Los actuales motores Diesel Livianos son cada vez más rápidos, eficientes y tan suaves y silenciosos como un motor de combustión a chispa, consumiendo hasta un 40% menos. La mayor eficiencia del ciclo Diesel se debe en parte a que la combustión es controlada por la cantidad y velocidad de la mezcla inyectada manteniendo el caudal de aire sin restricciones (evitando las pérdidas por bombeo que tienen los motores nafteros). La forma en que se controla este proceso determina la suavidad, perfomance y contaminación del motor diesel. En microsegundos el combustible inyectado debe ser finamente atomizado, vaporizado y mezclado con el aire a alta temperatura en la cámara de combustión.
La mejora en el control de este proceso se logro con el aumento de las presiones de inyección (hasta 1500 bar), el empleo de Turbocompresores, diseños de cámaras de combustión complejos y sistemas de inyección controlados electrónicamente.
Pero la mas eficiente combustión creo altas temperaturas que aumentaron la formación de los NOx por lo que para cumplir las normas de polución debió emplearse sistemas de recirculación de gases (EGR) donde una parte importante de los gases de escape se los recircula nuevamente por la admisión (hasta un 40%).
Este aumento de la perfomance no debía comprometer la confiabilidad por lo que los componentes del motor tuvieron un fuerte desarrollo, en especial los pistones.
Las zonas mas criticas del pistón son las temperaturas de los bordes de las cámaras de combustión y las tensiones mecánicas en la zona del perno. Esto obligo a desarrollar aleaciones de aluminio para pistones que duplican la capacidad de carga y resistencia a la fatiga. Las galerías de enfriamiento por aceite en el pistón fueron mejorados con diseños dobles tipo “corona” que lograron bajar hasta 70 grados la temperatura en los puntos críticos. En los apoyos de los pernos se insertaron bujes para soportar las altas cargas específicas.
La estructura de los pistones se diseñaron para compensar las cargas laterales con deformaciones elásticas minimizando los ruidos y la concentración de tensiones.
El sistema de recirculación de gases (EGR) incremento la concentración de partículas duras, cenizas y elementos corrosivos. Esto aumento el desgaste de los pistones lo que obligo a tratamientos superficiales con recubrimientos aplicados por modernas técnicas que garantizan su permanecía en el pistón por toda su vida útil.
Mientras la tendencia al uso de los motores diesel continúe, nuevos diseños y procesos en los pistones deberán ser desarrollados para cumplir las crecientes exigencias de estos motores.
martes, 26 de abril de 2011
Mecanismo de Lubricacion de los Cojinetes de Motor
La función de los cojinetes de motor es la de guiar al cigüeñal en su movimiento.
La prolongada durabilidad y bajo rozamiento se logra por interponer entre la superficie de trabajo del cojinete y el eje una delgada película de aceite.
El desgaste del cojinete o del eje se produce cuando este película de aceite es demasiado delgada como para separar totalmente las micro regularidades de las dos piezas, las cuales al tocarse genera un fuerte frotamiento con desprendimiento de partículas que desgasta las partes. Esta lubricación imperfecta o semilíquida ocurre principalmente por fallas en la lubricación o sobrecargas mecánicas o térmicas.
Las características de los materiales de los cojinetes son críticas en aquellos momentos donde el contacto metálico es inevitable, debiendo soportar estas condiciones sin deteriorarse hasta que la película de aceite se restablezca.
La confiabilidad de un cojinete depende del espesor de la película de aceite lo que regula el margen de seguridad que existe para las sobrecargas.
Lubricación hidrodiná
mica
La genera el propio movimiento del eje. El eje en reposo se apoya en la zona opuesta a la carga o peso que soporta, dejando entre el y el cojinete un espacio en forma de media luna.
El aceite que llena este espacio es arrastrado al comenzar a girar el eje como consecuencia de la adherencia del aceite a las superficies metálicas.
Al llegar el lubricante a la zona de apoyo del eje y no poder seguir circulando se genera una presión en el aceite. Conforme aumenta las revoluciones del eje aumenta el volumen de aceite arrastrado y consecuentemente la compresión del aceite en esa área hasta que la presión así generada ejerce una fuerza sobre el eje igual y opuesto a la carga que soporta. En ese momento el eje deja de estar apoyado en el cojinete y comienza a “flotar “en aceite.
Si continuamos incrementando la velocidad del eje, mayor será la cantidad de aceite impulsado y por lo tanto la presión generada, por lo cual el eje se separa del cojinete dejando pasar el aceite sobrante a la carga o peso del eje. Esa elevación o separación es el espesor de la película de aceite.
En este fenómeno hay dos propiedades fundamentales del lubricante, la viscosidad y la capacidad de adherirse a las superficies metálicas.
Factores que afectan la película de aceite
Velocidad de eje: cuando incrementamos las revoluciones del eje aumenta la cantidad de aceite arrastrado y por ello se incrementa el espesor de la película de aceite.
Carga sobre el eje: las presiones generadas para balancear las mayores cargas producen un menor espesor de la película de aceite.
Viscosidad del aceite: al incrementar viscosidad mayor será la cantidad de aceite arrastrado, mayores será las presiones generadas y mayor será el espesor de la película de aceite.
Luz de aceite: cuando se incrementa la luz de aceite (diferencia entre el diámetro interno del cojinete y el diámetro exterior del eje) aumenta el ángulo de la cuña de aceite y por lo tanto menor el área del cojinete donde se generan las presiones hidrodinámicas. Estas deben ser más elevadas para generar en un área menor igual fuerza por lo que el espesor de la película de aceite disminuirá.
Relación ancho /diámetro: cuando menor es el ancho en relación al diámetro, mayor será el flujo de aceite que escapa axialmente y que no contribuye a generar presiones hidrodinámicas. A menor relación ancho/diámetro, menor espesor de película de aceite.
Factores de diseño: la ubicación de los orificios y ranuras de lubricación interfieren con las zonas de presiones hidrodinámicas.
Factores de instalación: la desalineación o falta de forma cilíndrica del alojamiento o del muñón provoca espesores menores de la película de aceite en esas áreas.
Espesor de la película de Aceite
El calculo del espesor de la película se basa en las formulas de Osborne Reynolds y Beauchamps Tower. La resolución de la ecuación de Reynolds por métodos analíticos no es simple por la necesidad de obtener el valor real de la viscosidad del aceite en la zona de trabajo, la cual depende de la temperatura.
Los métodos de diseño que omiten el balance de energía crean conclusiones erróneas en muchos casos. El incremento de la luz de aceite reduce el espesor de la película de aceite si la viscosidad se mantiene constante, pero aumenta si se considera que con ello aumenta el caudal de aceite y disminuye la temperatura de aceite aumentando la viscosidad real en la zona de trabajo. Con las facilidades actuales en computación la resolución de estas ecuaciones dejo de ser un problema.
Podemos analizar mediante modelos matemáticos en un cojinete la variación del espesor de la película de aceite para diversas circunstancias. Definiendo de esta forma la optima luz de aceite y los limites recomendables de la misma.
Cojinetes
sometidos a cargas variables
Al modificarse la dirección e intensidad de la carga sobre el eje, como en un motor de C.I., este se desplazara dentro del cojinete para alcanzar una nueva posición de equilibrio (aproximadamente la zona menor espesor queda nuevamente opuesta a la carga)
Los movimientos el eje por la variación de la carga puede se representado por un diagrama de la trayectoria del centro del eje.
Si las cargas son cíclicas, también será cíclico los desplazamientos del eje y para cada punto del ciclo existirá una sola posición de equilibrio del eje dentro del cojinete.
En un motor de C.I. de 4 tiempos el ciclo de variación de cargas es de 720ª, por la que la trayectoria del eje dentro del cojinete también será de 720ª.
La estimación del posible desgaste de los cojinetes con cargas cíclicas se realiza analizando las trayectorias del centro del eje.
La distancia entre cada punto del ciclo y el círculo exterior es proporcional al espesor de la película de aceite. Si el punto de la trayectoria del centro del eje toca a este círculo exterior significa que consumió la luz de aceite existente, produciéndose un contacto metálico entre eje y cojinete.
De esta forma la aproximaciones de los puntos de la trayectoria del eje al circulo exterior son un indicador de las zonas del potencial desgaste del cojinete (la zona mas propensa al desgaste en la figura será la comprendida en los puntos del ciclo del motor de 180ª y 270ª).
Ubicación de los orificios y ranuras de lubricación
La localización de los orificios y ranuras de lubricación afectan las presiones hidrodinámicas generadas y por lo tanto al espesor de la película de aceite. Es imposible generar presiones hidrodinámicas en las zonas donde existen ranuras u orificios de lubricación.
En los cojinetes sometidos a cargas variables debe analizarse las presiones hidrodinámicas generadas en la película de aceite en cada punto del ciclo por posible interferencia de las ranuras y orificios de lubricación.
La ubicación del orificio y de las ranuras de lubricación debe estar en los valles del diagrama para no afectar la correcta alimentación del lubricante. (Recordaremos que las presiones hidrodinámicas son del orden 100 kg/cm2 contra 5km/cm2 del circuito de alimentación).
Deformaciones Mecánicas
Los modelos matemáticos que estudian el espesor de la película de aceite aceptan como hipótesis de trabajo un eje perfectamente redondo, sin inercia, microscópicamente suave,
Geométricamente perfecto, rígido y alineada con el cojinete lleno de un lubricante totalmente newtoniano. Los aceites reales varían su viscosidad en función de la presión y existen grandes deformaciones del cojinete y su alojamiento.
También los movimientos del eje dentro de los cojinetes producen alteraciones en el suministro de aceite. El aceite demora un cierto tiempo en recorrer la distancia entre el orifico de lubricación y la nueva área del cojinete bajo carga. Pueden generarse situaciones donde aparezcan zonas bajo cavitacion por insuficiente tiempo del aceite para alcanzarlas.
Materiales de cojinetes
Los requisitos básicos del material de un cojinete son:
Alta capacidad de carga
Poder de incrustación
Buena compatibilidad con el material del eje
Conformabilidad
Resistencia a la corrosión
Resistencia a la abrasión
Para cumplir alguno de estos requerimientos se deben emplear aleaciones blandas, casi plásticas, mientras que para otros lo requerido es una gran dureza. No hay material ideal para un cojinete y ello explica la existencia de una gran variedad de aleaciones.
Para motores con presiones hidrodinámicos altas, la dureza superficial del material es fundamental para evitar deformaciones plásticas de carga, mientras que en motores con películas de aceite delgadas, las propiedades tribologicas superficiales son fundamentales.
La elección del material del cojinete es el resultado de un compromiso entre una superficie tribologicamente apta para no dañar al cigüeñal cuando se interrumpe momentáneamente la película de aceite y ser suficientemente capaz de soportar esta situación sin desgastarse para que al restablecerse la lubricación se mantengan las condiciones iniciales.
En los motores con cojinetes trimetalicos con un respaldo de acero, capa base de CU-PB-SN y micropelícula el aumento de la dureza de esta última aumenta la resistencia a la abrasión. El aluminio al estaño tiene una gran resistencia a la abrasión.
No debe olvidarse la terminación del eje y su influencia sobre el desgaste del cojinete. Existen reglas, no siempre respetadas, para lograr una adecuada terminación del eje. Este proceso es crítico en los cigüeñales de fundición modular donde los módulos de grafito, que están rodeados por una matriz de ferrita, tienden a romper y emerger como lenguas de metal.
A menor rugosidad del eje menor será la película de aceite necesaria para funcionar sin problemas.
Flujo de aceite al cojinete
El sistema eje-cojinete es alimentado con el lubricante por un sistema presurizado para llenar los huelgos entre piezas.
El flujo pasante a través del cojinete disipa el calor generando por fricción por lo que influye directamente en la temperatura de trabajo del cojinete y depende:
De la luz de aceite: varía con el cubo de la luz aceite.
Del diámetro del cojinete: es directamente proporcional
De la presión de alimentación: es directamente proporcional
De la viscosidad dinámica: es inversamente proporcional
Del ancho del cojinete: es inversamente proporcional
De la existencia de ranuras de lubricación : aumentan el caudal
De la ubicación del orificio de alimentación: aumenta si el mismo es halla en la zona de mayor excentricidad del cojinete (será cuatro veces mayor que si estuviera en la zona media).
De la excentricidad del cojinete: aumenta el caudal al aumentar aquella.
Del juego axial del cojinete.
El caudal requerido de lubricante es el necesario para disipar el calor generado en el cojinete.
Temperatura de funcionamiento
La generación de temperaturas del cojinete se debe el roce interno del lubricante por lo que será proporcional a la viscosidad del lubricante.
La disipación del calor se realiza por la circulación del aceite, siendo proporcional al caudal de aceite.
Cuando en el nivel del depósito de aceite disminuye (por ejemplo el carter de un motor) generalmente aumenta la temperatura del cojinete por disminuir el tiempo que el aceite tiene para disipar el calor adquirido.
El aumento de la viscosidad del aceite genera una mayor temperatura y por lo tanto una caída mayor de la viscosidad real.
La prolongada durabilidad y bajo rozamiento se logra por interponer entre la superficie de trabajo del cojinete y el eje una delgada película de aceite.
El desgaste del cojinete o del eje se produce cuando este película de aceite es demasiado delgada como para separar totalmente las micro regularidades de las dos piezas, las cuales al tocarse genera un fuerte frotamiento con desprendimiento de partículas que desgasta las partes. Esta lubricación imperfecta o semilíquida ocurre principalmente por fallas en la lubricación o sobrecargas mecánicas o térmicas.
Las características de los materiales de los cojinetes son críticas en aquellos momentos donde el contacto metálico es inevitable, debiendo soportar estas condiciones sin deteriorarse hasta que la película de aceite se restablezca.
La confiabilidad de un cojinete depende del espesor de la película de aceite lo que regula el margen de seguridad que existe para las sobrecargas.
Lubricación hidrodiná
micaLa genera el propio movimiento del eje. El eje en reposo se apoya en la zona opuesta a la carga o peso que soporta, dejando entre el y el cojinete un espacio en forma de media luna.
El aceite que llena este espacio es arrastrado al comenzar a girar el eje como consecuencia de la adherencia del aceite a las superficies metálicas.
Al llegar el lubricante a la zona de apoyo del eje y no poder seguir circulando se genera una presión en el aceite. Conforme aumenta las revoluciones del eje aumenta el volumen de aceite arrastrado y consecuentemente la compresión del aceite en esa área hasta que la presión así generada ejerce una fuerza sobre el eje igual y opuesto a la carga que soporta. En ese momento el eje deja de estar apoyado en el cojinete y comienza a “flotar “en aceite.
Si continuamos incrementando la velocidad del eje, mayor será la cantidad de aceite impulsado y por lo tanto la presión generada, por lo cual el eje se separa del cojinete dejando pasar el aceite sobrante a la carga o peso del eje. Esa elevación o separación es el espesor de la película de aceite.
En este fenómeno hay dos propiedades fundamentales del lubricante, la viscosidad y la capacidad de adherirse a las superficies metálicas.
Factores que afectan la película de aceite
Velocidad de eje: cuando incrementamos las revoluciones del eje aumenta la cantidad de aceite arrastrado y por ello se incrementa el espesor de la película de aceite.
Carga sobre el eje: las presiones generadas para balancear las mayores cargas producen un menor espesor de la película de aceite.
Viscosidad del aceite: al incrementar viscosidad mayor será la cantidad de aceite arrastrado, mayores será las presiones generadas y mayor será el espesor de la película de aceite.
Luz de aceite: cuando se incrementa la luz de aceite (diferencia entre el diámetro interno del cojinete y el diámetro exterior del eje) aumenta el ángulo de la cuña de aceite y por lo tanto menor el área del cojinete donde se generan las presiones hidrodinámicas. Estas deben ser más elevadas para generar en un área menor igual fuerza por lo que el espesor de la película de aceite disminuirá.
Relación ancho /diámetro: cuando menor es el ancho en relación al diámetro, mayor será el flujo de aceite que escapa axialmente y que no contribuye a generar presiones hidrodinámicas. A menor relación ancho/diámetro, menor espesor de película de aceite.
Factores de diseño: la ubicación de los orificios y ranuras de lubricación interfieren con las zonas de presiones hidrodinámicas.
Factores de instalación: la desalineación o falta de forma cilíndrica del alojamiento o del muñón provoca espesores menores de la película de aceite en esas áreas.
Espesor de la película de Aceite
El calculo del espesor de la película se basa en las formulas de Osborne Reynolds y Beauchamps Tower. La resolución de la ecuación de Reynolds por métodos analíticos no es simple por la necesidad de obtener el valor real de la viscosidad del aceite en la zona de trabajo, la cual depende de la temperatura.
Los métodos de diseño que omiten el balance de energía crean conclusiones erróneas en muchos casos. El incremento de la luz de aceite reduce el espesor de la película de aceite si la viscosidad se mantiene constante, pero aumenta si se considera que con ello aumenta el caudal de aceite y disminuye la temperatura de aceite aumentando la viscosidad real en la zona de trabajo. Con las facilidades actuales en computación la resolución de estas ecuaciones dejo de ser un problema.
Podemos analizar mediante modelos matemáticos en un cojinete la variación del espesor de la película de aceite para diversas circunstancias. Definiendo de esta forma la optima luz de aceite y los limites recomendables de la misma.
Cojinetes
sometidos a cargas variablesAl modificarse la dirección e intensidad de la carga sobre el eje, como en un motor de C.I., este se desplazara dentro del cojinete para alcanzar una nueva posición de equilibrio (aproximadamente la zona menor espesor queda nuevamente opuesta a la carga)
Los movimientos el eje por la variación de la carga puede se representado por un diagrama de la trayectoria del centro del eje.
Si las cargas son cíclicas, también será cíclico los desplazamientos del eje y para cada punto del ciclo existirá una sola posición de equilibrio del eje dentro del cojinete.
En un motor de C.I. de 4 tiempos el ciclo de variación de cargas es de 720ª, por la que la trayectoria del eje dentro del cojinete también será de 720ª.
La estimación del posible desgaste de los cojinetes con cargas cíclicas se realiza analizando las trayectorias del centro del eje.
La distancia entre cada punto del ciclo y el círculo exterior es proporcional al espesor de la película de aceite. Si el punto de la trayectoria del centro del eje toca a este círculo exterior significa que consumió la luz de aceite existente, produciéndose un contacto metálico entre eje y cojinete.
De esta forma la aproximaciones de los puntos de la trayectoria del eje al circulo exterior son un indicador de las zonas del potencial desgaste del cojinete (la zona mas propensa al desgaste en la figura será la comprendida en los puntos del ciclo del motor de 180ª y 270ª).
Ubicación de los orificios y ranuras de lubricación
La localización de los orificios y ranuras de lubricación afectan las presiones hidrodinámicas generadas y por lo tanto al espesor de la película de aceite. Es imposible generar presiones hidrodinámicas en las zonas donde existen ranuras u orificios de lubricación.
En los cojinetes sometidos a cargas variables debe analizarse las presiones hidrodinámicas generadas en la película de aceite en cada punto del ciclo por posible interferencia de las ranuras y orificios de lubricación.
La ubicación del orificio y de las ranuras de lubricación debe estar en los valles del diagrama para no afectar la correcta alimentación del lubricante. (Recordaremos que las presiones hidrodinámicas son del orden 100 kg/cm2 contra 5km/cm2 del circuito de alimentación).
Deformaciones Mecánicas
Los modelos matemáticos que estudian el espesor de la película de aceite aceptan como hipótesis de trabajo un eje perfectamente redondo, sin inercia, microscópicamente suave,
Geométricamente perfecto, rígido y alineada con el cojinete lleno de un lubricante totalmente newtoniano. Los aceites reales varían su viscosidad en función de la presión y existen grandes deformaciones del cojinete y su alojamiento.
También los movimientos del eje dentro de los cojinetes producen alteraciones en el suministro de aceite. El aceite demora un cierto tiempo en recorrer la distancia entre el orifico de lubricación y la nueva área del cojinete bajo carga. Pueden generarse situaciones donde aparezcan zonas bajo cavitacion por insuficiente tiempo del aceite para alcanzarlas.
Materiales de cojinetes
Los requisitos básicos del material de un cojinete son:
Alta capacidad de carga
Poder de incrustación
Buena compatibilidad con el material del eje
Conformabilidad
Resistencia a la corrosión
Resistencia a la abrasión
Para cumplir alguno de estos requerimientos se deben emplear aleaciones blandas, casi plásticas, mientras que para otros lo requerido es una gran dureza. No hay material ideal para un cojinete y ello explica la existencia de una gran variedad de aleaciones.
Para motores con presiones hidrodinámicos altas, la dureza superficial del material es fundamental para evitar deformaciones plásticas de carga, mientras que en motores con películas de aceite delgadas, las propiedades tribologicas superficiales son fundamentales.
La elección del material del cojinete es el resultado de un compromiso entre una superficie tribologicamente apta para no dañar al cigüeñal cuando se interrumpe momentáneamente la película de aceite y ser suficientemente capaz de soportar esta situación sin desgastarse para que al restablecerse la lubricación se mantengan las condiciones iniciales.
En los motores con cojinetes trimetalicos con un respaldo de acero, capa base de CU-PB-SN y micropelícula el aumento de la dureza de esta última aumenta la resistencia a la abrasión. El aluminio al estaño tiene una gran resistencia a la abrasión.
No debe olvidarse la terminación del eje y su influencia sobre el desgaste del cojinete. Existen reglas, no siempre respetadas, para lograr una adecuada terminación del eje. Este proceso es crítico en los cigüeñales de fundición modular donde los módulos de grafito, que están rodeados por una matriz de ferrita, tienden a romper y emerger como lenguas de metal.
A menor rugosidad del eje menor será la película de aceite necesaria para funcionar sin problemas.
Flujo de aceite al cojinete
El sistema eje-cojinete es alimentado con el lubricante por un sistema presurizado para llenar los huelgos entre piezas.
El flujo pasante a través del cojinete disipa el calor generando por fricción por lo que influye directamente en la temperatura de trabajo del cojinete y depende:
De la luz de aceite: varía con el cubo de la luz aceite.
Del diámetro del cojinete: es directamente proporcional
De la presión de alimentación: es directamente proporcional
De la viscosidad dinámica: es inversamente proporcional
Del ancho del cojinete: es inversamente proporcional
De la existencia de ranuras de lubricación : aumentan el caudal
De la ubicación del orificio de alimentación: aumenta si el mismo es halla en la zona de mayor excentricidad del cojinete (será cuatro veces mayor que si estuviera en la zona media).
De la excentricidad del cojinete: aumenta el caudal al aumentar aquella.
Del juego axial del cojinete.
El caudal requerido de lubricante es el necesario para disipar el calor generado en el cojinete.
Temperatura de funcionamiento
La generación de temperaturas del cojinete se debe el roce interno del lubricante por lo que será proporcional a la viscosidad del lubricante.
La disipación del calor se realiza por la circulación del aceite, siendo proporcional al caudal de aceite.
Cuando en el nivel del depósito de aceite disminuye (por ejemplo el carter de un motor) generalmente aumenta la temperatura del cojinete por disminuir el tiempo que el aceite tiene para disipar el calor adquirido.
El aumento de la viscosidad del aceite genera una mayor temperatura y por lo tanto una caída mayor de la viscosidad real.
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