Los cigüeñales se pueden fabricar a partir de una barra de acero mediante forjado por laminación . Actualmente, los fabricantes tienden a preferir el uso de cigüeñales forjados debido a su menor peso, dimensiones más compactas y mejor amortiguación inherente. ^{[ 25 ]} En los cigüeñales forjados, se utilizan principalmente aceros microaleados con vanadio , ya que estos aceros se pueden enfriar al aire después de alcanzar altas resistencias sin tratamiento térmico adicional, excepto para el endurecimiento superficial de las superficies de apoyo. El bajo contenido de aleación también hace que el material sea más económico que los aceros de alta aleación. Los aceros al carbono también requieren un tratamiento térmico adicional para alcanzar las propiedades deseadas.

Otro método de construcción consiste en fundir el cigüeñal con hierro dúctil . Los cigüeñales de hierro fundido se encuentran hoy en día principalmente en motores de producción más económicos, donde las cargas son menores. ^{[ 26 ]}

Los cigüeñales también pueden mecanizarse a partir de una pieza en bruto , a menudo una barra de acero refundido al vacío de alta calidad . Aunque el flujo de fibras (inhomogeneidades locales en la composición química del material generadas durante la fundición) no sigue la forma del cigüeñal (lo cual es indeseable), esto generalmente no representa un problema, ya que se pueden utilizar aceros de mayor calidad, que normalmente son difíciles de forjar. Por unidad, estos cigüeñales tienden a ser 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 necesita utillaje costoso, este método de producción permite series de producción pequeñas sin altos costos iniciales. ^{[ 27 ]}

En el Bagdad abasí del siglo IX , aparecen manivelas de accionamiento automático en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en el Libro de los Dispositivos Ingeniosos . ^{[ 28 ]} Estas manivelas de accionamiento automático aparecen en varios dispositivos, dos de los cuales contienen un mecanismo que se asemeja al de un cigüeñal, cinco siglos antes de la primera descripción europea conocida de un cigüeñal. Sin embargo, el mecanismo de manivela automática descrito por los Banū Mūsā no habría permitido una rotación completa, sino que solo se requería una pequeña modificación para convertirlo en un cigüeñal. ^{[ 29 ]}

En el Sultanato Artuqid , el ingeniero árabe Ismail al-Jazari (1136 – 1206) describió un sistema de manivela y biela en una máquina rotativa para dos de sus máquinas de elevación de agua, ^{[ 30 ]} que incluyen mecanismos tanto de manivela como de eje . ^{[ 31 ]}

El médico italiano Guido da Vigevano ( c. 1280 – c. 1349 ), que planeaba una nueva Cruzada , hizo ilustraciones de un barco de paletas y carros de guerra que eran impulsados ​​por manivelas compuestas giradas manualmente y ruedas dentadas, ^{[ 32 ]} identificados como un prototipo temprano de cigüeñal por Lynn Townsend White . ^{[ 33 ]} 

Leonardo da Vinci (1452–1519) ^{[ 30 ]} y un agricultor y propietario de molinos de viento holandés llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest describieron los cigüeñales en 1592. Su aserradero , accionado por el viento, utilizaba un cigüeñal para convertir el movimiento circular del molino en un movimiento oscilatorio que impulsaba 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 máquinas se vuelve abundante en los tratados tecnológicos del período: Las diversas y artificiales máquinas de Agostino Ramelli de 1588 muestra dieciocho ejemplos, un número que aumenta en el Theatrum Machinarum Novum de Georg Andreas Böckler a 45 máquinas diferentes. ^{[ 34 ]} Las manivelas eran anteriormente comunes en algunas máquinas a principios del siglo XX; por ejemplo, casi todos los fonógrafos antes de la década de 1930 funcionaban con motores de relojería que se daban cuerda con manivelas. Los motores de pistón alternativo usan manivelas para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento rotacional. Los motores de combustión interna de los automóviles de principios del siglo XX generalmente se arrancaban con manivelas, antes de que los arranques eléctricos se generalizaran.