Cigüeñal para niños
Un cigüeñal es una pieza muy importante en muchas máquinas, como los motores de los coches. Imagina un eje con codos o "brazos" y contrapesos. Su trabajo principal es cambiar un movimiento que va de arriba abajo (como el de un pistón) en un movimiento circular continuo, y viceversa. Esto se logra gracias a un sistema llamado mecanismo de biela-manivela.
En los motores de los automóviles, el cigüeñal recibe la fuerza de los pistones a través de unas piezas llamadas bielas. Cuando los pistones se mueven, empujan las bielas, y estas hacen girar el cigüeñal. Este giro es lo que genera la energía que mueve el vehículo. El cigüeñal está sujeto por unos puntos de apoyo y es el eje central del motor.
Los cigüeñales suelen fabricarse con aleaciones de metal muy resistentes, capaces de soportar grandes fuerzas. A menudo tienen pequeños conductos por dentro para que el lubricante (aceite) pueda pasar y mantener todo funcionando suavemente. Es importante que no sean demasiado duros, porque si lo fueran, podrían romperse fácilmente debido a las enormes presiones que soportan.
Existen diferentes tipos de cigüeñales, dependiendo de cómo estén colocados sus puntos de apoyo y las bielas. Por ejemplo, en los motores de cuatro cilindros más comunes, los cigüeñales suelen tener cinco puntos de apoyo para mayor estabilidad. En motores con cilindros en forma de "V" o "bóxer", la forma y el número de apoyos pueden variar.
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Contenido
Historia del cigüeñal
Orígenes de la manivela
La idea de la manivela, que es la base del cigüeñal, es muy antigua.
Primeras manivelas en España
Se cree que los íberos o celtíberos en España inventaron las primeras manivelas entre los años 600 y 500 antes de Cristo. Las usaban para hacer girar las ruedas de los molinos. Desde allí, esta idea se extendió por el mundo.
Manivelas en China
En China, las primeras manivelas manuales aparecieron durante la Dinastía Han (202 a.C. - 220 d.C.). Se utilizaban para enrollar seda, hilar cáñamo, mover ventiladores para separar el grano de la paja, y en máquinas que usaban la fuerza del agua, como los fuelles para trabajar metales o los molinetes para sacar agua de los pozos. Estas manivelas mejoraron mucho la eficiencia de estas tareas. Sin embargo, en China no se aprovechó del todo la idea de la manivela para cambiar el movimiento circular en movimiento de vaivén hasta mucho después.
El Imperio Romano y la manivela
Una forma de manivela, como una manija en un molino de mano, apareció en España celtíbera en el siglo V a.C. y se extendió por el Imperio Romano. Se encontró una manivela de hierro romana del siglo II d.C. en Suiza. Los molinos romanos con manivela datan de finales del siglo II d.C.
La combinación de una manivela con una biela (la pieza que conecta el pistón al cigüeñal) se vio en la Serrería de Hierápolis en el siglo III d.C. También se encontraron en aserraderos de Siria y Éfeso en el siglo VI d.C. Estas máquinas usaban la fuerza del agua para mover sierras que cortaban bloques de piedra, gracias a este mecanismo de biela-manivela.
Europa en la Edad Media
En Europa, una máquina de afilar que se operaba con una manivela manual aparece en un manuscrito del año 830. Las manivelas para girar ruedas también se muestran en varios trabajos entre los siglos X y XIII.
Entre 1420 y 1430, aparecieron las primeras descripciones de la manivela compuesta en herramientas de carpintería. La manivela compuesta se adoptó rápidamente, especialmente en la tecnología militar durante las guerras husitas. Se empezó a usar la biela con las manivelas, y también se añadió el volante para ayudar a las manivelas a superar los puntos muertos. Esta idea fue mejorada por el ingeniero italiano Roberto Valturio en 1463.
A principios del siglo XV, la manivela ya era común en Europa. Se usaba en molinetes para tensar ballestas y en tornillos de Arquímedes para levantar agua, lo que era una gran mejora.
El cigüeñal moderno
Oriente Medio medieval
El cigüeñal, tal como lo conocemos, apareció en algunos dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su "Libro de dispositivos ingeniosos" en el siglo IX. Estas manivelas automáticas se adelantaron a las invenciones europeas por varios siglos. Aunque no giraban completamente, solo necesitaban una pequeña modificación para convertirse en un cigüeñal.
El ingeniero árabe Al-Jazari (1136 - 1206) describió un sistema de manivela con biela en una máquina rotatoria para levantar agua. Se ha identificado un cigüeñal en su bomba de cilindros gemelos.
Europa en el Renacimiento
El físico italiano Guido da Vigevano (c.1280 - 1349) dibujó botes de remos y carruajes de guerra impulsados por manivelas compuestas y ruedas dentadas. El "Luttrell Psalter" (alrededor de 1340) muestra una piedra de afilar que giraba con dos manivelas.
Alrededor de 1480, la piedra de afilar se mejoró con un mecanismo de pedal y manivela. Los cigüeñales también fueron descritos por Leonardo da Vinci (1452 - 1519) y por un granjero holandés llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest en 1592. Su aserradero impulsado por el viento usaba un cigüeñal para convertir el movimiento circular del molino en un movimiento de vaivén para la sierra. A Corneliszoon se le concedió una patente por su cigüeñal en 1597.
Europa moderna
Desde el siglo XVI, los diseños de máquinas con manivelas y bielas se hicieron muy comunes. Por ejemplo, el libro "The Diverse and Artifactitious Machines" de Agostino Ramellí (1588) describe dieciocho ejemplos.
A principios del siglo XX, las manivelas eran muy comunes en algunas máquinas. Por ejemplo, casi todas las cámaras fotográficas antes de los años 30 usaban motores de relojería que se enrollaban con manivelas. Los motores de pistón usan cigüeñales para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento rotatorio. Los primeros coches del siglo XX se encendían a menudo con una manivela manual, antes de que los motores de arranque eléctricos se hicieran populares.
Cigüeñales en motores de combustión interna
Los motores grandes suelen tener varios cilindros para que la energía se entregue de forma más suave. Cada pistón se conecta a un cigüeñal complejo. Muchos motores pequeños, como los de las motos o las máquinas de jardín, tienen un solo cilindro y un solo pistón, lo que simplifica el diseño del cigüeñal.
Un cigüeñal soporta fuerzas enormes, que pueden ser equivalentes a varias toneladas. Está conectado al volante (que ayuda a suavizar la salida de energía), al bloque del motor (mediante cojinetes) y a los pistones a través de las bielas. Un motor pierde una gran parte de su energía generada en forma de fricción, ruido y vibración en el cigüeñal y el área del pistón.
Cojinetes del cigüeñal
El cigüeñal tiene un eje lineal sobre el que gira. Típicamente, tiene varios puntos de apoyo que giran sobre cojinetes reemplazables. Estos cojinetes principales están sujetos al bloque del motor. Como el cigüeñal soporta grandes cargas laterales de cada cilindro, necesita varios de estos cojinetes, no solo uno en cada extremo. Los motores de alto rendimiento suelen tener más cojinetes principales que los motores de menor rendimiento.
Carrera del pistón
La distancia que el cigüeñal empuja desde su eje central determina la "carrera" del pistón, y esto afecta el tamaño del motor. Una forma común de aumentar la fuerza de un motor a bajas velocidades es aumentar la carrera. Sin embargo, esto también puede aumentar la vibración y limitar la velocidad máxima del motor. A cambio, mejora el funcionamiento a bajas velocidades.
Configuración del motor
La forma en que se colocan los pistones (en línea, en V o planos) afecta el diseño del cigüeñal. A veces, el mismo bloque de motor puede usar diferentes cigüeñales para cambiar el orden en que se encienden los cilindros. Por ejemplo, algunos motores V6 pueden tener un cigüeñal especial para que los pulsos de energía estén igualmente espaciados, lo que hace que el motor funcione de manera más suave.
Balance del motor
Para algunos motores, es necesario añadir contrapesos al cigüeñal para equilibrar el movimiento de los pistones y las bielas. Esto ayuda a que el motor funcione de forma más suave y con menos vibraciones. Estos contrapesos suelen ser parte del cigüeñal, pero a veces son piezas atornilladas.
Brazos volantes
En algunas configuraciones de motor, el cigüeñal tiene conexiones directas entre las bielas adyacentes, sin un cojinete principal intermedio. Estas conexiones se llaman "brazos volantes". Este diseño se usa a veces en motores V6 y V8 para reducir el peso y la longitud del motor, aunque puede hacer que el cigüeñal sea un poco menos rígido.
Motores rotatorios de aviación
Algunos de los primeros motores de avión eran de un tipo llamado "motor rotatorio". En estos, el cigüeñal estaba fijo a la estructura del avión, y en su lugar, los cilindros giraban junto con la hélice.
Motores radiales
Un motor radial es un tipo de motor de combustión interna donde los cilindros se extienden hacia afuera desde un cigüeñal central, como los radios de una rueda. Se ve como una estrella cuando se mira de frente. Esta configuración fue muy común en los motores de avión antes de que los motores de turbina se volvieran más populares.
Construcción del cigüeñal
Los cigüeñales pueden ser de una sola pieza (monolíticos) o estar hechos de varias piezas ensambladas. Los monolíticos son los más comunes, pero algunos motores más pequeños o muy grandes usan cigüeñales ensamblables.
Fabricación y maquinado
Los cigüeñales se pueden forjar (dar forma con calor y presión) a partir de barras de acero, o se pueden fundir (verter metal líquido en un molde) en acero dúctil. Hoy en día, muchos fabricantes prefieren los cigüeñales forjados porque son más ligeros, compactos y absorben mejor las vibraciones.
También se pueden fabricar cigüeñales a partir de un bloque sólido de acero, usando máquinas como tornos y fresadoras. Este método es más caro porque se necesita quitar mucho material y el acero es de muy alta calidad, pero permite hacer pequeñas producciones sin grandes costos iniciales.
Los cigüeñales usados a menudo se pueden reparar y volver a usar. Si están muy dañados, se pueden soldar y luego pulir para que vuelvan a tener las medidas exactas.
Esfuerzos en los cigüeñales
El cigüeñal está sometido a varias fuerzas. Es importante analizarlo en dos situaciones principales:
- Cuando la fuerza de doblado es máxima, lo que puede ocurrir en el centro o en los extremos de la manivela.
- Cuando la fuerza de torsión (giro) es máxima.
Cigüeñal contra-rotatorio
En un motor normal, el pistón se conecta al cigüeñal con una biela. Cuando el pistón se mueve, la biela cambia su ángulo, y esto causa una fuerza lateral que empuja el pistón contra la pared del cilindro. Esta fuerza lateral genera fricción, que es una de las principales causas de pérdida de energía en un motor.
En un diseño de cigüeñal contra-rotatorio, cada pistón se conecta a dos cigüeñales. De esta manera, las fuerzas laterales de las bielas se anulan entre sí. Esto reduce la fricción entre el pistón y el cilindro, lo que significa que el motor consume menos combustible. Este diseño también reduce las vibraciones y hace que el motor sea más fácil de acelerar y desacelerar.
Galería de imágenes
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Cigüeñal desmontable de un motor de dos tiempos monocilíndrico (Piaggio).
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Cigüeñal de cuatro cilindros y cinco apoyos, con doble contrapeso por biela de un motor de automóvil.
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Cigüeñal de un motor de barco con seis cilindros en línea, con siete apoyos.
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Corte de un motor donde se aprecia el contrapeso que toma la cabeza de biela que mueve el cigüeñal.
Véase también
En inglés: Crankshaft Facts for Kids
- Árbol de levas
- Leva (mecánica)
- Serrería de Hierápolis
