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| Foto de un pistón desde abajo. Se muestran los anillos del pistón y los agujeros que reciben la biela. |
¿Qué es un pistón de motor?
Un pistón es una parte del mecanismo de funcionamiento de un motor. También conocido como pistón, es un elemento que se mueve alternativamente en un cilindro para interactuar con un fluido.
¿Cómo funciona el pistón?
Su función principal es formar una pared móvil de la cámara de combustión y transferir la energía de los gases de combustión al cigüeñal mediante un movimiento alternado dentro del cilindro. Este movimiento se transmite al pie de la biela, pero se convierte a lo largo de la biela hasta el pasador del cigüeñal en su cabeza, donde esta energía se utiliza para movilizar el cigüeñal. De esta manera, el pistón guía el pie de la biela en su movimiento recíproco.
Nomenclatura de las piezas del pistónCabeza de mecanizado: Parte superior del pistón, cuya parte superior (Cielo) está en contacto constante con todas las fases del fluido: admisión, compresión, combustión y la consiguiente expansión y escape.
Para permitir las expansiones causadas por el aumento de la temperatura, la cabeza es más pequeña y alcanza su menor diámetro en el cielo. Dependiendo de las necesidades del motor, la parte superior puede tomar diferentes formas. Cielo: la parte superior de la cabeza, contra la cual los gases de combustión ejercen presión.
Puede ser plana, cóncava, convexa, con canales anulares dentados, deflectores para crear turbulencias, etc. En general, tiene un diámetro menor que el extremo inferior del pistón, ya que hay que prever que al entrar en contacto con las temperaturas más altas de todo el motor, se producirá una cierta expansión del pistón, consistente en un cierto ensanchamiento en la parte superior, es decir, en la cabeza, por lo que el pistón adopta la forma de un eje cónico con un diámetro menor en la parte superior. Carcasa del cojinete:
Son canales dispuestos a lo largo de la circunferencia del pistón y destinados a recibir los anillos. Los canales para los anillos rascadores de aceite tienen agujeros en el fondo para permitir que el aceite lubricante pase a través de las paredes entre los canales: las partes de la zona de los anillos que separan dos canales. Forma una superficie de deslizamiento y guía el pistón dentro del cilindro. La falda es de hierro fundido y está unida a la corona por soldadura o dibujo. En los motores diesel, los faldones pueden formarse de una sola pieza con la cabeza, y en los motores grandes se suelen utilizar faldones no integrados. Los delantales de pistón suelen ser planos o lisos, estriados o partidos o incluso arrugados.
Esto sirve para contrarrestar la expansión o mejorar la lubricación. Los delantales o ranuras permiten que el metal se expanda sin aumentar el diámetro. Una característica interesante de los ejes plisados es que tienen microfisuras en las que se transporta el aceite, lo que mejora considerablemente la lubricación y, por lo tanto, prolonga la vida útil del pistón. El espacio entre la falda y la superficie del cilindro debe ser lo más pequeño posible para evitar el paso del pistón. Para facilitar el deslizamiento y el agarre del pistón en muchas faldas, se aplica una protección consistente en una capa de metales antifricción como el plomo, el cadmio, el zinc o el estaño.
El agujero del pasador de gobio: Es el agujero en la falda que recibe el pasador, los pasadores de gobio son piezas cilíndricas tratadas térmicamente y fabricadas en acero al carbono que sirven de conexión entre el pistón y la biela. Si el pasador está libre tanto en el pistón como en la biela, debe evitarse el movimiento axial (es decir, hacia los lados) del pasador. Para ello, se proporcionan ranuras en el borde de cada agujero y se colocan anillos elásticos en estas ranuras para detener el movimiento axial del pasador. Pasador de pistón: es un pasador tubular hecho de acero al 4% de carbono.
Hay tres tipos posibles de anclaje entre el pistón y la biela: Fijo en la biela y desplazado en el pistón: en este tipo de anclaje el bulón del pistón (sin movimiento radial en relación con la base de la biela) está fijo en la biela y libre en el pistón. Este tipo de anclaje permite al pistón pivotar sobre el pasador para que pueda asumir las posiciones adecuadas en relación con la biela mientras se mueve: En este tipo de anclaje, el pasador se fija al pistón por medio de una clavija o un perno, y la biela gira libremente sobre el pasador.
La conexión entre la biela y el pasador se realiza mediante un rodamiento de rodillos tanto en la biela como en el pistón: Con este tipo de anclaje, el pasador queda libre tanto del pistón como de la biela, permitiendo que ambos elementos oscilen libremente, con la ventaja añadida de distribuir las cargas y reducir el desgaste por fricción.
El pasador se monta con una ligera presión en el pistón para que permanezca libre al expandirse: Se trata de piezas circulares que encajan alrededor de la circunferencia del émbolo o pistón en una ranura del cuerpo del pistón y realizan ciertas funciones, como asegurar la estanqueidad de la cámara de combustión, transferir el calor a las paredes del cilindro y controlar la lubricación de las paredes internas del mismo.
Descripción
El pistón es una pieza metálica de tronco cónico que consta de tres partes: la cabeza, el cuerpo y la falda o falda. La parte superior o cabeza es la parte más reforzada del cilindro ya que está diseñada para absorber el empuje de la expansión de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo. Los pasadores del pistón están hechos de aluminio. Es un pistón que encaja en las paredes del cilindro por medio de anillos flexibles, llamados anillos. Hace un movimiento alternativo forzando al líquido que ocupa el cilindro a cambiar su presión y volumen o convirtiendo el cambio de presión y volumen del líquido en movimiento. Entre las características que debe tener se encuentran
Debe ser ligero para no transmitir una inercia excesiva que aumente las vibraciones del motor.
Al conectar la biela y el cigüeñal, su movimiento alternativo se convierte en un movimiento rotatorio en este último.
Diagrama simplificado del movimiento del pistón/vástago de conexión
Puede ser parte de bombas, compresores y motores. Normalmente está hecho de una aleación de aluminio.
Los pistones de los motores de combustión interna tienen que soportar altas temperaturas y presiones, así como velocidades y aceleraciones muy altas. Por esta razón, se eligen aleaciones de bajo peso específico para reducir la energía cinética generada en los desplazamientos. También tienen que soportar las cargas causadas por las velocidades y expansiones.
Materiales de construcción
El pistón debe estar diseñado para permitir una buena propagación del calor a fin de evitar las altas tensiones moleculares causadas por las altas temperaturas en las diferentes capas del material, de lo contrario la mala distribución del calor causará una expansión desigual en las diferentes partes del pistón, lo que dará lugar a fracturas del mismo. Es una práctica común utilizar cabezas de acero fundido en motores de alto rendimiento manteniendo el cuerpo cilíndrico de hierro fundido.
Generalmente se utiliza hierro fundido de grano fino para el diseño del pistón, pero si es necesario hacer el pistón en dos o más partes, se utiliza la cabeza de acero fundido para soportar mejor las tensiones generadas por el calor. Los pistones están hechos de una variedad de materiales, siendo el más común
Hierro fundido, aleación de níquel y hierro fundido, acero y aleación de aluminio.
Aleación de níquel y hierro fundido:
64% de hierro y 36% de aleación de níquel con muy poco carbono y algo de cromo. El coeficiente de expansión de esta combinación es prácticamente cero, lo que limita la expansión del pistón.
Hierro fundido:
Se usa en motores pequeños. Tienen la ventaja de una alta resistencia mecánica y una gran capacidad de fricción.
Pistón de hierro fundido:
Se desgastan menos y se pueden usar con menos espacio, ya que se expanden menos que el aluminio.
Pistones de aluminio:
Son mucho más ligeros y tienen un alto coeficiente de transferencia de temperatura. Por lo tanto, requieren menos agua de refrigeración que los pistones de hierro fundido.
Pistones de hierro común:
Este material, utilizado en motores de combustión interna de baja y media velocidad, aumenta la elasticidad para resistir la deformación permanente y el desgaste. Es preferible a las aleaciones ligeras ya que permite el uso de pequeños espacios dañinos en los pistones, un detalle valioso para los grandes motores que operan con cargas variables.
Fabricación
Diagramas de la posición, velocidad y aceleración de un pistón; correspondientes a las diferentes relaciones de R (brazo del cigüeñal) y L (longitud de la biela).
Básicamente hay dos métodos de fabricación de pistones: Estos pueden ser
Reparto
Dependiendo de la cantidad a producir y, sobre todo, de los esfuerzos, temperaturas, presiones, etc. a los que se someten (ya sea motor diesel, gasolina, competición, etc.), se elige uno u otro método. Los pistones forjados tienen mayor fuerza mecánica. Luego se mecanizan de varias maneras que determinan la forma final del pistón. Estas operaciones de mecanizado se realizan con un control CNC.
Mecanizado de la carcasa del pasador o del bulón del pistón: La carcasa del pasador está mecanizada porque este bulón gira mientras el motor está en marcha, por lo que debe haber una buena calidad y una superficie rugosa sin arañazos. Hay dos agujeros, situados en las paredes opuestas del pistón.
Estos agujeros deben ser concéntricos (tener la misma línea de eje) y esta línea debe ser paralela a la línea de eje del pasador del cigüeñal, porque si no es así cuando el motor está funcionando, la biela "se agarra" al pasador. Para evitar que este pasador salga y arañe el cilindro, se colocan cerraduras Seeger en el extremo de la carcasa, de modo que las cavidades para insertar las cerraduras deben ser hechas.
Mecanizado del alojamiento de los anillos: La cavidad debe ser hecha para la inserción de los anillos. Para ensamblar el conjunto de anillos del pistón en el cilindro, los anillos se presionan entre sí, por lo que la profundidad de la carcasa del anillo debe ser tal que todo el anillo quede oculto en el pistón. Se hace un agujero en la carcasa del anillo "rascador de aceite" para que el aceite extraído del cilindro entre en el pistón y se dirija al pasador para mantenerlo lubricado.
Mecanizado de la cabeza del pistón: dependiendo del diseño del motor, la cabeza no debe ser plana. Puede tener drenajes para mejorar la homogeneidad de la mezcla en la admisión, drenajes para mejorar la combustión y en los motores donde la compresión es alta, se hacen drenajes para que no golpeen el pistón cuando se abran las válvulas. Mecanizado externo: Un corte en el pistón que pasa por la línea del eje del bulón y otro corte perpendicular a la línea del bulón muestra que el pistón no tiene la misma cantidad de material en todas las paredes, es decir, donde está el eje, la pared del pistón tiene más material.
Por lo tanto, la temperatura del pistón se expande de manera desigual y toma una forma ovalada, lo que puede conducir a la fuga o "atascamiento" del pistón en el cilindro. Para evitarlo, se realiza un mecanizado externo para dar al pistón una forma ovalada de modo que se vuelva cilíndrico al expandirse. Este mecanizado es sólo unas milésimas de milímetro en las paredes donde el alfiler no pasa y por lo tanto no es visible a simple vista.
Parámetros influenciados por el pistón
Relación de compresión:
La relación de compresión se define como la relación de volumen entre el volumen total de la cámara de combustión (con el pistón en su PMI) más el volumen mínimo de la cámara de combustión dividido por el volumen mínimo de la cámara de combustión antes mencionada. La relación de compresión de los motores diesel (que dependen de esta relación para una combustión exitosa) es de 16:1 a 18:1, en comparación con los motores de gasolina, mucho más pequeños, con relaciones de 7:1 a 12:1.
Diámetro
Distancia máxima entre 2 puntos en la mayor circunferencia del cilindro.
Un derrame cerebral:
La distancia que recorre el pistón en su movimiento recíproco, medida entre sus puntos de recorrido más bajos y más altos.
Capacidad del cilindro:
Este valor depende del diámetro, la carrera y el número de cilindros. A priori, cuanto mayor sea la cilindrada de un motor, más robusto es, y cuantas menos revoluciones requiera para alcanzar el rendimiento deseado, más tiempo durará el motor. Por otro lado, el precio se incrementa.
Velocidad media del pistón:
Se define por la siguiente expresión:
Vl= (rpm*2*L)/60 seg.
Ser:
Vl: Velocidad lineal en m/s (metros por segundo)
Velocidad: revoluciones por minuto
L: Distancia recorrida en metros (carrera)
