El cigüeñal

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Por Bugatti Carlos

El cigüeñal, también conocido — en algunas partes— como árbol motor acodado, es un componente que se apoya y gira sobre muñones de bancada. También posee muñones, a los cuales están vinculadas las bielas. Gracias a estos muñones y a las bielas, se puede transformar el movimiento alternativo del pistón en movimiento rotativo del cigüeñal. En cuanto a su construcción, puede ser de fundición o de acero como material, y respecto al proceso de fabricación, el mismo puede obtenerse de fundición o por forja, con posterior elaboración por mecanizado. Está compuesto por muñones esencialmente (de bancada, que giran dentro de cojinetes de bancada o “metales” alojados o posicionados en los soportes del block cilindros, y de bielas), y de las manivelas que vinculan los muñones entre ellos.

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Para equilibrarlo estática y dinámicamente, se adoptan distintas posiciones de las “manivelas” o de los “codos”, y en ciertas ocasiones se le colocan contrapesos. La parte de desequilibrio -causada por la acción alterna del pistón- requiere un equilibrado muy específico. Por ejemplo, el motor de 6 cilindros es uno de los más equilibrados y no necesita contrapesos ni “ejes contrarrotantes”. 

La lubricación de los muñones se efectúa a través del aceite que pasa por las canalizaciones que atraviesan todo el cigüeñal, y tiene salidas que corresponden a cada uno de los muñones. En los motores de 4 tiempos, la combustión —de la mezcla aire/combustible— en un mismo cilindro, se produce cada 2 vueltas, que equivalen a 720 grados (giro del cigüeñal). Entre las partes componentes del motor, el cigüeñal es el de mayor peso, y es el que gira a mayor velocidad. 

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Se puede comprender, entonces, que tanto su diseño como su construcción, necesitan un máximo cuidado. Como lo mencionáramos anteriormente, el cigüeñal transforma junto con las bielas, el movimiento alternativo en rotativo, recoge la potencia generada en cada uno de los cilindros —por medio de los pistones— y la transmite a la caja de velocidades, a través del embrague. Su forma está caracterizada por la cantidad de “codos” (y sus muñones correspondientes), sobre los cuales pueden ser montadas 1 o 2 bielas. En los motores línea, a cada muñón le corresponde una biela, en los motores en V, o boxer de cilindros opuestos —en especial con los de más de 6 cilindros— se montan sobre el mismo muñón y manivela, 2 bielas, una para cada de cilindros. 

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El “codo o manivela”, y el muñón, en especial su eje, está colocado a una cierta distancia del eje del cigüeñal. A esta “distancia” entre ejes, se la denomina “radio o brazo de manivela”, y corresponde a la mitad de la carrera del pistón. Su valor —el del radio— influye considerablemente en el desarrollo del “par motor” que suministra el cigüeñal. En realidad, si el radio es grande, cuando la biela se posiciona a 90 grados con respecto al “codo, a la manivela”, la presión de los gases producto de la combustión de la mezcla sobre el pistón se transforma en un “par motor” o en una “cupla motriz”, con un valor muy elevado. Todo esto, por otra parte, contribuye a aumentar las irregularidades del motor, y a provocar vibraciones. En el pasado, eran de uso normal los motores de carrera larga, es decir con brazos de manivela —radios— bastante grandes. Pero en la actualidad se ven motores denominados “cuadrados” y también “chatos”, es decir que en parte, la tendencia actual es la de reducir la carrera hasta llevarla a un valor inferior al diámetro del cilindro. 

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Al hacer más corto el brazo de la manivela, se reducen las fuerzas de inercia provocadas ya sea por las masas rotativas o por las alternativas. De esta manera, se puede construir un cigüeñal más robusto, porque los muñones de biela y de bancada estarían más próximos. Cabe considerar que con diámetros de cilindro mayores el cigüeñal se alarga, haciéndose posible o necesario adoptar más bancadas. 

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En un 4 cilindros, por ejemplo, el cigüeñal puede tener 2, 3, 4 y hasta 5 bancadas, y la elección depende de cuestiones económicas solamente cuanto mayor sea el número de bancadas, menor será la generación de vibraciones transmitidas, y mayor va a ser la vida útil del cigüeñal. Es necesario destacar que cada bancada absorbe una cierta potencia, que en los motores deportivos puede variar entre 5 y 10 CV en forma aproximada (para cada cojinete). es por esto que en los motores de 8 o 12 cilindros —por lo general— el número de bancadas es de 5 o 7 respectivamente. Con respecto a las vibraciones del cigüeñal, debido a que la presión de los gases de la combustión no es constante en las 4 carreras o tiempos (en motores de 4 tiempos), como tampoco es constante la distancia existente entre la biela y el cigüeñal, la cupla o “par motor” transmitido al cigüeñal —por cada uno de los cilindros— varían en forma contínua, y puede ser como en el caso de la carrera de compresión hasta negativa. Esto equivale a un funcionamiento pulsante del motor que provoca irregularidades, vibraciones y ruidos (rumorosidad), sometiendo al mismo cigüeñal a un efecto de percusión. Este problema puede ser disminuido, usando un volante motor de grandes dimensiones, o también aumentando la cantidad de cilindros. El camino más efectivo es, sin duda, aumentar el número de cilindros del motor, pero es también el más costoso. Para aprovechar al máximo mecánicamente, la cantidad de cilindros disponibles, las carreras de expansión- /combustión deben ser equidistantes entres ellas, y deben darse en 2 vueltas, si el motor es de 4 tiempos. Por esto es necesario definir el orden de encendido, es decir la secuencia en que se deben efectuar las combustiones. En consecuencia, se debe posteriormente construir el cigüeñal con las manivelas (de dos combustiones sucesivas) desfasadas). Volviendo al tema del equilibrio, las vibraciones en el motor se producen por las combustiones existentes sobre el cigüeñal, y por otros dos factores que son: las masas rotativas, y las fuerzas de inercia alternativas. Debido a que se trata de un componente que gira a mucha velocidad, el mismo debe estar perfectamente equilibrado. Cuando los “codos o las manivelas” son numerosos, los mismos son dispuestos en forma simétrica con respecto al eje del cigüeñal, y por lo tanto el equilibrado, el balanceo se efectúa en forma recíproca.

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