MUELLES

Su misión es forzar a la válvula y demás componentes a seguir el perfil de la leva durante el proceso de cierre, venciendo la inercia. Además, mantiene la válvula presionada contra su asiento garantizando la estanqueidad en la cámara de combustión.
     Actualmente se usan resortes de torsión en forma de muelles helicoidales cilíndricos. El uso de 2 resortes por válvula se justifica para mantener las tensiones en el resorte dentro de los admisible. Pero el uso de materiales con mejores características permite usar un único resorte con válvula, aportando las ventajas de menor peso y número de componentes.
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GUIAS DE LA VÁLVULA

Es el elemento por el que se desliza el vástago de la válvula en su movimiento alternativo, sirviéndole de guía. Suelen ser postizas y van montadas en la culata por interferencia, pero a veces se mecanizan directamente sobre ella. Su diámetro interior tiene que ser tal que el juego resultante vástago-guía admita la dilatación debida al calentamiento que origina el funcionamiento del motor, y permita a la vez, la existencia de una delgada película de aceite que evite el contacto metal-metal. Juegos excesivos provocan películas de aceite de elevado espesor, provocando consumo de aceite, mientras que juegos escasos provocan gripaje. Para evitar el consumo de aceite se colocan en la parte superior de la guía retenes de aceite.
     Las guías de admisión son más cortas que las de escape, debido a que no necesitan tanta refrigeración y a que el entorpecimiento del flujo de gases de admisión afecta más al rendimiento del motor que el del escape.
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ASIENTOS DE VÁLVULA

Es el elemento de la culata donde apoya la válvula cuando se produce el cierre. Puede estar mecanizado directamente sobre la culata o sobre un anillo postizo de acero sinterizado que se monta por interferencia en un alojamiento mecanizado en la culata. En      este último caso hay que cuidar el centrado del postizo para asegurar una buena alineación de su eje con el de la guía de la válvula. Para mejorar el cierre, el asiento se mecaniza con un ángulo ligeramente menor al de la válvula.

     El asiento de la culata está sometido a una gran carga percusiva, que aumenta con la velocidad del motor, y a una elevada temperatura, sobre todo en el escape.
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TAPA DE MUELLES Y SEMICONOS

Es la pieza que, colocada en el extremo superior del vástago de la válvula, le transmite los esfuerzos del muelle a través de una pieza cónica partida, los semiconos. Tiene como objetivo mantener los resortes en la posición correcta.

     Los semiconos tienen exteriormente forma cónica invertida para acoplar en el orificio cónico de la tapa de muelles. La forma inferior es cilíndrica con uno o varios  salientes en forma de collar, y acopla el vástago de la válvula que lleva mecanizadas unas acanaladuras para alojar los collares de los semiconos. A mayor número de ranuras y collares, mejor reparto del esfuerzo. El cono sólo transmite fuerza en la dirección en que la ejerce el resorte. Según estos semiconos comprendan un arco igual o menor de 180 grados, el montaje de las válvula-tapa de muelles será fijo o flotante. En este último caso se produce el giro de la válvula durante el funcionamiento del motor con las consecuentes ventajas en cuanto a desgastes y estanqueidad. Los rotadores obligan a la válvula a girar un ángulo determinado mediante un mecanismo de trinquete, cada vez que ésta abre y cierra.
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VÁLVULAS

Son los elementos encargados de la apertura y cierre de los conductos de admisión y escape. Las válvulas usadas hoy en día son las válvulas de plato, que presentan área de paso y coeficiente de gasto elevados, y un coste de fabricación reducido, aunque su capacidad de refrigeración es baja. Se divide en 2 partes:

• Pie o vástago: parte recta responsable del guiado y la sujeción de la válvula. Su longitud depende en gran parte de la altura de la culata y la longitud del resorte.
• Cabeza: parte circular sobre la que se mecaniza la superficie cónica de cierre, junto con el asiento mecanizado en la culata forma una junta estanca.

     Hay una serie de factores a tener en cuenta a la hora del diseño: el ángulos de asiento, el área de paso de la válvula y el material a usar.

     La importancia del ángulo de asiento se debe a que a medida que aumenta, mejora el cierre por aumentar el efecto de enclavamiento, mejora el coeficiente de gasto por la menor deflexión del flujo pero empeora el área de paso, que es casi proporcional al coseno del ángulo. 30º suele es lo normal para la válvula de admisión y 45º para la de escape.

     El valor del área de paso afecta directamente al rendimiento volumétrico, un parámetro que mide la efectividad de la renovación de la carga. A mayor área de paso menor velocidad de paso y mejor coeficiente de gasto. Los valores máximos para las velocidades de admisión y escape  son 60 y 100 m/s. El área de paso dependerá del levantamiento máximo y del diámetro, L//D oscila entre 0,2 y 0,35. Valores mayores no hacen crecer mucho el coeficiente de gasto y aumentar los problemas del sistema.

     A la hora de elegir el material, hay que tener en cuenta que las válvulas trabajan bajo grandes cargas térmicas, además la composición de los gases de escape junto con la alta temperatura, hace que tengan una gran capacidad corrosiva. La evacuación del calor se hace por el asiento, por la guía y una pequeña parte por los gases de alrededor. El material utilizado debe reunir estos requisitos:

• Capacidad de soportar altas temperaturas.
• Tenacidad en presencia de entallas.
• Resistencia a la corrosión.
• Resistencia a la formación de cascarilla.
• Resistencia al desgaste.
• Conductividad térmica elevada.

     Se suelen usar aceros aleados con Cr, Ni, Si... con estructura martensítica o austenítica. Los primero presentan buena conductividad térmica pero menor resistencia a altas temperaturas, por lo que se usan en las válvulas de admisión o el pie de las de escape. Los segundos tienen mejor resistencia a la corrosión, impacto y a las altas temperaturas,  aunque su peor conductividad hace que sólo se usen en la cabeza de las válvulas de escape, usando en el vástago un acero martensítico y soldando ambas partes por fricción. El extremo del vástago, está sometido a grandes esfuerzos de compresión y rozamiento, por lo que se suele reforzar por temple.

     Para reducir el problema de refrigeración se pueden usar válvulas huecas semillenas de Na que transmiten calor hacia el pie, mejorando la refrigeración. Las válvulas de escape en los grandes motores diesel pueden ser refrigeradas mediante una corriente líquida forzada.
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BALANCINES

Es una palanca que permite amplificar el levantamiento determinado por la leva en función de la relación de sus brazos.  Valores del 150% son comunes. Conseguir levantamientos de la válvula importantes con levas de altura trae una serie de ventajas, como la reducción de los efectos dinámicos y las velocidades de deslizamiento. 

     Los balancines de 2 brazos van montados sobre un eje común descentrado que les permite girar. Los de un brazo son independientes y pueden pivotar respecto un extremo. Tanto los de un tipo como los de otro deben llevar algún dispositivo que permita regular la holgura total del conjunto, a no ser que el motor use empujadores hidráulicos. El sistema más usado es el de tornillo y contratuerca.

    Los balancines se suelen fabricar por estampación. La zona que actúa sobre la válvula (martillo) y la zona de contacto con el árbol de levas se ven sometidas a deslizamiento combinado con altas presiones de contacto por lo que necesitan superficies perfectamente mecanizadas y endurecidas para disminuir la posibilidad de gripajes y desgastes prematuros. Ahora se tiende a incorporar insertos de materiales sinterizados, mucho más resistentes al desgaste que los aceros ordinarios.
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VARILLAS

Se usa en motores OHV. Tienen por objeto transmitir el movimiento de los empujadores al balancín. Se pueden hacer de acero macizo con extremos tallados térmicamente (c) o tubular de aleación de Al con extremos postizos de acero endurecido (a, b).

El sistema tornillo-tuerca-contratuerca ajusta la holgura que tiene la distribución

     La esbeltez hace que las varillas sean uno de los elementos más flexibles de la distribución. Para minimizar esto, hay que tratar de reducir la sección al máximo, y también la masa. Las de tipo tubular a pesar de ser menos resitentes, su masa provoca menores esfuerzos
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EMPUJADORES O TAQUÉS

Están en contacto con las levas y convierten su rotación en traslación, transmitiéndolo al siguiente componente de la distribución (varilla, balancín o válvula). Pueden tener distintas formas constructivas dependiendo de su ubicación y el espacio disponible, las más comunes son las de tipo "seta" o "vaso". La superficie de contacto del taqué con la leva es esférica para evitar desgastes locales por defectos de fabricación.

     El eje longitudinal del empujador suele estar en contacto desplazado respecto del eje de simetría de la leva. Por eso, durante el funcionamiento se produce una rotación del empujador que asegura un desgaste uniforme de las superficies de contacto.

     Los taqués se suelen hacer de acero con las zonas de contacto y deslizamiento cementadas o de fundición gris, aleada o no, con zonas de contacto y deslizamiento templadas o de fundición blanca. En casos especiales se puede recurrir al uso de materiales especiales soldados para las zonas más cargadas, o la incorporación de un rodillo seguidor. El material tiene que ser elegido en función del material de las levas.
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ÁRBOL DE LEVAS

Las levas son los elementos mecánicos que regulan la apertura y cierre de las válvulas. Se dividen en 2 partes: una circular (círculo base) y otra lobulada (perfil activo). Cuando contacta con el siguiente elemento de la cadena cinemática, el empujador, por la zona del círculo base no transmite movimiento. Cuando actúa el perfil activo, transmite movimiento hacia la válvula causando su apertura o cierre.

     Para que la apertura y el cierre se haga en el momento oportuno hay que sincronizar el movimiento de las levas y el cigueñal. El árbol cuenta con 2 levas por cada cilindro, una controla la admisión y la otra el escape. Según la disposición de las válvulas puede hacerse necesario el uso de 2 árboles por fila de cilindros. El árbol suele incorporar el accionamiento de la bomba de aceite y del distribuidor en los MEP. Alternado entre las levas, están los apoyos, que convenientemente lubricados, permiten transmitir las reacciones a la culata o al bloque. Para el árbol en bloque, el radio de los apoyos tiene que ser mayor a de la cresta de la leva para que ésta pueda pasar por los alojamientos en el proceso de montaje.

     Las levas se suelen forjar o se funden junto con el eje. El eje debe tener gran rígidez y resistencia para absorber los esfuerzos flectores y de torsión, y también las vibraciones de funcionamiento. El material usado para árboles fundidos suele ser fundición gris por costar poco y resistir muy bien el desgaste. La periferia de las levas y apoyos debe recibir tratamiento térmico o de cementado para aumentar la resistencia al desgaste, a veces se fabrican con una capa de fundición blanca.
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DISPOSICIÓN DE LAS VÁLVULAS

Según la forma de la cámara de combustión y el tipo de motor, las válvulas se ponen paralelas al eje del motor pero con distintas configuraciones:

• En una sola fila, con o sin inclinación vertical.
• En dos filas, con o sin inclinación vertical. Esta disposición suele ir combinada con el uso de dos árboles de levas en cabeza.

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TIPO DE ACCIONAMIENTO

Es un conjunto de mecanismos que transmiten el movimento desde el cigueñal hasta el árbol de levas y a la bomba de inyección en los MEC o al distribuidor en los MEP. La relación de transmisión de este accionamiento es 1/2, porque el movimiento de las válvulas , la inyección de combustible en los motores diesel o el salto de la chispa en los de gasolina tiene lugar una vez por ciclo, es decir, cada 2 vueltas de cigueñal. El accionamiento puede ser por:

• Correa: correa dentada de neopreno, reforzada por cables de poliéster interiormente y con un recubrimiento nylon que reduce la fricción e incrementa la resistencia al desgaste. Tiene una aplicación similar a la cadena. No necesita lubricación y es un mecanismo más silencioso, pero capaz de transmitir menos potencia. No hace falta que esté dentro del motor porque no está lubricada.
• Cadena: se suele usar cuando el árbol de levas está en la zona más alta de la culata o el bloque. Son más silenciosas que los engranajes. La precisión en la distancia entre los centros de los ejes no necesita ser tan alta como en el accionamiento por engranajes. Además, la cadena tiene un tensor que compensa el desgaste y la elongación que el conjunto adopta con el funcionamiento. Es normal el uso de cadenas de rodillos y cadenas dentadas, aunque estas últimas con menos frecuencia. Estas últimas son más silenciosas y se suelen usar con pequeñas distancias entre centros
• Engranajes: se usan cuando la distancia entre el cigueñal y el árbol es pequeña. Según aumenta esta distancia, aumenta la dificultad para conseguir la concentricidad de los engranajes y aumenta el ruido. Este sistema requiere reducir la tolerancia de mecanizado de la distancia entre ejes. El uso del dentado helicoidal reduce el ruido.

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DISPOSICIÓN ÁRBOL LEVAS

Se tiende a acercar el árbol de levas a las válvulas, esto permite reducir las masas en movimiento alternativo y aumentar su rigidez total. Las deformaciones elásticas que tienen lugar en cada ciclo originan vibraciones que perturban el normal funcionamiento del sistema, desplazan el diagrama de distribución y pueden originar la desconexión cinemática entre ellas. El aumento de la velocidad de giro aumenta estos problemas y obliga a aumentar la rigidez de los resortes y/o de todo el sistema en conjunto.

     Cuando los motores giran a altas velocidades es necesario el árbol de levas en OHC, reduciendo el número de componentes intermedios, aumentando así la rigidez del sistema y disminuyendo la masa.

     Las configuraciones más normales:

• Árbol de levas en culata (OHC) que actúa sobre la válvula a través de un empujador (a).
• Árbol de levas en culata (OHC), actúa sobre el balancín que mueve la válvula (b, c).
• Árbol de levas en culata (OHC), actúa mediante un empujador sobre el balancín que mueve la válvula (d).
• Árbol de levas en bloque (OHV), igual al anterior, pero el empujador actúa cobre el balancín a través de una varilla.

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MOTORES MULTIVÁLVULA

Vamos a comprobar una serie de parámetros a partir de los que veremos la conveniencia de usar este tipo de motores.

• Área de paso de la o las válvulas Ap, está relacionada con el rendimiento volumétrico del motor.
• Área transversal Av, relacionada con la masa o inercia de la distribución.
• Área de contacto con el asietno de la o las válvulas Ac, relacionado con la transmisión de calor.
• Velocidad de la distribución cd, relacionada con problemas de inercia de la distribución.

 
     El uso de válvulas de múltiples tiene una serie de ventajas.

• Aumenta Ap, mejorando la renovación de la carga. En el caso "b" no ocurre lo mismo debido al mal aprovechamiento de la culata.
• Disminuye la cd, y con ella los esfuerzos de inercia.
• Aumenta Ac, mejorando la refrigeración.
• Disminuye Av, y por tanto la inercia de la distribución.
• La bujía o el inyector podrán estar centrados.
• Los distintos conductos de admisión pueden generar distinto grado de turbulencia, así que controlando con una válvula de mariposa el flujo que circula por alguno de ellos, se puede modificar la turbulencia en función de las condiciones de funcionamiento.

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PARTES DISTRIBUCIÓN

     ÁRBOL DE LEVAS
     EMPUJADORES O TAQUÉS
     VARILLAS
     BALANCINES
     VÁLVULAS
     TAPA DE MUELLES Y SEMICONOS
     ASIENTOS DE LA VÁLVULA
     GUÍA DE LA VÁLVULA
     MUELLES

   

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DISEÑO DISTRIBUCIÓN

El diseño de la distribución condiciona aspectos como la máxima velocidad de giro, el rendimiento volumétrico, el tamaño, peso, sonoridad... Depende de:

• La disposición del árbol de levas (en bloque "OHV" o en culata "OHC").
• El tipo de accionamiento.
• Número y disposición de las válvulas.

     DISPOSICIÓN DEL ÁRBOL DE LEVAS

     TIPO DE ACCIONAMIENTO

     DISPOSICIÓN DE LAS VÁLVULAS

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FORMA

Pueden clasificarse según la forma y los esfuerzos que soportan:

• Axiales: la componente principal del esfuerzo a soportar tiene la dirección del eje. Tienen forma de corona circular si sin enterizos y de semicorona si son partidos.
• Radiales: la componente principal del esfuerzo a soportar es perpendicular al eje. Son cilíndricos si son enterizos (árbol de levas) o de semicilindros si son partidos (bancada).

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MATERIALES

El soporte o tejuelo es de acero suave. Para el material antifricción hay varias opciones:

• Metal blanco: aleaciones a base de Pb, Sn y Cu. Tienen muy buenas características para trabajar como cojinete, pero muy poca capacidad de carga.
• Cupro-plomo: no son aleaciones, son mezclas en las que el Cu forma una matriz porosa que aloja al Pb en sus intersticios. Se busca unir la resistencia mecánica del Cu con las propiedades antifricción del Pb. Esta mezcla tiene la pega de la tendencia al gripaje y la corrosión del Pb, por lo que se suele recubrir con una capa de metal blanco (capa de rodadura). La solución más común es bronce-plomo con altos porcentajes de Sn.
• Aleación de Al: tienen menor resistencia mecánica que los cupro-plomo, pero no necesitan la incorporación de metal blanco (bimetálicos). Son comunes las aleaciones Al-Sn o Al-Si, pero esta última necesita recubrimiento con metal blanco.

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PARTES

• Soporte o tejuelo: parte estructural de la pieza que soporta el material antifricción.
• Material antifricción: se coloca sobre el tejuelo por fusión o sinterizado, y al estar en contacto con el eje, confiere las propiedades características al cojinete. Está formado por una o varias capas de materiales (cojinetes bimetálicos o trimetálicos). La unión de las capas se hace mediante una microcapa de Ni que aumenta la adherencia y evita la difusión del Sn de la capa de rodadura.

     La menor resistencia a fatiga y la posibilidad de rotura repentina de los rodamientos hace que su uso en los MCIA esté restringido a aplicaciones que carecen de engrase a presión.
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PROPIEDADES

• Resistencia mecánica estática y a fatiga.
• Deformabilidad para adaptarse a la forma del eje.
• Embebilidad para embeber pequeñas partículas de polvo o virutas que puedan dañar al cigueñal.
• Compatibilidad para dificultar la formación de soldadura con los ejes.
• Resistencia a la corrosión para soportar los contaminantes químicos del aceite.
• Resistencia a la alta temperatura.
• Alta conductividad térmica para evacuar el calor generado por la fricción viscosa y evitar así su calentamiento.

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FABRICACIÓN

Actualmente se pueden obtener por fundición, y hay que tener presente aspectos como:

• Proceso de fabricación: por forja en frío y/o caliente, permite obtener las mejores propiedades mecánicas (más difícil que se puedan propagar las fisuras) pero cuestan más. La forja es sencilla para motores de 2 o 4 cilindros, pero se complica cuanto mayor sea el número por estar los codos sobre el mismo plano. Para cigueñales no muy cargados o de geometría compleja, la fundición resulta más económica y versátil. Tanto en forja como en fundición, las muñequillas y los apoyos son mecanizados y tratados.
• Materiales: para los forjados se usan aceros aleados con Cr-Mo, Cr-Mn o CR-Ni-Mo; para los fundidos fundición de grafito esferoidal.
• Tratamientos: temple por inducción o nitruración. Después del temple hay que hacer un rectificado de la superficie y después de la nitruración un pulido.
• Realización de los radios de acuerdo: entre las muñequillas o los apoyos, muy importantes en la resistencia mecánica  a fatiga. La dureza y acabado superficial de estos radios tendrán que ser adecuados. Pueden fabricarse por rectificado o rulinado. El rulinado es un proceso de conformación por deformación en frío (forja), donde unos rodillos con forma (rulinas) consiguen un acabado superficial de calidad.

• Número de apoyos: MEP de altas prestaciones y MEC n+1 apoyos, siendo n el número de muñequillas, es decir, llevan un apoyo intercalado entre cada dos muñequilla. Los MEP suelen llevar n/2 + 1 apoyos, es decir, el apoyo  va intercalado entre cada dos parejas de muñequillas. La relación entre número de apoyos y muñequillas depende de la carga mecánica transmitida por las bielas al cigueñal. Los motores diesel, cuya presión de combustión es mayor, usan mayor número de apoyos.

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