Prueba de fricción interna II

Tipos de lubricación y método de lubricación de varias piezas del motor

Tipos de lubricación

Las interacciones de las superficies móviles, incluida la fricción, la lubricación y el desgaste, son el resultado de una ciencia llamada tribología, y cuando se trata de los tipos de fricción asociados con los motores de combustión interna, los diseñadores definen varios tipos de lubricantes. La lubricación hidrodinámica es la forma más demandada de este proceso, y el lugar típico donde ocurre es en los cojinetes principal y de biela del cigüeñal, que están sujetos a cargas mucho mayores. Aparece en el espacio en miniatura entre el cojinete y el eje en V, y es llevado allí por una bomba de aceite. La superficie móvil del cojinete actúa entonces como su propia bomba, que bombea y distribuye el aceite más y finalmente crea una película bastante gruesa en todo el espacio del cojinete. Por esta razón, los diseñadores utilizan cojinetes de deslizamiento para estos componentes del motor, ya que el área de contacto mínima de un cojinete de bolas crea una carga extremadamente alta en la capa de aceite. Además, la presión en esta película de aceite puede ser casi cincuenta veces mayor que la presión creada por la propia bomba. En la práctica, las fuerzas en estas partes se transmiten a través de la capa de aceite. Por supuesto, para mantener el estado de lubricación hidrodinámica, es necesario que el sistema de lubricación del motor proporcione siempre una cantidad suficiente de aceite.

Es posible que en algún momento, bajo la influencia de altas presiones en determinadas partes, la película lubricante se vuelva más estable y más dura que las partes metálicas que lubrica, e incluso lleve a la deformación de las superficies metálicas. Los desarrolladores llaman a este tipo de lubricación elastohidrodinámica y puede manifestarse en los rodamientos de bolas mencionados anteriormente, en ruedas dentadas o en elevadores de válvulas. En el caso de que la velocidad de las partes móviles entre sí sea muy baja, la carga aumenta significativamente o no hay suficiente suministro de aceite, a menudo se produce la denominada lubricación límite. En este caso, la lubricación depende de la adhesión de las moléculas de aceite a las superficies de apoyo, de modo que estén separadas por una película de aceite relativamente delgada pero aún accesible. Desafortunadamente, en estos casos siempre existe el peligro de que la fina película sea "perforada" por partes afiladas de irregularidades, por lo que se añaden aditivos antidesgaste adecuados a los aceites, que cubren el metal durante mucho tiempo y evitan su destrucción por contacto directo. La lubricación hidrostática se produce en forma de película delgada cuando la carga cambia de dirección bruscamente y la velocidad de las partes móviles es muy baja. Vale la pena señalar aquí que las empresas de rodamientos, como las bielas principales, como Federal-Mogul, han desarrollado nuevas tecnologías para recubrirlas, de modo que puedan lidiar con problemas con los sistemas de arranque y parada, como el desgaste de los rodamientos en arranques frecuentes parcialmente secos. a los que están sujetos con cada nuevo lanzamiento. Esto se discutirá más adelante. Esta puesta en marcha frecuente, a su vez, conduce a una transición de una forma de lubricante a otra y se define como "lubricante de película mixta".

Sistemas de lubricación

Los primeros motores de combustión interna de automóviles y motocicletas, e incluso desarrollos posteriores, tenían "lubricación" por goteo en la que el aceite ingresaba al motor desde una especie de engrasador "automático" bajo la acción de la gravedad y luego fluía o se quemaba. Los diseñadores de hoy definen estos sistemas de lubricación, así como los sistemas de lubricación para motores de dos tiempos, en los que el aceite se mezcla con el combustible, como "sistemas de lubricación de pérdida total". Más tarde, estos sistemas se mejoraron con la adición de una bomba de aceite para suministrar aceite al interior del motor y al tren de válvulas (que se encuentra a menudo). Sin embargo, estos sistemas de bombeo no tienen nada que ver con las tecnologías de lubricación forzada posteriores que todavía se utilizan en la actualidad. Las bombas se instalaron externamente, alimentando aceite al cárter, y luego llegaba a las partes de fricción por salpicaduras. Hojas especiales en la parte inferior de las bielas rociaron aceite en el cárter y el bloque de cilindros, como resultado de lo cual el exceso de aceite se recogió en mini baños y canales y, bajo la acción de la gravedad, fluyó hacia los cojinetes principal y de biela y cojinetes del árbol de levas. Una especie de transición a sistemas con lubricación forzada bajo presión es el motor Ford Modelo T, en el que el volante tenía algo así como una rueda de molino de agua, que estaba destinada a levantar aceite y conducirlo al cárter (y observe la transmisión), luego el cigüeñal de las partes inferiores y las bielas rasparon el aceite y crearon un baño de aceite para frotar las partes. Esto no fue particularmente difícil dado que el árbol de levas también estaba en el cárter y las válvulas estaban estacionarias. La Primera Guerra Mundial y los motores de aviones que simplemente no funcionaban con este tipo de lubricante dieron un fuerte impulso en esta dirección. Así nacieron los sistemas que utilizaban bombas internas y lubricación mixta a presión y por aspersión, que luego se aplicaban a motores de automóviles nuevos y de mayor carga.

El componente principal de este sistema era una bomba de aceite impulsada por un motor que bombeaba aceite a presión solo a los cojinetes principales, mientras que otras partes dependían de la lubricación por pulverización. Por lo tanto, no fue necesario formar las ranuras en el cigüeñal, que son necesarias para sistemas con lubricación totalmente forzada. Este último surgió como una necesidad con el desarrollo de motores que aumentan la velocidad y la carga. Esto también significaba que los rodamientos no solo debían lubricarse sino también enfriarse.

En estos sistemas, se suministra aceite a presión a los cojinetes de biela principal e inferior (este último recibe aceite a través de ranuras en el cigüeñal) y cojinetes del árbol de levas. La gran ventaja de estos sistemas es que el aceite circula prácticamente por estos rodamientos, es decir, pasa a través de ellos y entra en el cárter. Por lo tanto, el sistema proporciona mucho más aceite del necesario para la lubricación y, por lo tanto, se enfría intensamente. Por ejemplo, allá por los años 60, Harry Ricardo introdujo por primera vez una regla que preveía la circulación de tres litros de aceite por hora, es decir, para un motor de 3 hp. – XNUMX litros de circulación de aceite por minuto. Las bicicletas de hoy se replican muchas veces más.

La circulación de aceite en el sistema de lubricación incluye una red de canales integrados en el mecanismo del cuerpo y del motor, cuya complejidad depende del número y ubicación de los cilindros y el mecanismo de sincronización. En aras de la confiabilidad y durabilidad del motor, los diseñadores han favorecido durante mucho tiempo los canales en forma de canal en lugar de las tuberías.

Una bomba impulsada por motor extrae aceite del cárter y lo dirige a un filtro en línea montado fuera de la carcasa. Luego toma uno (para en línea) o un par de canales (para motores bóxer o en forma de V), extendiéndose casi por toda la longitud del motor. Luego, mediante pequeñas ranuras transversales, se dirige a los cojinetes principales, entrando en ellos por la entrada en el casquillo del cojinete superior. A través de una ranura periférica en el rodamiento, parte del aceite se distribuye uniformemente en el rodamiento para enfriamiento y lubricación, mientras que la otra parte se dirige al rodamiento de la biela inferior a través de un orificio oblicuo en el cigüeñal conectado a la misma ranura. Lubricar el cojinete de la biela superior es más difícil en la práctica, por lo que la parte superior de la biela suele ser un depósito diseñado para contener salpicaduras de aceite debajo del pistón. En algunos sistemas, el aceite llega al rodamiento a través de un orificio en la propia biela. Los cojinetes de los pernos de pistón están, a su vez, lubricados por salpicadura.

Similar al sistema circulatorio

Cuando se instala un árbol de levas o transmisión por cadena en el cárter, esta transmisión se lubrica con aceite de paso directo, y cuando el eje se instala en la cabeza, la cadena de transmisión se lubrica mediante fugas de aceite controladas desde el sistema de extensión hidráulica. En el motor Ford 1.0 Ecoboost, la correa de transmisión del árbol de levas también se lubrica, en este caso por inmersión en el cárter de aceite. La forma en que se suministra aceite lubricante a los cojinetes del árbol de levas depende de si el motor tiene un eje inferior o superior: el primero generalmente lo recibe ranurado desde los cojinetes principales del cigüeñal y el segundo conectado ranurado a la ranura inferior principal. o indirectamente, con un canal común separado en la cabeza o en el mismo árbol de levas, y si son dos árboles, se multiplica por dos.

Los diseñadores buscan crear sistemas en los que las válvulas se lubrican a velocidades de flujo controladas con precisión para evitar inundaciones y fugas de aceite a través de las guías de las válvulas en los cilindros. La presencia de elevadores hidráulicos añade complejidad adicional. Las rocas, las irregularidades, se lubrican en baño de aceite o mediante pulverización en baños en miniatura, o mediante canales por los que el aceite sale del canal principal.

En cuanto a las paredes cilíndricas y faldones de pistón, están total o parcialmente lubricados con aceite que sale y se extiende en el cárter desde los cojinetes de biela inferiores. Los motores más cortos están diseñados para que sus cilindros obtengan más aceite de esta fuente porque tienen un diámetro mayor y están más cerca del cigüeñal. En algunos motores, las paredes del cilindro extraen aceite adicional de un orificio lateral en la carcasa de la biela, que generalmente se dirige hacia el lado donde el pistón ejerce más presión lateral sobre el cilindro (aquella sobre la que el pistón ejerce presión durante la combustión durante el funcionamiento). ... En los motores en V, es común inyectar aceite desde una biela que se mueve hacia el cilindro opuesto en las paredes del cilindro para que se lubrique el lado superior y luego se tire hacia el lado inferior. Cabe señalar aquí que en el caso de los motores turboalimentados, el aceite ingresa al rodamiento de este último a través del canal de aceite principal y la tubería. Sin embargo, a menudo utilizan un segundo canal que dirige el flujo de aceite a boquillas especiales dirigidas a los pistones, que están diseñadas para enfriarlos. En estos casos, la bomba de aceite es mucho más potente.

En los sistemas de cárter seco, la bomba de aceite recibe aceite de un tanque de aceite separado y lo distribuye de la misma manera. La bomba auxiliar aspira la mezcla aceite / aire del cárter (por lo que debe tener una gran capacidad), que fluye por el dispositivo para separar este último y devolverlo al depósito.

El sistema de lubricación también puede incluir un radiador para enfriar el aceite en motores más pesados ​​(esta era una práctica común para motores más antiguos que usaban aceites minerales simples) o un intercambiador de calor conectado al sistema de enfriamiento. Esto se discutirá más adelante.

Bombas de aceite y válvulas de alivio

Las bombas de aceite, incluido un par de engranajes, son extremadamente adecuadas para el funcionamiento de un sistema de aceite y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en sistemas de lubricación y, en la mayoría de los casos, se accionan directamente desde el cigüeñal. Otra opción son las bombas rotativas. Recientemente, también se han utilizado bombas de paletas deslizantes, incluidas las versiones de caudal variable, que optimizan el funcionamiento y, por lo tanto, su rendimiento en relación con la velocidad y reducen el consumo de energía.

Los sistemas de aceite requieren válvulas de alivio porque a altas velocidades el aumento en la cantidad suministrada por la bomba de aceite no coincide con la cantidad que puede pasar a través de los cojinetes. Esto se debe al hecho de que en estos casos, se forman fuertes fuerzas centrífugas en el aceite del cojinete, lo que impide el suministro de una nueva cantidad de aceite al cojinete. Además, arrancar el motor a bajas temperaturas exteriores aumenta la resistencia del aceite con un aumento de la viscosidad y una disminución del juego en los mecanismos, lo que a menudo conduce a valores críticos de presión de aceite. La mayoría de los autos deportivos usan un medidor de presión de aceite y un medidor de temperatura del aceite.

(seguir)

Texto: Georgy Kolev