Arbol de Levas
El árbol de levas, referido específicamente a motores de combustión interna con ciclo de cuatro tiempos y algunos de dos tiempos, es el elemento constitutivo más importante del sistema de distribución. De él depende la sucesión de eventos conducentes a la obtención de potencia.
Siendo el motor una máquina destinada a transformar la energía contenida en el combustible en trabajo mecánico; se define como de combustión interna por verificarse este hecho, dentro de un recinto, delimitado por la cabeza del pistón, el cilindro y su correpondiente tapa.
Los cuatro tiempos en los motores así previstos, son las diferentes fases o etapas necesarias para lograr dicha transformación y se conocen como: Admisión, Compresión, Expansión y Escape. Los siguentes esquemas ilustran sobre cada uno de ellos en un motor de gasolina.

Admisión. Con la vávlua de admisión abierta y el pistón en carrera descendente desde el PMS (punto muerto superior) hacia el PMI (punto muerto inferior), se produce el acceso al cilindro de la mezcla aire-combustible.
Compresión. Con ambas válvulas cerradas, la compresión se producirá a expensas de la carrera ascendentedel pistón desde el PMI al PMS.



Expansión. estando las válvulas de admisión y escape cerradas, una chispa eléctrica producirá en el momento oportuno, la combustión. Por efecto del aumento de la presión en el interior del cilindro, el pistón resultará impulsado desde el PMS al PMI. Este es el único tiempo motriz o carrera de potencia.

Escape. Con la válvula de escape abierta, el pistón realiza su carrera correspondiente, desde el PMI al PMS, saliendo de los gases quemados fuera del cilindro. Así, se completa un ciclo de cuatro tiempos.


Cada carrera del pistón corresponde al 1/2 vuelta de giro del cigüeñal, o sea 180°, como se han cumplido cuatro carreras , el giro total del cigüeñal asciende al 2 vueltas completas o 720°.


Ahora veamos que sucedió con el árbol de levas; durante las cuatro carreras del pistón se requirieron dos aperturas y cierres de las válvulas, una para la de admisión y una para la del escape; de ahí que el árbol de levas giró solamente una vuelta completa, esto se logró merced a la relación 2:1 de los respectivos engranajes de distribución. Por ello el engranaje del árbol de levas siempre tiene el doble de dientes que el del cigüeñal.
En la práctica, no se verifica exactamente la apertura y cierre de las válvulas en los PMS y PMI, además su tipo de permanencia abiertas es mayor que una carrera del pistón. Por ello, vamos a definir los términos usuales del Reglaje de Distribución.


Reglaje de la Distribución.
Se define como reglaje de la distribución de un motor de cuatro tiempos, a un conjunto de cuatro ángulos - medidos en grados de giro del cigüeñal - utilizando como referencia el punto muerto en el cual, teóricamente deberían comenzar o finalizar los tiempos de admisión y escape.
Ellos son:
1. AAA avance a la apertura de la válvula de admisión. Antes del PMS.
2. RCE retardo al cierre de la válvula de escape. Después del PMS.
3. RCA retardo al cierre de la válvula de admisión. Después del PMI.
4. AAE avance a la apertura de la válvula de escape. Antes del PMI.
Graficamente se representan así:

Arbol de levas


En el punto muerto superior (PMS), el pistón inicia su carrera descendente de apiración, pero la válvula de admisión se abrió 16° antes (ver línea llena). Desciende el pistón hasta el punto muerto inferior (PMI).

El cigüeñal ha girado 1/2 vuelta a 180°.

Subre ahora el pistón en carrera de compresión; no obstante, la válvula de admisión permanece abierta 60° después del PMI. Antes del PMS se produce la ignición (por el avance al encendido); llega el pistón al PMS
El cigüeñal ha completado una vuelta o 360°.
Desciende el pistón en carrera de expansión gracias a la presión de los gases.
64° antes de llegar al pistón al PMI, se abre la válvula de escape (ver línea de puntos); llega el pistón al PMI.
Así, el cigüeñal ha girado 1 1/2 vueltas o 540°.
Inicia el pistón su carrera de escape: 16° antes de llegar al PMS se abre la válvula de admisión, mientras aún permanece abierta la válvula de escape; llega al pistón al PMS.
Ahora el cigüeñal ha completado 2 vueltas o 720°.
Terminaron ahí las cuatro carreras del pistón, pero 16° antes del PMS se abrió la válvula de admisión mientras que la válvula de escape se cerrará 16° después del PMS; obsérvese que éste es el único momento en que ambas válvulas, admisión y escape, permanecen abiertas simultáneamente, esto se conoce como CRUCE DE VALVULAS O TRASLAPE VALVULAR; su finalidad es conseguir un mejor llenado del cilindro con mezcla fresca aprovechando la inercia de las columnas de gases tanto de admisión como de escape.
El valor en grados del cruce de válvulas, se obtiene sumando el ángulo de avance a la apertura de admisión (AAA) y el ángulo de retardo al cierre de escape (RCE); ambos medios en grados de giro del cigüeñal, en nuestro ejemplo será:

AAA = 16° + RCE = 16° = CRUCE DE VALVULAS = 32°

A su vez se comprueba que el tiempo entre la apertura y cierre de cada válvula, es mayor que el correspondiente a una carrera del pistón o 180° de giro del cigüeñal. La duración real de los tiempos de admisión y escape para nuestro ejemplo es:
ADMISION
- AAA (antes del PMS) 16°
- CARRERA DE ADMISION
1/2 vuelta del cigüeñal) + 180°
- RCA (después del PMS) 60°

DURACION DE LA ADMISION 256°
ESCAPE
- AAE (Antes del PMI) 64°
- CARRERA DE ESCAPE
(1/2 vuelta del cigüeñal) + 180°
- RCE (después del PMS) 16°
DURACION DEL ESCAPE 260°


Arbol


Aquí gráficamente podemos ver de acuerdo al decalaje o desfasaje angular sobre su eje de las respectivas levas, el cruce de válvulas producido entre la apertura de admisión y el cierre de escape; este ángulo medido sobre el árbol de levas es igual a la mitad de que se produce en el cigüeñal debido a la ya mencionada relación de transmisión 2:1 entre ambos. <fieldset class="fieldset"> <legend>Imágenes Adjuntas</legend> motor cruzado Levas Arbol de levas


Arbol


En la distribución clásica, la leva está destinada a PRODUCIR LA APERTURA de la correspondiente válvula - de acuerdo al perfil de su flanco de alzada - y a CONTROLAR EL CIERRE de la misma - provocando por el respectivo resorte - según su flanco de descenso.
Tres elementos básicos constituyen una leva:
- La circunferencia de base
- Los flancos de alzada y descenso
- La nariz o cresta

La circunferencia de base, en su porción comprendida entre los puntos de empalme con los flancos, corresponde al período de válvula cerrada; por construcción tiene un diámetro mayor en 1 al 1.5 mm que el núcleo resistente o eje del árbol de levas. Esto se hace para que el botador (puntería) no actué sobre dicho núcleo, para que la piedra de rectificar no "coma" material del mismo y para empalmar suavemente los planos laterales de las levas con el eje, mediante un radio no menor de 1 mm.
Los flancos de alzada y desceso están formados por arcos de circunferencia convexos, siempre que el botador o elemento de empuje tenga su cara de contacto plana; caso contrario, por ejemplo botador de rodillo, los flancos serán planos.
La nariz, en la gran mayoría de los motores, está formado por un arco de circunferencia, cuyo principio y fin empalman tangencialmente con los flancos de alzada y descenso.
En algunos casos, con objetos de suavizar impactos y ruidos de la distribución en motores equipados con botadores mecánicos; se construyen levas dotadas de rampas espirales, crecientes y decrecientes, que preceden y suceden a los flancos de alzada y descenso respectivamente. En dichos motores, cuando se ajusta la luz de válvulas, deben sequirse cuidadosamente las instrucciones del fabricante y no guiarse por el método tradicional de válvulas en balanceo en un determinado cilindro para la calibración en otro correspondiente.


Levas Vs Botadores.



Desde el punto de vista operativo, es necesario dotar de ciertas características geométricas especiales a las áreas de contacto entre levas y botadores, por ello en casi todos los casos, las levas tienen una forma levamente cónica, asumiendo valores entre 0.0175 y 0.05 mm (.007" y .002"; en tanto que los botadores presentan su cara de contacto con la leva rectificada en forma esférica con una corona de 0.05mm (.002".
Los botadores posicionados en el motor, quedan desplazados de los centros de las levas esta configuración más las características mencionadas en el párrafo anterior provocan el giro de los botadores, lo que ha su vez genera un área de contacto mayor entre sí mismos y sus correspondientes levas, de esta manera disminuye la carga unitaria y por lo tanto el desgaste; además, se evita la carga sobre los bordes de las levas, causante de la mayoría de fallos y roturas.

motor

Desgaste del árbol de levas.
El árbol de levas cumple un duro trabajo, en su giro debe empujar todo el tren de válvulas, venciendo no sólo la tensión de los resortes sino también la masa correspondiente de los demás componentes y ciertas presiones internas de los cilindros. Adicionalmente, comanda la boma de aceite, el distribuidor, la bomba de gasolina y, en algunos motores diesel, sincroniza e impulsa la inyección. Todo ello se traduce en esfuerzos de torsión y flexión.
Pocas veces consideramos su real importancia, ya que como producto de fina tecnología, no da problemas. No obsante, su desgaste es inevitable y debe de ser cuidadosamente verificado.
Las levas, se medirán con micrómetro, comparando entre sí los lóbulos de admisión y los de escape, en búsqueda de diferencias; obsérvese simultáneamente el grado y tipo de desgaste que presentan, siempre en relación con sus botadores; una franja de contacto sobre el centro de cada leva es lo correcto; si se advierte contacto sobre o cerca de los bordes, picaduras, desprendimientos, etc., el árbol de levas debe ser reemplazado.
Los apoyos, se verificarán dimensionalmente, una deformación o desgaste mayor de 0.025mm (.001" obligan a su rectificación y a la instalación de nuevos bujes, terminados, de la medida correspondiente. Recuérdese que una causa frecuente de baja presión de aceite, son los huelgos anormales entre cojinetes y apoyos del árbol de levas.
Inspecciónese visualmente el resto de las partes, engranaje, cuñeros, etc. Siempre que se reemplace el árbol de levas deben reemplazarse los botadores y viceversa.




Distribución variable

Introducción
Fundamentalmente, cuanto mayor es la cantidad de aire que penetra en el cilindro, mayor será la potencia que desarrolla el motor, por eso es fundamental el sistema de distribución que es el encargado regular los tiempos del funcionamiento del motor. La distribución (respiración) del motor va estar controlada por el árbol de levas que es el elemento fundamental junto con las válvulas.
cruzado
Cuanto más rápido gira un motor, más difícil resulta llenar los cilindros, puesto que las válvulas abren y cierran mucho más deprisa. Lo ideal es que la válvula de admisión se abra un poco antes del inicio de la carrera de admisión, y la de escape un poco antes de iniciarse la carrera de escape, para ayudar así al vaciado y llenado de los cilindros. El inconveniente proviene de que el momento óptimo de apertura de las válvulas es diferente para cada régimen del motor, por lo que resulta imprescindible sacrificar rendimiento en todos los regímenes de giro para obtener un resultado aceptable también en todos los regímenes de giro. Lo que hace la distribución variable es precisamente cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas en función del régimen del motor. Los sistemas más sofisticados también pueden controlar el tiempo durante el que la válvula permanece abierta
A la hora de cambiar los tiempos de distribución tenemos que hacer una serie de consideraciones sobre los sistemas de distribución en general:
Sincronización de las válvulas
En la figura inferior se ilustra un diagrama de distribución así como la apertura de las válvulas y el llamado "cruce de válvulas". Hay que destacar los siguientes puntos:
- La válvula de admisión debe abrirse antes del P.M.S., es decir, antes de que el pistón empiece a descender en el tiempo de admisión.
- La válvula de admisión permanece abierta mucho después del P.M.I., (en plena fase de compresión) para aprovechar la velocidad de los gases entrantes, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro.
- La válvula de admisión regula el rango de revoluciones del motor. Si esta se cierra mas tarde, entra mas combustible en el cilindro y, por lo tanto, las revoluciones aumentan.
- El punto de cierre de la válvula de admisión también determina la relación de compresión efectiva, opuesto a lo que ocurre con la relación de compresión estática. Si la válvula se cierra mas tarde, la compresión real del motor será menor.
- La válvula de escape debe abrirse mucho antes de que termine el tiempo de explosión para liberar la presión de los gases en expansión que están en el cilindro antes de que el pistón suba en el tiempo de escape. La potencia del motor no se ve afectada por el hecho de que las válvulas de escape se abran en ese punto, ya que la mayor parte de la potencia de los gases en explosión ha sido transmitida al pistón durante el tiempo de explosión. La válvula de escape debe estar casi totalmente abierta en el momento en el que pistón alcance la velocidad máxima. De esta manera, no hay resistencia al movimiento causada por la presión del gas de admisión, la cual produciría una perdida de bombeo.
- La leva mantiene abierta la válvula de escape pasado el P.M.S. En regímenes elevados, la inercia del gas que sale del cilindro crea un vacío tras de si, absorbiendo más mezcla de admisión. Al vaciar al máximo el cilindro de gases de escape, aumenta la capacidad para alojar la mezcla fresca de aire y combustible, aumentado así la potencia del motor.
Levas
Cruce de válvulas
El periodo de cruce de válvulas tiene lugar en el inicio del tiempo de admisión, cuando la válvula de admisión ya esta abierta y la de escape no se ha cerrado por completo. Los motores de serie tienen un cruce de válvulas de 15 a 30 grados de giro del cigüeñal. En el ejemplo de la figura superior la magnitud del cruce es de 20 grados. Los árboles de levas de los vehículos de carreras tienen cruces de válvulas que van de 60 a 100 grados. Un cruce adicional proporciona un llenado de cilindro mas eficaz a altas revoluciones, pero produce un vacío en el motor mas bajo, así como una mayor pobreza en el rendimiento en los bajos regímenes, en la calidad de marcha en ralentí y en la economía de combustible a baja velocidad.
Si la válvula de admisión se abre demasiado pronto, la calidad de marcha en ralentí se deteriora, mientras que el rendimiento en regímenes elevados no mejora demasiado. La velocidad máxima del pistón en el tiempo de admisión se alcanza antes de la apertura máxima de válvula, por lo que si la válvula se abre antes, podría mejorar la respiración del motor. El factor del cruce de válvulas que afecta al rendimiento en regímenes elevados es el cierre de la válvula de escape. De hecho, aumentar el tamaño de la válvula de escape y su orificio correspondiente no suele considerarse demasiado adecuado para la obtención de mas potencia, ya que la válvula de escape limita en mayor medida el flujo procedente del cilindro a medida que se cierra.
Un cruce elevado de válvulas puede generar problemas de holguras entre la válvula y el pistón, es decir, que podrían llegar a tocarse. La elevada alzada de las válvulas no causa este problema, ya que el pistón esta en una posición baja dentro del cilindro cuando la válvula se abre al máximo.
Un cruce válvulas mas reducido aumenta la presión en el cilindro a revoluciones mas bajas.
Los diseñadores de árboles de levas intentan minimizar el cruce de válvulas al tiempo que procuran maximizar el rendimiento en regímenes elevados.

Forma de levas
Las levas están formadas por un circulo base y una cresta que esta flanqueada por dos costados mas o menos rectos. Las levas tienen un contorno preciso. Su forma constituye una solución de compromiso, ya que el perfil de leva que mejora el rendimiento a altas revoluciones impide un funcionamiento optimo a bajas revoluciones. Esto se debe a la inercia de los gases. La inyección de aire mas grande tiene lugar cuando la velocidad del pistón alcanza su nivel máximo, que ocurre cuando el diferencial de presión entre el interior y el exterior llega a su máximo.
Los dos factores que caracterizan el contorno de la leva son la alzada y el ángulo de apertura. La alzada es la altura a la que la leva eleva el taqué, mientras que el ángulo de apertura es el numero de grados del giro del cigüeñal durante los cuales la válvula esta fuera de su asiento.Arbol de levas
La mayor parte de los árboles de levas están diseñados para dividir el cruce de válvulas, es decir, mantener la misma apertura de las válvulas de admisión y de escape en el P.M.S. Si la válvula de admisión está mas abierta en el P.M.S. que la de escape, se dice que el árbol de levas esta "adelantado", mientras que si esta ultima es la que esta mas abierta que la primera, el árbol de levas esta "retrasado". Un árbol de levas de patrón único tiene levas con la misma forma en ambos costados (flanco de cierre y flanco de apertura). Un diseñador de arboles de levas puede efectuar un ajuste fino en el funcionamiento del motor cambiando el punto en el que se abre o se cierra una válvula. Las levas cuyos flancos presentan formas distintas se consideran "asimétricas".
Arboles de levas de alto rendimiento
Se instalan arboles de levas de alto rendimiento sin tener en cuenta que esto conlleva otras modificaciones necesarias. Estos árboles de levas deben ir acompañados de muelles mas fuertes para que los componentes de las válvulas se mantengan en contacto en regímenes elevados (para evitar el fenómeno de "válvula flotante". Tenga cuidado de no llegar a la compresión total del muelle, en el caso de que el árbol de levas nuevo produzca una alzada de válvula demasiado elevada para la altura del muelle. En tal caso, lo mas conveniente será utilizar doble muelle (uno interno y otro externo). Cuando se alcanza al nivel máximo de la alzada de válvula, debe haber una holgura mínima entre las espiras del muelle de 0,25 a 0,30 milímetros. Otro inconveniente que puede haber es que la alzada de la válvula esta limitada por la parte superior de la guía de válvula y la holgura entre las válvulas y la parte superior del pistón, hay que evitar que lleguen a tocarse, si se produce este hecho, habría que rectificar dichos elementos.
Arbol Cuando instale calces para los muelles de válvula o un árbol de levas con alzada aumentada (alto rendimiento), verifique que los muelles no se comprimen al máximo..
motor
El cambio del árbol de levas por otro de alto rendimiento suele ir acompañado de modificaciones o cambios en el colector de admisión, escape y sistema de alimentación de combustible (carburador, inyección).


cruzado


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