Cárter del túnel

Un cárter de túnel , cigüeñal de túnel o cigüeñal con nervaduras de disco ^{[ 1 ]} es una característica de diseño de un motor de pistón donde los cojinetes principales que soportan el cigüeñal dentro del cárter forman el diámetro mayor de cualquier parte del cigüeñal y son más grandes que las nervaduras. Esto requiere un cárter con un túnel grande en lugar de soportes de nervaduras transversales para cojinetes principales más estrechos, de ahí su nombre.

Los cárteres de túnel aparecieron en la década de 1930 con los primeros motores diésel de alta velocidad. Algunos fabricantes los prefirieron más que otros, especialmente Saurer en Suiza ^{[ 2 ]} y Maybach-Motorenbau GmbH (ahora MTU ) Friedrichshafen . Se los describe como «cárteres de túnel» y « cigüeñales con cojinetes de rodillos » ^{[ 2 ]} ; ambos aspectos están relacionados y no está claro cuál dio origen al otro.

Con el desarrollo del motor diésel de alta velocidad alrededor de 1930, se dispuso de potentes motores diésel en tamaños que antes se utilizaban para motores de gasolina de menor potencia. En particular, su alta presión media efectiva (BMEP) y su elevado par motor generaban grandes fuerzas sobre los cojinetes del cigüeñal. Estas fuerzas eran mayores de las que podían soportar los pequeños cojinetes de metal blanco utilizados en los motores de gasolina. Si bien los motores de aviones y automóviles deportivos de la década de 1920 desarrollaron una potencia considerable en un espacio reducido, requerían un mantenimiento constante y revisiones periódicas. Los nuevos motores diésel estaban diseñados para un servicio comercial prolongado, donde el mantenimiento era un coste clave que debía reducirse.

La necesidad de mejorar la tecnología de los rodamientos llevó a la adopción de rodamientos de rodillos en lugar de los de metal blanco. Aunque hoy en día puedan considerarse algo esotéricos, los rodamientos de bolas y rodillos para cigüeñales ya se utilizaban en la década de 1920 en motores tan comunes como el Austin 7 .

Los rodamientos de rodillos requieren pistas de rodadura de una sola pieza tanto para la pista interior como para la exterior. Si bien es posible utilizar pistas de rodadura divididas, estas son costosas y difíciles de instalar. ^{[ nota 1 ]} Un método más sencillo para instalar rodamientos de rodillos consiste en aumentar el diámetro del rodamiento, de modo que sea mayor que el diámetro total del cigüeñal. El montaje se realiza colocando la pista exterior del rodamiento sobre el cigüeñal axialmente desde un extremo, en lugar de ensamblar dos piezas radialmente.

Un desarrollo inicial fue el cigüeñal semitúnel. Este utilizaba rodamientos de bolas o rodillos de gran tamaño, de tipo túnel, para sus cojinetes centrales, mientras que los cojinetes de los extremos (que soportaban la carga de los pistones en un solo lado) conservaban un cojinete de diámetro reducido de estilo convencional. Esto redujo el costo de los cojinetes y también su velocidad lineal. Esto era importante, ya que también reducía la velocidad de los retenes de aceite del cárter.

En Europa central, concretamente en Alemania, Suiza y Checoslovaquia, se preferían los cigüeñales con cojinetes de rodillos, debido al desarrollo local y al predominio de los cojinetes de elementos rodantes , en contraste con la metalurgia mejorada que se estaba desarrollando para los materiales de cojinetes lisos en el mundo angloparlante.

Los primeros cigüeñales de túnel se construían con nervaduras atornilladas al lateral de los cojinetes principales, de forma similar a un cigüeñal convencional, solo que de mayor tamaño (véase la ilustración de la sección transversal del motor Saurer). John Fowler & Co. también fabricó algunos de estos en Inglaterra. ^{[ 16 ]}

Un desarrollo posterior consistió en agrandar los cojinetes principales lo suficiente como para que fueran más grandes que toda la biela. Esto permitió el uso de un cigüeñal de una sola pieza.

Un cigüeñal de tipo túnel se considera de este tipo si el diámetro exterior sobre la pista exterior de los cojinetes instalados es mayor que el tamaño máximo de las nervaduras. Los motores antiguos o más pequeños pueden haber tenido cigüeñales con muñones de cojinete ^{[ nota 2 ]} más pequeños que esto, pero aun así se consideraban como tales porque eran más grandes cuando se instalaron los cojinetes.

Para evitar que el cigüeñal pasara completamente a través de los cojinetes, los diámetros de estos solían ser escalonados en tamaño, en una progresión cónica. Ahora, cada cojinete solo necesitaba deslizarse a lo largo de su propio ancho, siendo lo suficientemente pequeño como para pasar fácilmente a través de cualquier alojamiento anterior. Esto significaba que el cigüeñal solo podía insertarse desde un extremo del cárter. ^{[ 15 ]}

Diámetro del cojinete

Los cojinetes de mayor tamaño pueden soportar las cargas de estos motores de mayor potencia.

Uso de rodamientos de rodillos

Estos motores pueden soportar las mayores fuerzas y velocidades de los nuevos motores de alta velocidad.

Asamblea

El cigüeñal se puede insertar en un cárter ensamblado, en lugar de ensamblar las tapas de los cojinetes a su alrededor. Esto generalmente se hace girando el extremo del cárter hacia arriba y luego bajando el cigüeñal verticalmente dentro de él. ^{[ 15 ]}

Esta era una característica destacada de algunos motores Maybach de la década de 1960, utilizados en locomotoras diésel.

Longitud reducida del cigüeñal

La longitud que antes se requería para un grupo (tela + apoyo + tela) ahora se reemplaza por una única longitud de apoyo, que también actúa como ambas telas.

Dado que esta menor longitud del cigüeñal también reduce la distancia entre cilindros, fue un factor que impulsó el uso de cigüeñales de túnel en motores en V , donde hay mayor distancia axial disponible entre cilindros adyacentes. Esto reduce aún más la longitud total de los motores con cigüeñal de túnel.

Mayor rigidez del cigüeñal

El cigüeñal, especialmente a lo largo de las nervaduras, se ensancha y, por lo tanto, se vuelve más rígido.

Mayor velocidad de rodamientos lineales

Por geometría simple, a medida que aumenta el diámetro del cojinete, también lo hace la velocidad lineal en su superficie. Esta supera la que se puede lograr con cojinetes de metal blanco. Por lo tanto, los cojinetes de rodillos no solo fueron una de las razones para el aumento del diámetro del cigüeñal del túnel, sino que este los hizo necesarios.

Fabricación de cigüeñales

El diámetro y la masa del cigüeñal aumentan, de modo que ya no cabe en las rectificadoras de cigüeñales estándar y puede requerir maquinaria especializada para su fabricación. Sin embargo, la menor longitud del cigüeñal puede permitir la construcción de motores grandes con maquinaria más compacta.

Inercia del cigüeñal

Las nervaduras ampliadas tienen mayor masa y, por lo tanto, mayor inercia rotacional , especialmente porque ubican esta masa en el radio más alejado del eje del cigüeñal. Esto da como resultado un motor que acelera más lentamente, aunque también significa que mantiene una velocidad constante con mayor facilidad bajo una carga que varía rápidamente.

Por este motivo, el cigüeñal de túnel es más adecuado para motores que funcionan durante largos periodos a velocidad constante, como los grupos electrógenos, las locomotoras de ferrocarril y los barcos. No se utiliza en automóviles, donde se requiere una aceleración y desaceleración rápidas.

Rigidez del cárter

La gran cantidad de material que se retira del cárter para crear el túnel no deja tanto espacio para las nervaduras de refuerzo transversales al cárter, por lo que la rigidez general del mismo puede ser menor.

Muchos motores de dos tiempos de compresión de cárter pequeño tienen un cigüeñal con grandes nervaduras circulares, ^{[ 17 ]} similares al cigüeñal de túnel. Sin embargo, estas nervaduras son simplemente nervaduras, no cojinetes, y sus cojinetes son de diámetro pequeño convencional junto a las nervaduras. Estas nervaduras ampliadas se utilizan para aumentar la relación de compresión del motor. Al llenar más el volumen "muerto" del cárter, aumenta la relación entre el volumen barrido del cilindro y el volumen restante del cárter. ^{[ 17 ]}

Algunos motores de dos tiempos multicilíndricos también utilizan compresión en el cárter, casi todos ellos motores fueraborda marinos . En estos motores, el volumen del cárter para cada cilindro debe mantenerse separado. Por lo tanto, las nervaduras son circulares, grandes y selladas con juntas de gas en su circunferencia exterior. ^{[ 18 ]} Nuevamente, no se consideran cigüeñales de túnel si las nervaduras solo llevan una junta, pero sí podrían serlo si la nervadura grande también forma el cojinete.

• Excéntrica , un método similar para bielas accionadas por el eje, especialmente en el mecanismo de distribución de válvulas de las locomotoras de vapor. El diámetro de la excéntrica se incrementa hasta que también supera el diámetro total de la biela.
• El cigüeñal con socavado es una técnica que consiste en acortar la longitud total de un cigüeñal mediante la superposición de los cojinetes.