Biela

Los materiales utilizados para las bielas varían ampliamente, incluyendo acero al carbono , metal sinterizado a base de hierro , acero aleado y hierro fundido con grafito esferoidizado . ^{[ 16 ]} En los motores de automóviles de producción en masa, las bielas suelen ser de acero. Otros materiales posibles incluyen aleaciones de aluminio y titanio . En aplicaciones de alto rendimiento, se pueden utilizar bielas mecanizadas a partir de un bloque sólido de metal, en lugar de fundidas o forjadas.

Durante cada rotación del cigüeñal, una biela suele estar sometida a fuerzas grandes y repetitivas: fuerzas de corte debidas al ángulo entre el pistón y el muñón del cigüeñal, fuerzas de compresión a medida que el pistón se mueve hacia abajo y fuerzas de tracción a medida que el pistón se mueve hacia arriba. ^{[ 17 ]} Estas fuerzas son proporcionales al cuadrado de la velocidad del motor (RPM).

La rotura de una biela, a menudo denominada "salto de biela", suele provocar que la biela rota atraviese el lateral del cárter, dejando el motor irreparable. ^{[ 18 ]} Las causas comunes de rotura de la biela son la rotura por tracción debida a altas velocidades del motor, la fuerza de impacto cuando el pistón golpea una válvula (debido a un problema en el tren de válvulas), la rotura del cojinete de la biela (generalmente debido a un problema de lubricación) o la instalación incorrecta de la biela. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

La fuerza lateral que ejerce el cigüeñal sobre el pistón a través de la biela puede provocar que los cilindros se desgasten adquiriendo una forma ovalada. Esto reduce significativamente el rendimiento del motor, ya que los segmentos circulares del pistón no pueden sellar correctamente contra las paredes ovaladas del cilindro.

La fuerza lateral es proporcional al ángulo de la biela; por lo tanto, unas bielas más largas reducen dicha fuerza y ​​el desgaste del motor. Sin embargo, la longitud máxima de la biela está limitada por el tamaño del bloque del motor; la suma de la carrera y la longitud de la biela no debe provocar que el pistón sobrepase la parte superior del bloque.

Principio de funcionamiento de un motor radial

Bielas maestras y esclavas en el motor de avión Renault 8G V8 de 1916-1918.

Los motores radiales suelen utilizar bielas maestras y esclavas, donde un pistón (el superior en la animación) tiene una biela maestra conectada directamente al cigüeñal. Los pistones restantes fijan sus bielas a anillos que rodean el borde de la biela maestra.

Los motores multibanca con muchos cilindros, como los motores V12 , tienen poco espacio disponible para muchos muñones de biela en una longitud limitada del cigüeñal. La solución más simple, como la que 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 diferentes bancadas están ligeramente desplazados a lo largo del eje del cigüeñal (lo que crea un par de balanceo ). Otra solución es usar bielas maestras y esclavas, donde la biela maestra también incluye uno o más pasadores de anillo que están conectados a los extremos grandes de las bielas esclavas en otros cilindros. Una desventaja de las bielas maestras-esclavas es que las longitudes de carrera de todos los pistones esclavos que no están ubicados a 180° del pistón maestro siempre serán ligeramente más largas que la del pistón maestro, lo que aumenta la vibración en los motores en V.

Uno de los ejemplos más complejos de bielas maestras y esclavas es el motor experimental de avión Junkers Jumo 222 de 24 cilindros desarrollado para la Segunda Guerra Mundial. Este motor constaba de seis bancadas de cilindros, cada una con cuatro cilindros. Cada "capa" de seis cilindros utilizaba una biela maestra, mientras que los otros cinco cilindros utilizaban bielas esclavas. ^{[ 23 ]} Se construyeron aproximadamente 300 motores de prueba, pero el motor no llegó a producirse en serie.

Las bielas de horquilla y pala, también conocidas como «bielas de extremo grande dividido», se han utilizado en motores bicilíndricos en V de motocicletas y motores V12 de aeronaves. ^{[ 24 ]} Para cada par de cilindros, una biela de horquilla se divide en dos en el extremo grande y la biela de pala del cilindro opuesto se adelgaza para encajar en este hueco de la horquilla. Esta disposición elimina el par de balanceo que se produce cuando los pares de cilindros están desalineados a lo largo del cigüeñal.

Una disposición común para el cojinete de biela consiste en que la biela de la horquilla tenga un manguito de cojinete ancho que abarca todo el ancho de la biela, incluyendo el espacio central. La biela de la cuchilla se desliza entonces, no directamente sobre el muñón de la manivela, sino por la parte exterior de este manguito. Esto provoca que las dos bielas oscilen (en lugar de girar una respecto a la otra), lo que reduce las fuerzas sobre el cojinete y la velocidad superficial. Sin embargo, el movimiento del cojinete también se vuelve alternativo en lugar de rotatorio continuo, lo que supone un problema más complejo para la lubricación.

Entre los motores más destacados que utilizan bielas de horquilla y pala se incluyen el motor de avión Rolls-Royce Merlin V12, los motores diésel de dos tiempos EMD y varios motores bicilíndricos en V de motocicletas Harley Davidson .