LABORATORIO DE MECANICA DE MATERIALES III
Analisis de la pieza (piston) a) Condiciones de trabajo La eficiencia en la generación de potencia de un motor de combustión interna depende en gran medida de la hermeticidad de la cámara de trabajo sobre el pistón. Si la unión entre el pistón y la camisa no es hermética, el trabajo con los gases tiene fugas y con ello todos los ciclos de trabajo del motor se ve afectados, especialmente la carrera de fuerza, que es aquella donde los valores de presión son mas altos y donde se produce la potencia mecánica del motor. La unión entre el pistón y su camisa es deslizante, y trabaja en condiciones mecánicas bastante severas debido a la alta velocidad y temperatura de trabajo, así como a la presencia de gases incandescentes en la cámara de combustión sobre el pistón en uno de sus ciclos de trabajo, lo que a su vez impide la utilización de lubricación abundante lo que se produzca el quemado del aceite y con ello la pérdida de lubricante.
De esta forma el mecanismo de sellado del conjunto pistón-camisa debe cumplir dos tareas básicas:
Evitar la fuga de los gases de trabajo Evitar el paso del lubricante a la cámara de combustión
Para cumplir estas tareas, en la unión participan tres elementos principales:
Camisas cilíndricas
El piston de dimensiones y formas adecuadas
Los anillos aros del piston , que son de dos tipos ; los de compresión , para evitar la perdida de gases trabajo y de aceite que tiene la función de evitar el paso de aceite a la cámara de combustión
Características de trabajo Una de las características principales que deben tenerse en cuenta a la hora de estudiar la unión pistón-camisa es la que se deriva del amplio rango de diferencia de temperaturas entre el pistón y la camisa durante el trabajo. Cuando el motor se arranca en frío, ambas piezas tienen la misma temperatura, la que puede ser muy baja en zonas geográficas frías, una vez iniciado el trabajo ambas piezas comienzan a calentarse, y con ello a dilatarse de acuerdo al coeficiente de dilatación térmica del material de cada una. Este proceso de calentamiento puede llevar a la camisa a temperaturas algo mayores de los 100°C, mientras que los pistones en su parte superior pueden sobrepasar los 400°C en condiciones severas de trabajo. Si sumamos a esto que las camisas hechas de hierro fundido tienen un coeficiente de dilatación térmica muy inferior a la de los pistones, generalmente construídos de aleaciones de aluminio, salta a la vista que durante el montaje en frío tendrá que dejarse una imprescindible holgura entre ellos, o de lo contrario la unión se atascará cuando ambas piezas se dilaten por el calor.
CAMISAS O CILINDROS El interior de la camisa está maquinado con exactitud para dar un buen acabado interno: a) Camisas desmontables: Son aquellas que se maquinan como un cilindro de paredes finas y luego se instalan en el bloque del motor. b) Camisas embebidas: Son aquellas que han sido maquinadas directamente en el material del bloque del motor y por lo tanto no pueden desmontarse. Las camisas desmontables pueden dividirse a su vez en dos t ipos: a) Camisas húmedas: Son aquellas que una vez montadas en el bloque del motor están rodeadas exteriormente por el refrigerante del sistema de enfriamiento. b) Camisas secas: Estas camisas se montan en un cilindro previamente maquinado en el material del bloque del motor de manera prensada y con interferencia, de manera que no tienen contacto con el refrigerante
Peso del piston Cuando el motor gira, los pistones adquieren un movimiento reciprocante, esto hace que aceleren del estado de reposo en el punto muerto inferior, hasta adquirir la mayor velocidad de translación cerca del recorrido medio de la carrera, para luego desacelerar, y estar nuevamente detenidos en el punto muerto superior, proceso que se repite a la inversa durante el movimiento descendente. Esto presupone que en ellos se generan elevadas fuerzas de inercia, especialmente durante el giro del motor a altas velocidades.
Estas fuerzas de inercia producen cargas mecánicas elevadas en los elementos involucrados del mecanismo de trabajo y en el propio material del pistón.
De esta situación se desprende que durante el diseño de un pistón es muy conveniente reducir al máximo su peso y con ello reducir también las fuerzas de inercia, por eso los pistones se construyen con la menor masa posible y de aleaciones ligeras de aluminio.
Influencia en la temperatura de trabajo Para el caso de altas cargas y velocidades del motor, la temperatura de los pistones puede llegar a valores que superan los 400°C en la zona de la cabeza que está en contacto con la cámara de combustión. Este calentamiento produce un incremento notable de las dimensiones del pistón comparadas con las dimensiones del pistón frío, mas aun, teniendo en cuenta que el coeficiente de
dilatación
térmica
del
aluminio
es
relativamente
elevado.
Para evitar que el pistón se apriete en el orificio de la camisa al calentarse, ambos elementos se montan en frío con la holgura necesaria de manera que durante el trabajo, aun en las peores condiciones de calentamiento, no se produzca ningún apriete dimensional entre ambas piezas
Se muestra de manera esquemática la sección de un pistón, La linea H representa el eje donde se monta la camisa que acopla el pistón con la biela a) a parte superior o cabeza del pistón es de sección sólida, mientras que el resto es de sección hueca b) En la dirección radial la linea de montaje del bulón tiene mas masa que el resto de las direcciones en esa altura c)
La oquedad interior no es de sección constante, las paredes del pistón son mas delgadas a medida que se desciende en altura
d) El pistón puede tener diferentes alturas a lo largo de su perímetro. La gran mayoría tienen dos bandas mas largas en la dirección perpendicular al eje del bulón conocidas como faldas Esta distribución no homogénea de la masa en el cuerpo del pistón produce el efecto de que su dilatación térmica a diferentes alturas es diferente, y además, en una misma altura la dilatación no es igual en todas las direcciones r adialmente. Por ese motivo los pistones no son cilíndricos, lo mas común es su perímetro sea un tanto ovalado y además su forma es algo cónica. Esta característica debe ser tomada en cuenta a la hora de medir el diámetro nominal de un pistón, este diámetro generalmente se toma en la parte inferior medido entre los centros de las faldas.
Anillos Se montan en los cilindros con una holgura relativamente alta para permitir la dilatación térmica, esta condición indica que el sellado de los gases de trabajo no puede realizarse con solo estas dos piezas. Para garantizar este sellado se recurre a los anillos o aros, que se montan en ranuras especialmente maquinadas en el cuerpo del pistón.
La compresión de sección solida
Los de aceite formado por dos aros muy finos y un
separador elástico entre ellos Observe que estos anillos son abiertos para permitir el montaje en las ranuras del pistón y que además los extremos de la abertura están separados un espacio, de manera que su forma no es cilíndrica, por tal motivo para introducirlos dentro de las camisas una vez montados en las ranuras del pistón, hay que forzarlos a cerrarse. La elasticidad del material tenderá a producir una presión sobre la superficie cilíndrica de la camisa y con ello lograr la hermeticidad del espacio entre pistones y cilindros. Durante el trabajo del motor ya hemos visto que los pistones se calientan notablemente; como los anillos están en contacto con ellos estos últimos tambien se calentarán, de forma que resulta necesario dejar una cierta holgura en frío entre sus extremos una vez montados dentro de las camisas, para permitir el crecimiento de su longitud al calentarse sin que se atasquen.
Anillos de compresión Los anillos de compresión se construyen de fundición de estructura cristalográfica especial muchas veces aleados para lograr alta resistencia al desgaste, mientras los anillos de aceite pueden ser del mismo material o de acero, según su construcción.
Es común que la superficie externa del anillo que estará en contacto con la camisa esté especialmente recubierta con cromo electrólítico, la dureza y resistencia del cromo superficial aumenta la durabilidad y mejora la capacidad de trabajo del anillo.
Se muestra el esquema de un pistón con los anillos montados. Observe que existe una holgura entre los anillos y las paredes de la ranura de sostén en todas direcciones, está claro que esta holgura es necesaria para la dilatación térmica de las piezas. Observe también que debajo de los aros de aceite hay unos agujeros que comunican el fondo de la ranura con la oquedad interior del pistón, estos agujeros son claves para el trabajo de los anillos de aceite como veremos mas
adelante.
Estas holguras, a primera vista, permitirían a los gases a presión del ciclo de trabajo del motor pasar de la cámara de combustión a la zona debajo del pistón produciendo fugas indeseables, pero en la práctica no es así, y en realidad su existencia
beneficia
el
sellado,
veamos
por
que:
Cuando el pistón se mueve en su carrera ascendente en la carrera de compresión, el rozamiento entre las superficies en contacto de anillos y camisa produce una fuerza f 1 sobre el anillo que tiende a apretar su cara inferior con la correspondiente de la ranura del pistón, con ello la holgura entre ambas piezas se traslada a la parte superior del anillo como puede verse en la figura 6. El espacio libre correspondiente a la holgura se llena con los gases a presión que están sobre el pistón, estos gases producen fuerzas adicionales, una que tiende a apretar mas aun la cara inferior del anillo a su ranura o fuerza f 2 y otra actuando desde el fondo del anillo o fuerza f 3, que se agrega a la fuerza de apriete del aro con la camisa debido a su elasticidad.
Cuando el pistón desciende debido a los gases de la combustión, la fuerza f 2 crece en gran medida y aunque la fuerza de rozamiento f 1 se invierte, no puede contrarrestar a la f 2 y se mantiene apretado el anillo contra el borde inferior de la ranura. Luego en la carrera de escape se produce el mismo fenómeno que en la compresión, el pistón sube y las fuerzas f 1 y f 2 se suman.
Ficha técnica
Por otro lado se hace la consulta de la ficha técnica del catalogo de de pistones Clemex, en donde se denotan las especificaciones , los números de parte para la selección del piston de acuerdo al mdelo y marca del automóvil
Consideraciones especiales En los motores de gasolina, la combustión de la mezcla aire y carburante es provocada por la chispa eléctrica , durante este proceso la energía presente en forma química en el carburante , esta es convertida primero en calor y presión, para después ser transformada en energía mecánica o potencia en los pistones Asi como el funcionamiento de los automóviles modernos, los pistones cumplen con las siguientes funciones
Transmiten al cigüeñal la energía liberada por la combustión mezcla aire y gas
Delimitan y dan forma a la cámara de combustión
Minimizan el paso de los gases.
Impiden la penetración de aceite lubricante en la cámara de combustión
Transmiten calor, a travez de los segmentos primero el aceite lubricante y luego el cilindro
En su forma mas simple, se puede decir que el piston es un cilindro abierto en su base inferior, en la parte superior cerrada y sujeto a la biela en su estructura intermedia. En el interior del cilindro el movimiento del piston se realiza de arriba, hacia abajo para comprimir la mezcla de aire y carburante, trsnmitiendo la presión de combustión del cigüeñal a través de la biela El piston debe ser ligero de su forma que sean minimas las cargas de inercia que transmite, pero a su vez los suficientemente rigido y resistente para soportar el calor y la presión desarrollados en el interior de la cámara de combustión. Los pistones de los motores actuales usan como elemento principal aluminio combinado con otros elementos para obtener formulas adecuadas con el fin de proporcionar carateristicas especificas, de acuerdo con el tipo de aplicación del motor. Estas alecciones permiten la fabricación del producto de la mas alta calidad. Para el caso de los pistones que comercializa Clemex se fabrican por un proceso de acabado de diamante, este tipo de acabado no se consigue a través deun proceso de torneado o pulido , sino por medio de un proceso similar que manteiene fijo el piston mientras la herramienta de corte da vuelta en un torno a su perímetro, y por acción simultanea , son cortados la elipse , el taper y el barril. Una marca orignal que identifica al piston producido mediante el proceso de acabado de diamante es un pequeño corte en forma de media luna que se muestra en la parte superior de la ranura de
anillo . si esta marca no se encuentra presente, se debe a que el piston requiere menos elipse o tiene un diámetro menor.
Por su parte en algunos pistones se puede apreciar la marca en el segundo segmento separador de los anillos, sobre el orificio del perno y de un solo lado del piston , también con corte de media luna : esta muesca del maquinado se realiza durante la operación final de co rte no afecta de forma alguna el funcionamiento y desempeño del piston
Los pistones poseen tres ranuras, para alojar un anillo especifico para cada una Los anillos superiores evitan que la fuerza de explosión de la mezcla aire combustible escape a través del espacio que se forma entre el piston y las paredes del cilindro hacia el interior del motor, impidiendo con ello la perdida de potencia. Por su parte los anillos inferiores no permiten que el aceite del motor se filtre hacia la cámara de combustión contaminando la mezcla y emitiendo humo blanco en el escape Cuando el anillo sufre , desgaste deja de efectuar en menor o mayor medida su función la recomendación es cambiar todo el conjunto de anillos , incluyendo además los pistones con el fin de obtener mayores beneficios.
Notas donde no se designe mm sobre la medida significa que el producto esta dado en pulgadas En STD no se utilizara ninguna referencia hacia las unidades de m edida Para la elección correcta se tienen en cuenta las siguientes indicaciones
ENSAYO DE INSPECCION VISUAL
TIPO DE MATERIAL
ALUMINIO
DIMENSIONES: 82 X 85 MM
CROQUIS:
ANEXO EN LAS HOJAS
ESCALA: 5 A 1
OBSERVACIONES INSPECCION GENERAL
Des el punto de vista de manera general al realizar los dos tipos de inspecciones se determino que el pistón presenta desgaste y oxido en la región superior es decir la tapa, y en la cara frontal se aprecia , desgaste y rotura en el contorno del radio donde embona el buje, sin embargo al retirarle todo sus componentes , es decir los anillos se observo que no también presentan desgaste alguno aunque se les limpio con solución de thinner, lo único que se puede observar en uno de los anillos es algunas regiones están corroídos con la combustión con oxido, Por lo tanto al concluir este tipo de inspección visual se pude tener como base el comprender el estudio de este tipo de ensayo no destructivo como parte fundamental de la mecánica de materiales el comportamiento, de ahí se pueden genera las investigaciones en base a las hipótesis para finalmente llegar a una conclusión.
