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BIELA - Definición - Significado

El proyecto de una biela • Transformación del movimiento alternativo en rotativo • La longitud en relación con la carrera • Bielas de carreras • Los controles y elaboraciones sobre el material de construcción

La biela es la varilla, articulada por un extremo con el pistón y por el otro con la muñequilla del cigüeñal, que permite la transformación del movimiento alternativo en rotativo. La invención del mecanismo de biela-manivela, una de las más importantes en el campo de la mecánica, se remonta a la Edad Media y nació para transformar el movimiento rotativo de origen hidráulico, eólico o animal en el movimiento alternativo necesario para el accionamiento de las bombas hidráulicas de émbolo. Este principio lo utilizó luego Watt cuando, al obtener trabajo a partir de un fluido en expansión en un cilindro, tuvo el problema inverso de transformar el movimiento alternativo en rotativo. El nombre biela procede del francés bielle, de origen desconocido, llamándose en inglés connecting rod (abreviado en con-rod) y en alemán Pleuelstance.

Tipos de biela

A una única manivela pueden unirse una o más bielas, una al lado de otra; en el primer caso, se trata de motores en línea, mientras que en el segundo, de motores en V u opuestos.

El dimensionado y, como consecuencia, la forma de una biela depende de los siguientes parámetros:

- tipo de ciclo, de 2 o de 4 tiempos;

- sistema de lubricación, según sea mediante circuitos de aceite a presión o por mezcla;

- régimen de rotación;

- número y disposición de los cilindros;

- montaje y desmontaje de las diferentes partes que constituyen el motor y sus consiguientes uniones.

En los motores de 2 tiempos, si las explosiones tienen lugar regularmente, la biela se halla solicitada únicamente por compresión, ya que, incluso a regímenes de rotación elevados, las fuerzas de inercia que en torno al punto muerto superior solicitarían a la biela por tracción son inferiores a la fuerza resultante de la presión de los gases. Por tanto, la cabeza y el pie de biela se construyen delgados, y el cuerpo, resistente. Por el contrario, en los motores de 4 tiempos, también la estructura del pie y de la cabeza, cuando ésta se halla partida, debe ser resistente, ya que las fuerzas de inercia dominan durante 3 de las 4 carreras del pistón de cada ciclo (admisión, compresión y escape), mientras que únicamente durante la fase de expansión dominan las fuerzas de los gases que solicitan la biela por compresión.

La lubricación del motor con aceite a presión ha generalizado actualmente el empleo de cojinetes y casquillos lisos, preferibles por su menor costo, su menor peso y su silenciosidad. Los cojinetes de la cabeza de biela, normalmente partida, suelen estar formados por dos semi-cojinetes de vaina delgada de acero revestido con material de antifricción, de dimensiones tales que, al apretar el sombrerete sobre la biela, resulten fuertemente comprimidos según su circunferencia. No faltan ejemplos recientes (Citroen GS) en que los cojinetes de la cabeza de biela son casquillos enteros montados en la cabeza de biela, integral con el cuerpo de la misma. Esto, evidentemente, da lugar a un cigüeñal desmontable, cuyos diferentes elementos se unen la mayoría de las veces mediante apriete en caliente. En el caso de que se adopten rodamientos, se requieren preferiblemente pistas para los rodillos de una sola pieza y, por tanto, una biela integral. Sin embargo, no faltan, entre los motores más pequeños, ejemplos de bielas con rodamientos de rodillos y con sombrerete aparte; en este caso, el acoplamiento entre el sombrerete y la biela debe realizarse con una precisión extrema, por lo cual los motores de los automóviles quedan prácticamente excluidos de esta solución. Los rodamientos situados en las cabezas de biela gozaron antiguamente de cierta difusión en motores de 4 tiempos de elevadas prestaciones; en efecto, en comparación con los cojinetes de fricción disponibles, podían soportar cargas mayores y poseían una menor absorción de potencia por rozamiento, especialmente a regímenes medios y bajos.

Evolución experimentada por la sección de la cana oe la biela. Se pasa de las secciones circulares a las de forma de H de momento de inercia elevado. Los tres primeros tipos son característicos de las bielas forjadas, mientras que el último lo es de las bielas estampadas o fundidas.

Esta solución tan sólo se adopta en la actualidad en motores de motocicleta o derivados de éstos, como los bicilíndricos Honda 350 y 600; además de su mayor costo, el principal inconveniente que los caracteriza es su ruido, especialmente a regímenes de funcionamiento bajos. No obstante, los rodamientos se adoptan universal-mente para los motores lubricados por mezcla, es decir, en todos los motores de 2 tiempos, en los cuales es imposible una lubricación mediante circuito de aceite a presión.

Las dimensiones del cigüeñal y, como consecuencia, las de la biela dependen del régimen de rotación máximo del motor; cuanto más elevado sea éste, más difícil resultará limitar las velocidades periféricas y las solicitaciones en los ojos de las bielas, lo cual requeriría diámetros pequeños, mientras que la rigidez del cigüeñal requiere muñequillas de manivela y de apoyo lo mayores posible. El número de cilindros del motor y la longitud del cigüeñal aumentan, por otra parte, la necesidad de hacerlo rígido, requiriendo diámetros mayores para las muñequillas; esto comporta valores mayores de las velocidades periféricas en los cojinetes. Como se verá a continuación, el consiguiente aumento del producto de la presión específica por la velocidad de deslizamiento conduce a un menor rendimiento mecánico del motor.

En la solución más común, con un bloque de cilindros integrado con la bancada, la forma de la biela debe permitir el paso de la cabeza por el cilindro, debido a la necesidad de montar previamente el conjunto pistón-segmentos-bu-lón en la propia biela. Por ello, cuando las dimensiones de la bancada no permiten la solución más sencilla y segura del plano de división biela-sombrerete normal al eje de la biela, puede recurrirse al plano de separación inclinado, con tornillos de cabeza prismática y un sistema de fijación transversal como un perfil dentado sobre el plano de unión. Esta solución es necesaria en los motores rápidos de carrera larga, en los modelos con dos o más manivelas entre los diferentes soportes de bancada y en los motores Diesel rápidos de carrera larga. No suele ser necesaria en los motores de carrera corta (cuadrados o subcuadrados), que permiten un dimensionado suficiente del cigüeñal incluso con las limitaciones del diámetro de la muñequilla de manivela impuestas por la biela normalmente dividida.

En cualquier caso son posibles diversas soluciones; por ejemplo, en los motores Fiat 500 A, B y C fabricados entre 1936 y 1954, en los que el diámetro de las muñequillas de manivela debía ser especialmente grande para dar suficiente rigidez al cigüeñal, compuesto por 4 manivelas y con sólo 2 apoyos en sus extremos, las bielas estaban divididas normalmente. Como las dimensiones de las cabezas de biela eran mayores que el diámetro de los cilindros, para hacer posible el montaje del pistón, los cuerpos de las bielas poseían una longitud que permitía montar el bulón llevando el pie de biela por encima del plano superior de la bancada, tras haber pasado las bielas por una cavidad practicada en la parte inferior de los cilindros.

Esta solución, que comportaba, obviamente, un considerable aumento de la altura de bancada, hizo posible reducir la longitud del motor y adoptar dos soportes para el cigüeñal. En el caso en que los cilindros, en un bloque único o con camisas separadas, se hallan separados de la bancada, es posible montar las bielas a través de un espacio de dimensiones mayores que el diámetro. En efecto, las camisas pueden montarse en último lugar, ensartándoles el pistón previamente montado en la biela. Esta solución se tiene en la mayoría de los motores refrigerados por aire con camisas con aletas montadas por separado en la bancada.

Antiguamente hubo ejemplos frecuentes de motores con cilindros en bloque con la bancada y todas las bielas y pistones montados desde abajo; este esquema se abandonó a causa de la mayor dificultad de montaje y mantenimiento y porque requiere una distancia entre los soportes de bancada que permita el paso de los pistones por debajo. Es conveniente recordar que la biela cortada diagonalmente puede asimismo facilitar el montaje del sombrerete en casos en que los tornillos que lo fijan son poco accesibles, como en los motores en V ancha u opuestos (Alfasud).

Las dos bielas para motores en V se articulan en general en una única manivela, por lo cual son iguales y se hallan una al lado de la otra, siendo, por tanto, simétricas respecto al centro de la manivela (como en el caso de los motores Ferrari). También pueden articularse una sobre la otra; en este caso se denominan, respectivamente, bieleta y biela madre. Pueden existir varias bieletas articuladas sobre una misma biela madre, como en los motores en estrella, que han tenido un gran campo de aplicación en aeronáutica.

La simetría de la biela según el plano longitudinal del motor no siempre se respeta; en algunos casos de motores con dos manivelas en cada tramo, se ha querido alargar el cojinete de biela, a expensas del espesor del brazo de manivela, para limitar las presiones específicas sobre el cojinete antes mencionado; en realidad, la asimetría hace que la presión no se distribuya uniformemente como sería de desear. La caña de la biela, más estrecha, debe unir dos muñequillas que poseen diámetros muy distintos; no obstante, hasta 1930, se construían bielas con sección constante a lo largo de la caña.

Cinemática y dinámica.

El parámetro característico de la biela es su longitud, o bien la relación entre el radio de manivela y la longitud de la biela.

Al disminuir esta relación, es menor la inclinación de la biela en su movimiento de oscilación y, por tanto, disminuyen los empujes laterales sobre el pistón, lo cual significa que puede rebajarse la altura de éste. Sin embargo, al mismo tiempo, la biela es más larga para una carrera determinada, por lo que resulta más pesada; en este caso se trata de encontrar un buen compromiso entre estas dos exigencias. La relación para automóviles de turismo vale en la actualidad de 0,22 a 0,23; es mayor en los motores rápidos y menor en los lentos.

Existe otro método para disminuir el empuje lateral y, por tanto, la inclinación de la biela durante la fase de expansión; es el que consiste en desplazar el eje del cigüeñal en la dirección del empuje. Está claro que, por el contrario, aumenta automáticamente la inclinación y, por tanto, el empuje en la carrera de retorno, durante la compresión, pero esto es menos grave. Un motor con una geometría de este tipo se denomina descentrado.

La biela posee un movimiento compuesto por una rotación y una traslación; en particular, la cabeza de biela se halla sometida tan sólo a rotación, mientras que el pie posee un movimiento alternativo; los puntos intermedios poseen un movimiento compuesto. La expresión genérica de la aceleración del pistón es: a = coV (eos a + A eos 2a) donde La expresión de la aceleración es algo más complicada en el caso de motores descentrados. En efecto, en ellos las velocidades y aceleraciones del bulón no son simétricas en las carreras de subida y de bajada. En la cinemática del movimiento de las bieletas de los motores en V o en estrella, a causa de que éstas no se articulan en la muñequilla. de manivela, sino en puntos de la biela madre que tienen trayectorias sensiblemente ovoides, existen asimetrías en el movimiento de los diferentes pistones, carreras distintas y, por consiguiente, relaciones de compresión distintas para cada cilindro.

Las fuerzas que solicitan a una biela a lo largo de su propio eje son las que se deben a la presión de los gases y las de inercia. La compresión debida a la presión de los gases sobre el pistón viene dada por la presión máxima de éstos multiplicada por el área del pistón; dicha presión se calcula en el punto muerto superior, aunque la presión de los gases es máxima aproximadamente 20° después del PMS. El pequeño error que se comete queda englobado en la imprecisión con que se determina la presión máxima.

Las fuerzas de inercia de las masas alternativas Ma, es decir del pistón, el bulón y los anillos elásticos, esquematizados como si se hallasen concentrados todos ellos en el ojo de la biela, son máximas en los puntos muertos y vienen dadas por el producto de las masas por las aceleraciones, calculadas según la fórmula anterior, en la que a vale 0o para el PMS y 180° para el PMI en el PMS en el PMI F0 = Afacoar(l+X) Fa = Maco2r(l-)

A éstas hay que añadir la fuerza de inercia generada por la biela. A lo largo de la caña, las aceleraciones varían linealmente, pero, en general, se adopta un valor medio aproximado por exceso (valor de la aceleración del centro de gravedad supuesto a la mitad de la longitud de la biela; en realidad se halla desplazado hacia la cabeza de la misma). La fuerza que resulta en el PMS vale: Fb = Mb

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