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ÁRBOL DE LEVAS - Definición - Significado

20/08/2010

El árbol de levas o eje de levas es el órgano del motor que regula el movimiento de las válvulas de admisión y de escape. En la práctica, se trata de un árbol dotado de movimiento rotativo, sobre el cual se encuentran las levas o excéntricas, que provocan un movimiento oscilatorio del elemento causante de la distribución. El elemento que provoca la distribución, cuando está sujeto a un movimiento rectilíneo de traslación recibe el nombre de empujador, centrado o desviado según que su eje encuentre o no al eje de rotación de la leva. Cuando al mismo tiempo cumple un movimiento oscilante de rotación alrededor de un perno toma el nombre de balancín. El árbol de levas manda las válvulas en la apertura y las guía en el cierre, en el sentido de que el asentamiento se obtiene mediante la acción de muelles que tienden a mantener las válvulas cerradas, por lo que cada válvula se cierra según la ley impuesta por el perfil de la leva, pero por acción del muelle. Los casos de regulación desmodrómica, en los que el movimiento de la válvula está regulado por excéntricas en la apertura y en el cierre al objeto de evitar fatigas de los muelles, son muy raros, además de costosos y complejos.

Las posibles disposiciones en cuanto a los sistemas de regulación del árbol de levas son diversas en función de la constitución del motor y de sus prestaciones. Sobre los primeros vehículos el árbol de levas estaba dispuesto lateralmente y sólo mandaba las válvulas de escape. Las válvulas de admisión eran automáticas y se abrían por depresión. Posteriormente (ej.: en el Fiat 24 HP de 1903) fue introducido un segundo árbol de levas en el bloque para regular también las válvulas de admisión. Las válvulas fueron siempre laterales y accionadas por un empujador.
Con la solución del árbol de levas en el bloque, sencillo o doble, la lubricación fue simplificada y el mando del árbol quedó resuelto con un sencillo engranaje. No obstante, las válvulas laterales no permitían relaciones de compresión elevadas ni buenos rendimientos volumétricos. Esto obligó a los constructores a adoptar, en gran escala, después de 1910, los balancines y a colocar las válvulas en cabeza. Sin embargo, con esta solución el peso de los empujadores, las varillas y los balancines era notable. Por otra parte, el árbol de levas en cabeza había sido incorporado ya en 1903 a un motor de automóvil del inglés Mandslay y fue adoptado en serie por la Isot-ta Fraschini en 1905 sobre el modelo D 100 HP.

 

Más tarde, las ventajas derivadas de la disposición en V de las válvulas -forma de la cámara de combustión y escape colocado en oposición respecto a la de admisión- llevaron a la introducción del doble árbol de levas en cabeza. Los primeros ejemplos de esta solución se remontan a 1912, naturalmente sobre un vehículo deportivo, el Peugeot Grand Prix de 7,6 1. La posición de las válvulas inclinadas o de las válvulas de escape dispuestas a un lado y las de admisión al otro, pudo ser realizada también con un sólo árbol de levas colocado en cabeza o en el bloque como en el Fiat 200 HP construido para el desaño con la Napier en 1908, el Fiat 14B de 1914 o el Austro Daimler Prinz Heinrich, construido en 1914.

Desde la primera guerra mundial a nuestros días la posición del árbol de levas no ha experimentado más modificaciones. Los sistemas adoptados han permanecido substancial-mente invariables, prefiriéndose la solución lateral, en el bloque, por motivos de simplicidad constructiva en los vehículos utilitarios y medianos, mientras que en los vehículos de mayor categoría y en los deportivos se adoptó el árbol de levas en cabeza, sencillo o doble. Las ventajas del doble árbol de levas en cabeza son la eliminación de elementos como las varillas susceptibles de flexión, la reducción de las fuerzas de inercia en la distribución, debidas a las masas de movimiento alterno, y la posibilidad de colocar de un modo más conveniente las válvulas, incluso con cámaras de combustión compactas.

Las desventajas eran de naturaleza constructiva y se referían a costes de fabricación más elevados por la mayor complicación de la culata, la dificultad de lubricación de todos los elementos y cierta complicación en las operaciones de montaje y manutención. Sin embargo, muchos de estos problemas han sido resueltos brillantemente con la introducción del mando por correa dentada después de 1965; en particular, la Alfa Romeo y la Fiat han hecho posible también, en los vehículos de clase media, la distribución con doble árbol de levas en cabeza. Otros constructores, como la Renault, han preferido seguir con el árbol colocado lateralmente en el bloque, en algunos casos desplazado a la parte más alta, a fin de reducir la longitud de las varillas de mando de los balancines.

Al árbol de levas se le exige una rigidez elevada, ya que está sometido a altas cargas de flexión y torsión; sin embargo, se intenta reducir al mínimo el número de soportes para disminuir las pérdidas debidas a las fricciones. En el caso del árbol dispuesto en el bloque, normalmente de fundición, los alojamientos para el árbol están protegidos por cojinetes de bronce provistos de acanaladuras de lubricación. En el caso de árboles en cabeza, si la culata es de aleación ligera, los soportes pueden estar alojados en la culata o unidos a ésta mediante espárragos. Por lo regular, en ambos casos no existen cojinetes y el árbol gira directamente en su alojamiento, que es lubricado mediante ranuras apropiadas o por inmersión y barboteo.

A menudo, sobre los árboles de levas se acoplan los engranajes para el mando de la bomba de aceite y el distribuidor de gasolina de tipo mecánico. El material usado para los árboles de levas ha de ser tal que resista el notable roce debido al frotamiento contra los balancines. En general, para motores de grandes series, se utilizan fundiciones esferoidales o nodulares templadas, que alcanzan una dureza notable y conservan un coeficiente de rozamiento muy bajo, resultando el costo de la fusión muy pequeño. Para motores de mayores prestaciones, los materiales usados son aceros de cementación, cementados y templados hasta durezas de 60-62 HRC; en general se parte de una pieza estampada.

En el proyecto del árbol de levas la fase más delicada la representa el diseño de la excéntrica. En realidad, el perfil de ésta determina el movimiento de apertura de las válvulas, el tiempo de apertura (diagrama de la distribución) y la elevación de la válvula. El perfil de la leva o excéntrica normalmente es distinto para las válvulas de admisión y de escape, puesto que también son distintas las leyes que deben seguir una y otra. Aquél se divide en tres partes:
- un trazo circular que se define como zona de reposo, que corresponde al cierre de la válvula;
- un trazo circular de radio más pequeño que corresponde a la zona de máxima apertura;
- dos trazos rectilíneos o curvos tangentes a los dos círculos que corresponden respectivamente a la elevación y al descensu de la válvula.

En realidad, la zona de reposo está disminuida en un cierto valor para permitir la dilatación del vastago de la válvula y dejar un cierto juego de funcionamiento entre la válvula y el empujador. El trazo circular rebajado se enlaza, por tanto, con los flancos de la leva por medio de rampas de acercamiento, de manera que se reduzca al mínimo el choque entre la excéntrica y el empujador, asegurando un funcionamiento silencioso. La regulación del juego del empujador se efectúa actuando sobre el tornillo de registro o sobre los valores de los espesores en el caso del árbol en cabeza.
En los motores de cuatro tiempos el árbol de levas gira un número de veces que es la mitad de las vueltas que da el cigüeñal. La válvula, de hecho, debe iniciar y completar su movimiento de apertura y cierre (un giro de la excéntrica) durante un ciclo de funcionamiento (cuatro fases equivalentes a dos vueltas) del motor.

La posición de cada leva respecto a las otras está determinada por la necesidad de obtener la apertura de cada válvula cuando el pistón correspondiente se encuentra en una posición idéntica, y esto se consigue fácilmente conociendo el orden de encendido y el número de los cilindros. Por ejemplo, en un motor de cuatro cilindros, de cuatro tiempos, el ángulo entre las levas de los cilindros con explosiones sucesivas es de 90°, mientras que en un modelo de seis cilindros es de 60°. Estos ángulos son fijados durante la construcción del árbol de levas y, por tanto, no pueden sufrir variaciones posteriores.

La posición del árbol de levas respecto al cigüeñal (y por ello respecto a los pistones) queda determinada en el momento del montaje con la puesta a punto de la distribución, o sea con el acoplamiento entre el árbol de levas y el cigüeñal. Tal acoplamiento se efectúa mediante las señales de referencia indicadas por el constructor. En los motores antiguos, la posición del árbol de levas era fija, pero a finales de los ochenta y principios de los noventa comenzaron a aparecer vehículos dotados de lo que se vino en llamar distribución variable. Entre las posibilidades de la distribución variable se encontraba la de variar unos grados la incidencia del árbol de levas sobre las válvulas, afectando de manera más habitual a los árboles de levas de admisión aunque, posteriormente, pasó también a los de escape. En las distribuciones variables más complicadas se varían también el momento y la apertura de las válvulas mediante otros sistemas acoplados al propio árbol o, en el caso del particular Multiair de Alfa, tanto el árbol de levas como las levas mismas son sustituidas por un sistema de aire comprimido.

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