FLEXIÓN (Vibraciones de) - Definición - Significado

Flexiones de un árbol o eje giratorio (por ejemplo, un cigüeñal) provocadas por la excentricidad de sus masas o por cargas dinámicas no equilibradas (presión de los gases y fuerzas alternativas). Debido a que estas flexiones se producen para cada vuelta, dan origen a vibraciones llamadas precisamente de flexión.

La magnitud de las flexiones depende de la distancia entre los soportes, del valor de las cargas no equilibradas y de la rigidez del órgano sometido a aquéllas. Para disminuir tales vibraciones pueden seguirse varios caminos: aumentar el número de soportes, equilibrar dinámicamente todas las manivelas (2 contrapesos por cada masa giratoria excéntrica), o bien aumentar el diámetro (y, por tanto, la rigidez) del eje.

Sin embargo, el cálculo de las solicitaciones es muy complicado y las diferentes soluciones se verifican con cuidado. Efectivamente, si la frecuencia propia de las vibraciones del árbol (dada por la raíz cuadrada del cociente entre su rigidez y su masa) coincide en cierto punto con la velocidad de rotación, aquél entra en resonancia y las flexiones aumentan con violencia hasta provocar la rotura. La velocidad para la cual se produce dicho fenómeno se denomina velocidad crítica. Sin embargo, incluso antes de alcanzar dicho límite, las vibraciones pueden causar la rotura de la película lubricante de los cojinetes, con lo cual llega a faltar la sustentación hidrodinámica; de ello deriva un fuerte golpeteo debido a la alternancia de los rozamientos fluido y seco.

Cuando sobre el árbol giratorio se hallan varias masas, existen tantas velocidades críticas como masas; por ello, la velocidad de rotación ha de ser distinta de todos los valores críticos, pese a lo cual sólo suele interesar conocer la primera velocidad crítica.

El examen de las vibraciones de flexión es especialmente importante en los cigüeñales, sobre todo en los que poseen un número reducido de soportes. Si la velocidad crítica de primer orden (la que produce los fenómenos vibratorios más importantes) es más bien baja, dentro del campo de aplicación del motor se produce la resonancia con los primeros armónicos del ciclo del mismo (de amplitud no despreciable). A la deformabilidad del cigüeñal hay que añadir la de la bancada, la cual, por tanto, tiene que ser lo más rígida posible.

Las vibraciones de flexión del cigüeñal se deben no tanto a las excentricidades sino más bien a las cargas que actúan sobre el mismo, suma de las fuerzas de presión y de las alternativas de inercia (variables a lo largo del ciclo y función del ángulo de manivela). Analizando el diagrama de cargas resultantes para cada velocidad de rotación se ve que: a regímenes bajos poseen mayor importancia las fuerzas de presión; a regímenes medios las fuerzas de inercia comienzan a dejar sentir su influencia; a regímenes altos las fuerzas de inercia se hacen importantes, hasta constituir un peligro para el cigüeñal. En los motores Diesel, debido a la magnitud de las masas en movimiento alternativo, las fuerzas de inercia hacen sentir muy pronto su efecto negativo, con lo que resulta necesario reducir el régimen máximo de rotación.

Para el estudio de las vibraciones de flexión de los cigüeñales puede procederse de varias maneras. Una de ellas consiste en asimilar el cigüeñal a una viga con cargas concentradas, apoyada en sus soportes, de modo que la rigidez a la flexión de cada tramo sea constante.

Supóngase, por ejemplo, que se trata de un motor de 4 cilindros cuyo cigüeñal posee tan sólo 2 soportes (sistema isostático). Se calcula la deformación elástica debida a las cargas que actúan sobre el mismo y se colocan unos contrapesos para conseguir que la línea elástica se convierta en una recta y poder elevar la velocidad crítica.

La solución del cigüeñal con sólo dos soportes es la más económica para los motores de 4 cilindros, pero, para limitar las flexiones, impone gorrones de gran diámetro y brazos de manivela de sección considerable. Otra solución puede ser la de disminuir la rigidez (y el peso) del cigüeñal aumentando simultáneamente el número de soportes de bancada. Sin embargo, también en ese caso es preciso colocar contrapesos (teóricamente 2 por cada manivela) capaces de evitar las flexiones que se producirían debido a la disminución de la rigidez del cigüeñal. En efecto, es conveniente que las flechas existentes en correspondencia con los soportes sean nulas o, como máximo, caigan dentro del intervalo de tolerancia. En caso contrario, se produciría una sobrecarga sobre los cojinetes y una mala lubricación.