Biela - Connecting rod

Biela y pistón de un motor de automóvil

Una biela es la parte de un motor de pistón que conecta el pistón al cigüeñal . Junto con la manivela , la biela convierte el movimiento alternativo del pistón en la rotación del cigüeñal. Se requiere la biela para transmitir las fuerzas de compresión y tracción del pistón. En su forma más común, en un motor de combustión interna , permite pivotar en el extremo del pistón y girar en el extremo del eje.

El predecesor de la biela es un enlace mecánico utilizado por los molinos de agua para convertir el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en un movimiento alternativo.

El uso más común de bielas es en motores de combustión interna o en motores de vapor .

Orígenes

Esquema del aserradero romano de Hierápolis , la primera máquina conocida que combinaba una biela con una manivela .

La evidencia más temprana de una biela aparece a finales del siglo III d. C. en el aserradero romano de Hierápolis . También aparece en dos aserraderos romanos orientales del siglo VI excavados en Éfeso, respectivamente Gerasa . El mecanismo de manivela y biela de estos molinos de agua romanos convirtió el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra.

En la Italia del Renacimiento , la evidencia más temprana de una biela y manivela compuestas, aunque mecánicamente incomprendidas, se encuentra en los cuadernos de bocetos de Taccola . Una sólida comprensión del movimiento involucrado muestra al pintor Pisanello (muerto en 1455), quien mostró una bomba de pistón accionada por una rueda hidráulica y operada por dos simples manivelas y dos bielas.

En el siglo XVI, la evidencia de manivelas y bielas en los tratados tecnológicos y las obras de arte de la Europa del Renacimiento se vuelve abundante; Solo en Las máquinas artísticas y diversas de 1588, de Agostino Ramelli , se representan dieciocho ejemplos, un número que en el Theatrum Machinarum Novum de Georg Andreas Böckler se eleva a 45 máquinas diferentes.

Biela en un motor
Biela en un motor Caterpillar

Una de las primeras documentaciones del diseño ocurrió en algún momento entre 1174 y 1206 d.C. en el estado de Artuqid (Turquía actual), cuando el inventor Al-Jazari describió una máquina que incorporaba la biela con un cigüeñal para bombear agua como parte de una máquina de extracción de agua.

Máquinas de vapor

Motor de viga con bielas gemelas (casi verticales) entre la viga horizontal y el volante
Biela de locomotora de vapor (entre el pistón y la rueda trasera; la biela más grande visible)

El motor atmosférico 1712 Newcomen (el primer motor de vapor) usaba transmisión por cadena en lugar de una biela, ya que el pistón solo producía fuerza en una dirección. Sin embargo, la mayoría de las máquinas de vapor posteriores a esta son de doble acción , por lo que la fuerza se produce en ambas direcciones, lo que lleva al uso de una biela. La disposición típica utiliza un bloque de cojinete deslizante grande llamado cruceta con la bisagra entre el pistón y la biela colocada fuera del cilindro, lo que requiere un sello alrededor de la biela .

En una locomotora de vapor , las manivelas generalmente se montan directamente sobre las ruedas motrices . La biela se usa entre el pasador del cigüeñal de la rueda y la cruceta (donde se conecta con la biela del pistón ). Las bielas equivalentes de las locomotoras diésel se denominan "bielas laterales" o "bielas de acoplamiento". En locomotoras de vapor más pequeñas, las bielas suelen ser de sección transversal rectangular, sin embargo, ocasionalmente se han utilizado bielas de sección circular de tipo marino.

En los vapores de paletas , las bielas se llaman 'pitmans' (que no deben confundirse con los brazos pitman ).

Motores de combustión interna

Diseño típico de biela de motor de automóvil

Una biela para un motor de combustión interna consta de la 'cabeza de biela', la 'biela' y el 'extremo pequeño' (o 'extremo pequeño'). El extremo pequeño se conecta al pasador del pistón (también llamado "pasador de pistón" o "pasador de muñeca"), que puede girar en el pistón. Normalmente, la biela se conecta a la muñequilla mediante un cojinete liso para reducir la fricción; sin embargo, algunos motores más pequeños pueden utilizar un cojinete de elemento rodante para evitar la necesidad de un sistema de lubricación por bombeo.

Por lo general, hay un orificio perforado a través del cojinete en el extremo grande de la biela para que el aceite lubricante salga a chorros por el lado de empuje de la pared del cilindro para lubricar el recorrido de los pistones y los aros del pistón .

Una biela puede girar en ambos extremos, de modo que el ángulo entre la biela y el pistón puede cambiar a medida que la biela se mueve hacia arriba y hacia abajo y gira alrededor del cigüeñal .

Materiales

Varilla de aluminio con cabezal modular y casquillo en el pie (izquierda), varilla de goteo de aceite de aluminio con palmaditas (centro), varilla de acero (derecha)

Los materiales utilizados para las bielas varían ampliamente, incluido el acero al carbono, el metal sinterizado a base de hierro, el acero microaleado y la fundición de grafito esferoidizado. En los motores de automóviles producidos en serie, las bielas suelen estar hechas de acero . En aplicaciones de alto rendimiento, se pueden utilizar bielas de "palanquilla", que se mecanizan a partir de una palanquilla sólida de metal, en lugar de fundirse o forjarse.

Otros materiales incluyen la aleación de aluminio T6-2024 o la aleación de aluminio T651- 7075 , que se utilizan por su ligereza y la capacidad de absorber un alto impacto a expensas de la durabilidad. El titanio es una opción más cara que reduce el peso. El hierro fundido se puede utilizar para aplicaciones más baratas y de menor rendimiento, como las motonetas.

Fallo durante la operación

Mitad superior de una biela averiada
Biela que inicialmente falló por fatiga, luego se dañó aún más por el impacto con el cigüeñal

Durante cada rotación del cigüeñal, una biela a menudo está sujeta a fuerzas grandes y repetitivas: fuerzas de corte debidas al ángulo entre el pistón y la muñequilla, fuerzas de compresión cuando el pistón se mueve hacia abajo y fuerzas de tracción cuando el pistón se mueve hacia arriba. Estas fuerzas son proporcionales a la velocidad del motor (RPM) al cuadrado.

La falla de una biela, a menudo llamada "arrojar una biela", es una de las causas más comunes de falla catastrófica del motor en los automóviles, ya que con frecuencia empuja la biela rota a través del costado del cárter y, por lo tanto, hace que el motor sea irreparable. Las causas comunes de falla de la biela son falla de tracción debido a altas velocidades del motor, la fuerza de impacto cuando el pistón golpea una válvula (debido a un problema en el tren de válvulas), falla del cojinete de la biela (generalmente debido a un problema de lubricación) o instalación incorrecta de la biela .

Desgaste del cilindro

La fuerza lateral ejercida sobre el pistón a través de la biela por el cigüeñal puede hacer que los cilindros se desgasten en forma ovalada. Esto reduce significativamente el rendimiento del motor, ya que los anillos de pistón circulares no pueden sellar correctamente contra las paredes del cilindro de forma ovalada.

La cantidad de fuerza lateral es proporcional al ángulo de la biela, por lo tanto, las bielas más largas reducirán la cantidad de fuerza lateral y el desgaste del motor. Sin embargo, la longitud máxima de una biela está limitada por el tamaño del bloque del motor; la longitud de la carrera más la longitud de la biela no debe hacer que el pistón se desplace más allá de la parte superior del bloque del motor.

Varillas de maestro y esclavo

Principio de funcionamiento de un motor radial
Varillas maestro-esclavo en el motor de avión Renault 8G V8 de 1916-1918

Los motores radiales suelen utilizar bielas maestras y esclavas, por lo que un pistón (el pistón más alto en la animación) tiene una biela maestra con un acoplamiento directo al cigüeñal. Los pistones restantes fijan los accesorios de sus bielas a los anillos alrededor del borde de la biela maestra.

Los motores de bancos múltiples con muchos cilindros, como los motores V12 , tienen poco espacio disponible para muchos muñones de biela en una longitud limitada de cigüeñal. La solución más simple, como se usa en la mayoría de los motores de automóviles de carretera, es que cada par de cilindros comparta un muñón del cigüeñal , pero esto reduce el tamaño de los cojinetes de biela y significa que los cilindros coincidentes (es decir, opuestos) en los diferentes bancos están ligeramente desplazados a lo largo. el eje del cigüeñal (que crea un par oscilante ). Otra solución es utilizar bielas maestra y esclava, donde la barra maestra también incluye uno o más pasadores de anillo que están conectados a los extremos grandes de las bielas esclavas en otros cilindros. Un inconveniente de las varillas maestro-esclavo es que las carreras de los pistones esclavos serán un poco más largas que las del pistón maestro, lo que aumenta la vibración en los motores en V.

Uno de los ejemplos más complicados de bielas de maestro y esclavo es el motor de avión experimental Junkers Jumo 222 de 24 cilindros desarrollado para la Segunda Guerra Mundial. Este motor constaba de seis bancos de cilindros, cada uno con cuatro cilindros por banco. Cada "capa" de seis cilindros usaba una biela maestra, y los otros cinco cilindros usaban bielas esclavas. Se fabricaron aproximadamente 300 motores de prueba, sin embargo, el motor no alcanzó la producción.

Varillas de horquilla y cuchilla

Varillas de horquilla y cuchilla

Las varillas de horquilla y cuchilla, también conocidas como "varillas de biela divididas", se han utilizado en motores de motocicletas V-twin y motores de aviones V12 . Para cada par de cilindros, una barra de "horquilla" se divide en dos en el extremo grande y la barra de "cuchilla" del cilindro opuesto se adelgaza para encajar en este espacio en la horquilla. Esta disposición elimina el par oscilante que se produce cuando los pares de cilindros se desplazan a lo largo del cigüeñal.

Una disposición común para el cojinete de cabeza de biela es que la barra de la horquilla tenga un solo manguito de cojinete ancho que abarque todo el ancho de la barra, incluido el espacio central. Luego, la varilla de la cuchilla corre, no directamente sobre la muñequilla, sino por el exterior de este manguito. Esto hace que las dos varillas oscilen hacia adelante y hacia atrás (en lugar de girar entre sí), lo que reduce las fuerzas sobre el rodamiento y la velocidad de la superficie. Sin embargo, el movimiento del rodamiento también se vuelve alternativo en lugar de girar continuamente, lo que es un problema más difícil de lubricación.

Los motores notables que utilizan varillas de horquilla y cuchilla incluyen el motor de avión Rolls-Royce Merlin V12 y varios motores de motocicleta Harley Davidson V-twin.

Ver también

Referencias