En el complejo campo de la
ingenier¨ªa automotriz, los ¨¢rboles
de levas juegan un papel clave en la
funci¨®n y eficiencia del motor. "¿
cu¨¢l es el papel de los ¨¢rboles de
levas?" esta pregunta revela la
complejidad e innovaci¨®n detr¨¢s de
los motores de combusti¨®n interna.
Este componente es esencial para
controlar las v¨¢lvulas de entrada y
salida del motor y coordinar el
tiempo preciso necesario para un
rendimiento ¨®ptimo.
Al convertir el Movimiento de
rotaci¨®n en un movimiento lineal, el
¨¢rbol de levas garantiza que la
entrada y salida de combustible se
realice en el momento adecuado. Al
comprender la funci¨®n de los ¨¢rboles
de levas, se puede comprender en
profundidad la excelente ingenier¨ªa
que alimenta los veh¨ªculos en todo
el mundo.
El n¨²cleo de cada motor de combusti¨®n
interna es el ¨¢rbol de levas, y el papel
de este componente es crucial, pero a
menudo se subestima. Hay que reconocer
que este genio de la ingenier¨ªa afecta
directamente el rendimiento y la
eficiencia del motor.
La funci¨®n principal del ¨¢rbol de levas
es ajustar la apertura y cierre de la
v¨¢lvula de admisi¨®n y escape del motor.
Lo logra a trav¨¦s de una danza
sincronizada de rotaci¨®n y cronometraje.
A medida que el ¨¢rbol de levas gira,
cada convexo del ¨¢rbol de levas - una
protuberancia cuidadosamente diseñada -
interact¨²a con el elevador o empuje de
la v¨¢lvula para controlar con precisi¨®n
el tiempo y la duraci¨®n de la apertura
de la v¨¢lvula. Esta operaci¨®n coordinada
garantiza que el combustible pueda
entrar en la C¨¢mara de combusti¨®n en el
mejor momento posible y que los gases de
escape puedan ser expulsados, lo que
afecta directamente a la Potencia de
salida del motor y al ahorro de
combustible.
No se puede enfatizar demasiado el papel
del ¨¢rbol de levas en el motor de
combusti¨®n interna. Al especificar el
tiempo de apertura de la v¨¢lvula, juega
un papel clave en la respiraci¨®n del
motor. La eficiencia de este proceso
permite al veh¨ªculo deslizarse sin
esfuerzo por la carretera o rugir con
gran potencia.
La innovaci¨®n detr¨¢s del diseño de la
protuberancia de cada ¨¢rbol de levas y
la precisi¨®n de la rotaci¨®n del ¨¢rbol de
levas ponen de relieve la complejidad de
la ingenier¨ªa automotriz moderna. estos
componentes funcionan incansablemente y
no se ven, pero son la base para que el
motor utilice la energ¨ªa del
combustible.
Ahora que ya conoces las funciones de
los ¨¢rboles de levas, es importante
entender c¨®mo funcionan. empecemos con
lo b¨¢sico.
Conocimientos b¨¢sicos del ¨¢rbol de levas
El componente clave de cualquier ¨¢rbol
de levas es la C¨¢mara. Con la rotaci¨®n
del ¨¢rbol de levas, la C¨¢mara abre y
cierra la puerta de admisi¨®n y escape a
tiempo con el movimiento del pist¨®n. Los
hechos han demostrado que existe una
relaci¨®n directa entre la forma del
¨¢ngulo convexo de la C¨¢mara y la forma
en que el motor se comporta en
diferentes rangos de velocidad.
Para entender por qu¨¦ es as¨ª, Imag¨ªnese
que estamos operando el motor a una
velocidad extremadamente lenta de 10 o
20 vueltas por minuto (rpm), por lo que
los pistones tardan unos segundos en
completar un ciclo. En realidad no puede
funcionar un motor normal tan
lentamente, pero vamos a imaginar que
podemos. A esta baja velocidad,
esperamos que la forma del convexo de la
C¨¢mara sea la siguiente:
¡¤
cuando el pist¨®n comience a
moverse hacia abajo en la
carrera de admisi¨®n (conocida
como parada superior o tdc), la
v¨¢lvula de admisi¨®n se abrir¨¢.
La v¨¢lvula de admisi¨®n se
cerrar¨¢ cuando el pist¨®n toque
fondo.
¡¤
la v¨¢lvula de escape se abrir¨¢
cuando el pist¨®n toque la parte
inferior (conocida como parada
inferior o bdc) al final de la
carrera de combusti¨®n y se
cerrar¨¢ cuando el pist¨®n
complete la carrera de escape.
Esta configuraci¨®n es muy efectiva para
el motor siempre y cuando el motor
funcione a esta velocidad muy lenta.
¿Pero, ¿ qu¨¦ pasa si aumenta la
velocidad? Echemos un vistazo.
Cuando aumenta la velocidad, la
configuraci¨®n de 10 a 20 RPM del ¨¢rbol
de levas no funciona bien. Si el motor
funciona a una velocidad de 4.000 rpm,
las v¨¢lvulas se abren y cierran 2.000
veces por minuto, es decir, 33 veces por
segundo. A estas velocidades, el pist¨®n
se mueve muy r¨¢pido, por lo que la
mezcla aire / combustible que inunda el
cilindro tambi¨¦n se mueve muy r¨¢pido.
Cuando se abre la v¨¢lvula de admisi¨®n y
el pist¨®n comienza la carrera de
admisi¨®n, la mezcla aire / combustible
en el canal de admisi¨®n comienza a
acelerar hacia el cilindro. Cuando el
pist¨®n llega a la parte inferior de su
carrera de admisi¨®n, el aire /
combustible se est¨¢ moviendo a una
velocidad bastante alta. Si apagamos la
v¨¢lvula de admisi¨®n de aire, todo el
aire / combustible se detendr¨¢ y no
entrar¨¢ en el cilindro. Al dejar abierta
la v¨¢lvula de admisi¨®n por un tiempo, el
impulso del aire / combustible que se
mueve r¨¢pidamente contin¨²a obligando al
aire / combustible a entrar en el
cilindro cuando el pist¨®n comienza a
comprimir. Por lo tanto, cuanto m¨¢s
r¨¢pido sea el motor y m¨¢s r¨¢pido se
mueva el aire / combustible, m¨¢s tiempo
esperamos que la v¨¢lvula de admisi¨®n se
mantenga abierta.
Tambi¨¦n queremos que la v¨¢lvula se abra
m¨¢s ancha a una velocidad m¨¢s alta -
este par¨¢metro se llama elevaci¨®n de la
v¨¢lvula y est¨¢ determinado por el
contorno del convexo de la C¨¢mara.
La animaci¨®n de arriba muestra c¨®mo las
c¨¢maras convencionales y las c¨¢maras de
rendimiento tienen diferentes horarios
de v¨¢lvulas. Tenga en cuenta que el
ciclo de escape (c¨ªrculo rojo) y
admisi¨®n (c¨ªrculo azul) se superponen
m¨¢s en la C¨¢mara de rendimiento. Por lo
tanto, los coches equipados con esta
c¨¢mara tienden a funcionar muy ¨¢speros
al ralent¨ª.
Cualquier ¨¢rbol de levas dado solo es
perfecto a una velocidad del motor. A
otros reg¨ªmenes del motor, el motor no
podr¨¢ aprovechar todo su potencial. Por
lo tanto, fijar el ¨¢rbol de levas
siempre es un compromiso. Es por eso que
los fabricantes de autom¨®viles han
desarrollado soluciones para cambiar el
perfil de la c¨¢mara a medida que cambia
el r¨¦gimen del motor.
Los ¨¢rboles de levas en el motor est¨¢n
dispuestos de varias maneras diferentes.
Discutiremos algunos de los m¨¢s comunes.
Es posible que hayas o¨ªdo hablar de este
t¨¦rmino:
¡¤
c¨¢mara superior ¨²nica (sohc)
¡¤
C¨¢mara de doble techo (dohc)
¡¤
putt
En la siguiente secci¨®n, presentaremos
estas configuraciones una por una.
Esta disposici¨®n indica un motor con una
c¨¢mara por cabeza de cilindro. Por lo
tanto, si se trata de un motor de 4
cilindros en l¨ªnea o 6 cilindros en
l¨ªnea, tendr¨¢ una c¨¢mara; Si es V - 6 O
V - 8, tendr¨¢ dos c¨¢maras (una por
cabeza).
La C¨¢mara impulsa el brazo oscilante, el
brazo oscilante presiona la v¨¢lvula
hacia abajo y abre la v¨¢lvula. El
resorte devuelve la v¨¢lvula a la
posici¨®n cerrada. Estos resortes deben
ser muy robustos, ya que cuando el motor
funciona a alta velocidad, las v¨¢lvulas
se empujan r¨¢pidamente hacia abajo, y es
el resorte el que mantiene las v¨¢lvulas
en contacto con el brazo oscilante. Si
el resorte no es lo suficientemente
fuerte, la v¨¢lvula puede desprenderse
del brazo oscilante y rebotar. Esta es
una situaci¨®n insatisfactoria que puede
causar un desgaste adicional de la
C¨¢mara y el brazo oscilante.
NewCams
¡¤ CamShaft
En los motores de c¨¢mara superior ¨²nica
y doble, la C¨¢mara es impulsada por el
cig¨¹eñal a trav¨¦s de un cintur¨®n o
cadena llamado cintur¨®n de tiempo o
cadena de tiempo. Estos cinturones y
cadenas deben cambiarse o ajustarse
regularmente. Si el cintur¨®n de tiempo
se rompe, la C¨¢mara dejar¨¢ de girar y el
pist¨®n puede golpear la v¨¢lvula abierta.
C¨¢mara de doble techo
NewCams
¡¤ CamShaft
El motor de C¨¢mara de doble techo tiene
dos c¨¢maras en cada extremo. As¨ª que el
motor en l¨ªnea tiene dos c¨¢maras y el
motor en V tiene cuatro. Por lo general,
las c¨¢maras de doble techo se utilizan
en motores con cuatro o m¨¢s v¨¢lvulas por
cilindro - un solo ¨¢rbol de levas
simplemente no puede instalar
suficientes convexidades de levas para
conducir todas estas v¨¢lvulas.
La raz¨®n principal para el uso de
c¨¢maras de doble techo es permitir m¨¢s
v¨¢lvulas de entrada y salida. M¨¢s
v¨¢lvulas significan que la entrada y
salida de aire pueden fluir m¨¢s
libremente, ya que hay m¨¢s aperturas
para que pasen. Esto aumenta la Potencia
del motor.
La configuraci¨®n final que se presentar¨¢
en este art¨ªculo es el motor de empuje.
Motor de empuje
Al igual que los motores sohc y dohc,
las v¨¢lvulas en el motor de empuje se
encuentran por encima de la cabeza del
cilindro. La diferencia clave es que el
¨¢rbol de levas en el motor de la barra
de empuje se encuentra en el cuerpo del
cilindro del motor, no en la cabeza del
cilindro.
La C¨¢mara impulsa las barras largas, que
pasan por el bloque y entran en la
cabeza para mover el joystick. Estas
largas barras aumentan la masa del
sistema, lo que aumenta la carga del
resorte de la v¨¢lvula. Esto puede
limitar la velocidad del motor del
putter; El ¨¢rbol de levas superior
elimina la barra de empuje en el sistema
y es una de las tecnolog¨ªas del motor
que hacen posible una mayor velocidad
del motor.
Motor de empuje
Los ¨¢rboles de levas en los motores de
empuje suelen ser impulsados por
engranajes o cadenas cortas. La
transmisi¨®n de engranajes suele ser
menos f¨¢cil de romper que la transmisi¨®n
de cintur¨®n, que suele aparecer en los
motores de c¨¢mara superior.
Una de las grandes cosas en el diseño
del sistema de ¨¢rboles de levas es
cambiar el tiempo de cada v¨¢lvula.
Discutiremos la cronolog¨ªa de las
v¨¢lvulas en la siguiente secci¨®n.
Los fabricantes de autom¨®viles tienen
varias formas novedosas de cambiar el
tiempo de las v¨¢lvulas. Un sistema
utilizado en algunos motores honda se
llama VTEC
VTEC (control electr¨®nico de regulaci¨®n
y elevaci¨®n de v¨¢lvulas variables) es un
sistema electr¨®nico y mec¨¢nico en
algunos motores honda que permite que el
motor tenga m¨²ltiples ¨¢rboles de levas.
El motor VTEC tiene una c¨¢mara de
admisi¨®n adicional que tiene su propio
joystick que le sigue. El contorno en
esta c¨¢mara mantiene la v¨¢lvula de
entrada abierta durante m¨¢s tiempo que
otros contornos de C¨¢mara. A baja
velocidad del motor, el joystick no est¨¢
conectado a ninguna v¨¢lvula. Cuando el
motor funciona a alta velocidad, el
pist¨®n bloquea el joystick adicional en
los dos joysticks que controlan las dos
v¨¢lvulas de admisi¨®n.
NewCams
¡¤ CamShaft
Algunos coches usan un dispositivo que
puede cronometrar las v¨¢lvulas con
antelaci¨®n. Esto no har¨¢ que la v¨¢lvula
se abra durante m¨¢s tiempo; En cambio,
los abre m¨¢s tarde y los cierra m¨¢s
tarde. Esto se logra girando el ¨¢rbol de
levas unos grados hacia adelante. Si la
v¨¢lvula de entrada se abre normalmente
10 grados antes del Centro muerto
superior (tdc) y se cierra 190 grados
despu¨¦s del tdc, la duraci¨®n total es de
200 grados. El tiempo de apertura y
cierre se puede cambiar utilizando un
mecanismo que gira un poco hacia
adelante cuando la C¨¢mara gira. Por lo
tanto, la v¨¢lvula puede abrirse a 10
grados despu¨¦s del TdC y cerrarse a 210
grados despu¨¦s del tdc. Est¨¢ bien cerrar
la v¨¢lvula a 20 grados, pero es mejor
poder aumentar la duraci¨®n de la
apertura de la v¨¢lvula de admisi¨®n.
Ferrari tiene una manera muy inteligente
de hacerlo. Los ¨¢rboles de levas de
algunos motores Ferrari se cortan en
contornos tridimensionales que var¨ªan a
lo largo de la longitud de las
convexidades de las levas. Un extremo
del convexo de la C¨¢mara es el contorno
de la C¨¢mara menos radical, y el otro
extremo es el m¨¢s radical. La forma de
la C¨¢mara fusiona suavemente los dos
contornos. Un mecanismo permite deslizar
lateralmente todo el ¨¢rbol de levas para
que la v¨¢lvula se acople a las
diferentes partes de la C¨¢mara. El eje
sigue girando como un ¨¢rbol de levas
ordinario, pero con el aumento de la
velocidad y la carga del motor, el
tiempo de la v¨¢lvula se puede optimizar
deslizando gradualmente el ¨¢rbol de
levas lateralmente.
Algunos fabricantes de motores est¨¢n
probando sistemas que permiten cambios
infinitos en el tiempo de las v¨¢lvulas.
Por ejemplo, suponiendo que haya una
v¨¢lvula solenoide en cada v¨¢lvula, se
puede utilizar el control inform¨¢tico en
lugar de depender del ¨¢rbol de levas
para abrir y cerrar la v¨¢lvula. Con este
tipo de sistema obtendr¨¢ el m¨¢ximo
rendimiento del motor por revoluci¨®n y
minuto a minuto. Algo que vale la pena
esperar en el futuro...
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