Árbol de levas El árbol de levas es uno d los principales ejes del motor de explosión de cuatro tiempos. El eje de levas es el elemento destinado a controlar los momentos de apertura y cierre de las válvulas, ya sea por medio de elementos intermediarios (balancines) o actuando de una forma directa sobre las válvulas. Por regla general los motores del tipo comercial, se acostumbra a agrupar el mismo árbol, las levas que actúan en las válvulas de admisión y en las válvulas de escape. Esta técnica permite corregir separadamente la posición de los árboles para tratar de alcanzar experimentalmente el mayor rendimiento del motor.
Perfil de las levas. A través de la forma del perfil o contorno de las levas o excéntricas se puede obtener una serie de modificaciones muy importantes en el comportamiento de la alza de las válvulas, ya que de la forma de este perfil se deduce la regulación de la velocidad de apertura de las válvulas, el tiempo de la permanencia de la válvula abierta, la altura del levantamiento, así como la velocidad de cierre. Por lo tanto el perfil influye decisivamente sobre el rendimiento, y la velocidad de giro y la potencia del motor. Así es como se puede determinar el diagrama de distribución y las condiciones del funcionamiento de las levas. En consecuencia, si se desea modificar las condiciones OEM nos veremos obligados a modificar el perfil de las válvulas. En la figura podemos observar un ejemplo de cómo es el perfil de una leva usada en la industria automotriz. 1) Circulo Primitivo 2) Flancos 3) Nariz o cresta En la figura podemos distinguir claramente una parte circular (1) que se denomina como circulo primitivo, que corresponde a la zona del perfil de la válvula en la que esta permanece cerrada. En la zona que le continua (2) está conformada por dos arcos de circulo de gran radio, a los cuales se les denomina como flancos. El perfil es cerrado por un arco (3) denominado nariz, que determina el levantamiento máximo de la válvula, siendo igual a él si actúa directamente o multiplicando o desmultiplicando según sea la relación de las longitudes del balancín, cuando se emplea como elemento de accionamiento.
Como puede observarse en el grafico, el perfil de los flancos determina la zona de aceleración en el momento de apertura de la válvula y deceleración en el momento del cierre y el perfil de la cresta o nariz determina la forma de la parte superior de la grafica del levantamiento de la válvula. En la práctica, el radio del circulo primitivo, se rebaja lo necesario para compensar el juego del taqué y permitir el cierre de la válvula cuando el motor ya ha alcanzado su temperatura norma de régimen
de
funcionamiento,
así
el
circulo obtenido se denomina como circulo reducido y la unión de su perfil con el que los flancos se realiza m ediante un arco de espiral al que se llama rampa de ataque. Las levas con el perfil trazado a base de arcos simétricos, del estilo de la primer imagen del t ema, se denomina como leva de perfil armónico. En estos perfiles el movimiento de aceleración resulta constante. A regímenes bajos de rotación del motor, las levas de perfil armónico dan resultados satisfactorios y por su sencillez de cálculo y trazado han sido ampliamente utilizadas en los motores de automoción. Ahora,
al
producirse
el
aumento
del
régimen
de
revoluciones se han planteado cada vez más problemas en los motores equipados con este sistema, por ejemplo se han planteado problemas relacionados con la inercia de las válvulas del tren de accionamiento de las mismas, así como las deformaciones elásticas de este. Estos problemas han tratado de resolver mediante la utilización de perfiles de levas de cálculo y diseño más complicados, como por ejemplo, la denominada “polydyne” en la que el perfil de la leva se presta a un control más acusado de los momentos en que la deceleración de la alzada y la deceleración de la llegada al asiento deben ser más favorables para el motor en el tren que trabaja. Otros factores como las velocidades relativas de deslizamiento y rodadura entre la leva y su empujador complican aun más el problema del trazado del perfil y la consecuencia de una leva que produzca un funcionamiento satisfactorio de las válvulas especialmente a altos regímenes de giro del motor.
Levas asimétricas Con el fin de obtener movimiento controlado de las válvulas y una dinámica de las misma que se avenga por completo a las necesidades del paso muy rápido de la corriente de gases, se han construido levas provistas de un perfil asimétrico, per medio de las cuales se logra un cierre rapidísimo de las válvulas con la menor perdida de carga de cilindro a través del escape en los momentos de cruce de válvulas. Como sabemos estos son los momentos críticos de un motor de competición, en los que se llega a valores se solape de válvulas del orden de los 150° o más, por lo que un cierre más rápido de lo normal en las válvulas puede permitir un cruce de válvulas mas exagerado y con ello, un aprovechamiento máximo de la inercia de los gases. Las levas asimétricas permiten la instalación de unos muelles más blandos, con lo que se beneficia todo el mecanismo de accionamiento y se consigue una menos absorción y pérdida de potencia en la zona de distribución. En contraparte, el sistema de levas asimétricas comporta un considerable aumento del ruido del motor y además el tallado de las levas es bastante complejo para adecuarse a todo tipo de regímenes de giro, por lo que esta solución se adopta solo en motores especiales de alta competición. Para lograr el mismo objetivo que se persigue con las levas asimétricas se ha estudiado el desarrollo de los sistemas desmodrómicos que consideran en eliminar el muelle de las válvulas y utilizar un sistema especial que no solamente actúa para el levantar la válvula si no que sigue actuando para cerrarla. Entre muchas soluciones que han sido estudiadas existe la de utilizar balancines cuyas colas están en contacto con una leva, uno de ellos actúa para abrir la válvula y llegando
el
punto
de
máxima
alzada,
abandona su misión y la encomienda al segundo balancín para que este se encargue de cerrar la válvula. En el esquema podemos ver el balancín de apertura (1) y el de cierre (2), además tenemos el árbol de levas (3) en el cual se disponen de levas especiales (4) para el accionamiento
constante
de
los
dos
balancines, de modo que cada válvula dispone de dos levas, la señalada como (4) para la apertura de la válvula y la señalada
como la (5) para el cierre de la misma. Este sistema desmodrómico permite la máxima exactitud en el control de todo desplazamiento de las válvulas y la obtención de una velocidad variable de las mismas según el momento de la carrera. Además su consumo de potencia es mínimo con respecto al que necesita un sistema de muelles.
Elección de un árbol de levas Si se parte de un árbol de levas comercial, la posibilidad de mejorar el motor quedaría muy reducida y el modificar el perfil de las levas existentes puede ser muy complicado como inútil, dada la dificultad de tener perfiles exactamente exactos en todas las levas y de obtener un perfil perfecto. Además al trabajar las levas con arranque de material estaríamos destruyendo el endurecimiento superficial de sus rampas por cementado y templado, con lo que el árbol ya no tendría utilidad práctica.
Adaptación de un árbol de levas Cuando se trata de preparar un motor para la competencia quiere decir que se pretende tener un motor lo más potente posible y a poder ser más potente que cualquiera de la competencia para la las mismas condiciones establecidas en el reglamento. La elección del árbol de levas conlleva a un planteamiento previo y establecer los límites hasta donde se pretende llegar en la preparación del motor, además, también hay que tener en cuenta el tipo de piloto que va a conducir el vehículo resultante de la preparación. Esto también se debe a que la modificación de la distribución del comportamiento de las distintas condiciones y parámetros establecidos para su máximo rendimiento, ya que las características de conducción son muy diferentes y en ocasiones hasta complicadas. A medida que aumentamos potencia en los altos regímenes de giro y hacemos que el motor entregue su potencia entre las 7mil y las 10 mil RPM estamos desmereciendo la potencia en los bajos regímenes del motor. En ocasiones no solo el régimen de ralentí del motor mantenido cercano a las mil RPM, si no hasta la posibilidad de arranque del motor, de modo que e l motor de arranque ya no sirve para la puesta en marcha ni siquiera en el caso de que el motor eléctrico girara a 800 RPM, por lo menos necesitaríamos que el motor de arranque fuera capaz de hacer girar al motor térmico a velocidades mínimas de alrededor de 2mil RPM por lo que la puesta en marcha prácticamente se podría hacer empujando al vehículo.
Además la conducción se complicaría cuando solamente tenemos potencia entre las 7 y 10 mil RPM puesto que hay que utilizar el cambio de velocidades y tener mucho cuidado de no bajar de las 7mil RPM porque a partir de aquí nos quedaríamos sin potencia. Todos estos defectos y virtudes se deben a la modificación drástica de los ángulos de las levas, es decir, a la elección del árbol de levas. Por lo tanto se ha de tener un conocimiento muy exacto en este aspecto, de lo que se pretende con los trabajos de preparación que se llevan a cabo. Generalmente
los
arboles
de
levas
se
denominan de acuerdo con sus valores de escape y terminando por su retraso. Así, tenemos que un árbol de levas que se denomine 40-80-80-80 se refiere a lo mismo que nos indica la figura donde tenemos una representación del diagrama de distribución. Los valores reflejados son los siguientes. AAA = Avance Apertura Admisión: 40° antes del P .M.S. RCA = Retraso Cierre Admisión: 80° después del P.M.I. AAE = Avance Apertura Escape: 80° antes del P.M.I.
Automóviles trucados Si el aumento de potencia que se pretende es sencillamente trucaje para un motor de serie que ha de desenvolverse con preferencia en un tráfico de carretera y no en un urbano, una solución contendrá un aumento moderado de consumo de combustible y aumentara ligeramente la potencia, puede en consistir en aumentar 5° todos los valores iniciales de la grafica de distribución. Con este árbol de levas, el régimen de utilización se encontrara en el orden de 3mil RPM más arriba.
Automóviles de velocidad Cuando lo que se pretende es conseguir un motor con el máximo poder de potencia, que se mantenga en el terreno de utilización alrededor de las 10mil RPM se puede llegar a utilizar arboles de levas con valores de hasta 50-80-80-50. Estos motores no disponen de potencia alguna por debajo de las 6mil RPM o más, de modo que son absolutamente inoperantes fuera del circuito