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TEMA 4.- DISTRIBUCIÓN
INTRODUCCIÓN
La distribución se puede definir como el
conjunto de elementos necesarios para regular la
entrada y salida de gases del cilindro de los
motores de cuatro tiempos.
Para ello actúa abriendo y cerrando las
válvulas en los tiempos de admisión y escape de
forma sincronizada con el giro del cigüeñal.
Los elementos que constituyen la distribución
son los siguientes:
- Válvulas
- Levas.
- Empujadores
- Balancines.
- Elementos de regulación.
El esquema básico de la distribución de un
motor alternativo es como se presenta en la
siguiente figura:
1.- Válvula. 2.- Asiento. 3.- Guia. 4.- Fijador. 5.- Leva. 6.- Empujador. 7.- Regulador.
1 2 3 4 6 6 5
7 6
Figura 1.- Esquema básico de la distribución.
La válvula está compuesta de cabeza , que
sirve para cerrar el orificio de paso de los gases, y
vástago o cola , que sirve para guiar el movimiento
y para transmitir a la cabeza el empuje de la leva y
la fuerza del muelle.
La estanqueidad se realiza, por regla general,
por medio de una superficie tronco-cónica tallada
en la periferia de la cabeza, esta superficie se
apoya sobre un asiento que lleva tallado un contra
cono que asegura la hermeticidad. La válvula se
abre desplazándose hacia el interior de la cámara
de combustión, lo que favorece la estanqueidad ya
que la presión de los gases se opone a su
apertura.
El desplazamiento que realiza la válvula desde
su posición de cierre hasta la de máxima apertura
se denomina alzada , la cual se logra gracias a la
leva o camón , que accionada por su eje, el cual
recibe el movimiento desde el cigüeñal transmite el
movimiento alterno a la válvula casi siempre por
medio un empujador.
La disposición de las válvulas varía de unos
motores a otros, y aunque la disposición más
normal es la de válvulas en la culata, es posible
encontrar válvulas dispuestas en el lateral del
cilindro, si bien esta disposición de válvulas sólo
se adopta en motores que tienen baja relación de
compresión.
Las válvulas en culata permiten una forma más
reducida y mayores relaciones de compresión.
Figura 2.- Disposición de las válvulas laterales y en culata.
El funcionamiento de las válvulas ha de ser tal
que permitan el máximo llenado del cilindro y la
menor resistencia posible a la salida de los gases
quemados. Para ello tienen que moverse de forma
que la apertura y cierre se den en el instante más
adecuado, con la máxima rapidez posible y con la
máxima sección de paso durante la mayor parte
del tiempo de aspiración y de escape.
Los sistemas de accionamiento de las válvulas
varían según su posición en el motor y según los
elementos que sirven de enlace con las levas. Los
más empleados en la actualidad se representan
por siglas que frecuentemente es posible ver en la
tapa del motor:
- Sistema SV.
- Sistema OHV.
- Sistema OHC.
El sistema SV o de válvulas laterales es el
tipo de distribución que tiene levas y válvulas
situadas al lado del cilindro.
Figura 3.- Sistema de distribución SV.
Este sistema, aunque es muy sencillo, ya que
emplea pocos elementos para el accionamiento de
las válvulas y reduce al máximo los efectos de la
inercia producidos por el movimiento alternativo de
los empujadores, se emplea poco en la actualidad,
debido al excesivo volumen que requiere en la
cámara de combustión, lo que origina bajas
relaciones de compresión y, por tanto, poco
rendimiento térmico.
Entre la leva y la cola de válvula se coloca un
empujador o taqué provisto de un tornillo
regulador que permite modificar la holgura entre el
vástago de válvula y el empujador. A veces el
empujador tiene intercalado un rodillo giratorio con
el que se consigue un funcionamiento más suave
y, sobre todo, un menor desgaste.
Figura 4.- Mecanismo de empuje del sistema SV
El sistema OHV o de levas en bloque y
válvulas en culata es el sistema más generalizado
debido a su sencillez constructiva y a sus
interesantes características de funcionamiento.
Como elementos de enlace entre las levas y las
válvulas emplean un sistema de empujadores y
balancines , como se muestran en la siguiente
figura.
Figura 5.- Sistema de distribución OHV
El empujador o taqué en contacto con la leva,
es de forma de cilindro hueco dentro del cual se
coloca una varilla metálica que sirve de enlace con
el balancín, el cual, como una palanca de primer
genero, tiene dos brazos uno de los cuales recibe
el empuje de la varilla y va provisto de un
dispositivo de regulación de la holgura que
consiste en un tornillo roscado sobre el balancín
con una tuerca de fijación
El sistema OHC o de levas y válvulas en
culata es el medio más directo de transmitir el
movimiento a las válvulas. Pero, aunque evita los
efectos de inercia y de holgura, resulta más
complejo ya que la colocación de los árboles sobre
la culata requiere soportes especiales que dan al
motor mayor altura y exigen en su fabricación
elementos específicos para accionar la bomba de
combustible , la bomba de aceite y el distribuidor
del encendido , los cuales, en los sistemas
anteriormente descritos, toman el movimiento
desde el mismo eje que acciona las levas
conocido como árbol de levas.
A pesar de sus inconvenientes, este tipo de
distribución reduce al máximo los efectos de
inercia en la transmisión, lo que lo hace
particularmente apto para motores muy
revolucionados.
En las válvulas de admisión, se emplean
aceros de menor calidad debido a las condiciones
de trabajo menos rigurosas. Generalmente se trata
de aceros al carbono , con pequeñas proporciones
de cromo, silicio y níquel.
La cabeza de la válvula cuyo diámetro queda
limitado por el tamaño de la cámara de
combustión, debe tener las máximas dimensiones
posibles. Como esto conlleva problemas de
sobrecalentamiento, hoy se utiliza la técnica
denominada multiválvulas o de montaje de varias
válvulas por cilindro, con lo que se aumenta el
rendimiento volumétrico y se consigue una mejor
refrigeración.
D
d
Figura 9.- Dimensiones de la válvula.
La práctica enseña que la velocidad de entrada
de gases frescos no debe superar los 80 m/s, y la
de salida de los gases de escape no debe ser
mayor de 100 m/s.
Las dimensiones del vástago de las válvulas
para no sobrepasar los límites tolerables por los
materiales usados debe ser de:
d
El ángulo de asiento más generalizado es el
de 45º porque, si bien en algunos motores se usan
30º en las válvulas de admisión con lo que se
consigue un mejor llenado de los cilindros.
La apertura de la válvula, cuyo valor depende
de la excentricidad de la leva y de la forma de los
balancines, guarda relación con las dimensiones
de la cabeza, y se determina mediante la fórmula:
d h
Los tipos de válvulas más usadas son los
siguientes:
Válvulas de cabeza esférica , las cuales tienen
la cabeza con forma abombada. Por su robustez
son las más empleadas.
Válvula de cabeza plana , las cuales, aunque
menos robustas que las anteriores, reducen los
efectos de inercia, y se emplean en motores
ligeros de pequeña y media cilindrada.
90º
Figura 10.- Válvula de cabeza plana.
Válvulas de tulipa , las cuales tienen un ángulo
de cono de 120º, lo que facilita la entrada y la
evacuación de gases, se utilizan en motores
diseñados para altas prestaciones.
120º
Figura 11.- Válvula de tulipa.
En algunos casos es posible encontrar
motores que llevan válvulas especiales como son
las válvulas con deflector, que se empleaban en
los motores Diesel dotados de sistemas de
inyección a baja presión, para favorecer la
agitación de los gases y con ella mejorar la
combustión.
Figura 12.- Válvula con deflector.
Cada válvula se desplaza en el orificio de su
guía correspondiente y, cuando no actúa la leva,
se mantienen cerrando el orificio de la culata por la
acción de un muelle colocado alrededor del
vástago, al cual se une mediante dos medias
chavetas y una cazoleta , según se presenta en la
siguiente figura:
1
2
3
1.- Ranura de fijación. 2.- Chavetas. 3.- Cazolete.
Figura 13.- Montaje de la válvula y despiece de sus
componentes.
La apertura de las válvulas puede hacerse por
un solo árbol de levas, o por dos, uno para las
válvulas de admisión y otro para las de escape,
situados uno a cada lado de la cámara de
combustión. Según se utilice uno u otro modelo la
disposición de las válvulas en la culata puede
presentarse como se muestra en las siguientes
figuras:
E AA EE A (^) A E
E
A
E
A
E
A
E
A
Figura 14.- Distribución de las válvulas en doble línea.
Como la culata no puede soportar los impactos
que se producen durante el funcionamiento de las
válvulas, se colocan en ella los denominados
asientos de válvulas , los cuales son sencillas
piezas montadas a presión en alojamientos
tallados en la propia culata, conformadas de forma
que el cono de las válvulas asienta perfectamente
en ellas, y construidas de un acero aleado al
cromo-niquel con la dureza necesaria, tratado
posteriormente a la fabricación mediante
nitruración.
Figura 15.- Asiento de válvulas.
El montaje de estas piezas se efectúa
calentando el alojamiento de la culata donde va
situado el asiento, el cual se mantiene en un baño
de hielo seco para su contracción. Una vez
colocados los asientos en su alojamientos, al
alcanzar la misma temperatura ambos elementos
quedan perfectamente ajustados.
Para evitar desgastes excesivos en la culata
las válvulas se desplazan en unos casquillos
cilíndricos denominados guías de las válvulas que
se colocan siguiendo el proceso indicado. Además
de evitar el desgaste de la culata y de servir de
guía a la válvula durante su desplazamiento, las
guías transmiten el calor absorbido por las
válvulas al circuito de refrigeración.
El material empleado en la fabricación de guías
de válvula es una aleación semejante a la de los
asientos, que además lleva molibdeno, lo que le
confiere características autolubricantes.
1
2
3
1.- Válvula.
2.- Guía de válvula.
3.- Asiento.
Figura 16.- Asiento y guía de válvula.
Las guías se construyen con un ajuste muy
preciso con el vástago de las válvulas para evitar
fugas de gases.
Para mantener asentada la válvula contra su
asiento se utilizan los denominados muelles de
válvulas En estos se puede dar, por el hecho de
soportar los esfuerzos necesarios para abrir y
cerrar las válvulas, los cuales tienen una
frecuencia variable con el régimen de giro del
motor, en las frecuencias próximas a su natural de
vibración, rebotes de forma que cuando por el
4 1 3 4 2 4 1 1 1 1 1
1 1
1.- Levas. 2.- Excéntrica, mando de la bomba del combustible. 3.- Piñón de arrastre distribuidor. 4.- Cojinetes.
Figura 20.- Árbol de levas
Es normal que sobre el mismo árbol de levas
se sitúe el accionamiento de la bomba de
combustible, el del distribuidor de encendido, y el
de la bomba de aceite.
Figura 21.- Disposición del árbol de levas en el motor.
El árbol de levas se fabrica por fundición en un
molde y una vez mecanizado se les somete a un
tratamiento de temple, gracias al cual adquiere
gran dureza. Una vez concluido el tratamiento se
rectifica para su acabado.
El dimensionamiento del árbol de levas se debe
hacer teniendo en cuenta que durante su
funcionamiento tiene que accionar las válvulas y
además mover otros órganos auxiliares del motor.
Es por lo que conviene darle mayor tamaño que el
estrictamente necesario ya que, como la
transmisión se realiza desde uno de sus extremos
y el par resistente es elevado, de no hacerse así,
la fatiga debida a la torsión produciría
deformaciones que harían que los cilindros más
alejados tuvieran una distribución inexacta.
El accionamiento del árbol de levas se realiza
desde el cigüeñal, para lo cual se emplean
diferentes sistemas de transmisión, los cuales
dependen del tipo de motor y de su situación en el
mismo.
Como la velocidad angular del árbol de levas
tiene que ser la mitad que la del cigüeñal, el
diámetro del engranaje arrastrado tiene que ser el
doble que el del engranaje conductor.
Cuando la distancia entre ejes es corta, la
transmisión se realiza por medio de dos
engranajes en toma constante, según se muestra
en la figura siguiente:
1 1.- Engranaje conductor. 2.- Engranaje arrastrado.
2
Figura 22.- Transmisión para distancia corta.
Cuando la distancia entre ejes es
suficientemente grande como para que los
engranajes en toma constante sean demasiado
grandes, se suele montar un tren simple de
engranajes con una rueda intermedia, según se
muestra en la figura siguiente:
3
1
1.- Engranaje conductor. 2.- Engranaje intermedio. 3.- Engranaje conducido.
2
Figura 23.- Transmisión para distancia media.
En este caso, para obtener una transmisión
silenciosa se emplean engranajes de dientes
helicoidales y el piñón intermedio se fabrica de
material plástico para evitar el contacto directo
entre ruedas metálicas.
Cuando el árbol de levas está situado en la
culata, el sistema de transmisión consiste en dos
piñones unidos por una cadena provista de tensor,
gracias al cual son eliminados los desfases en la
distribución y el aumento del nivel de ruido que
producen el inevitable alargamiento de la cadena
tras periodos prolongados de funcionamiento.
1
2 3
1.- Engranaje conductor. 2.- Cadena de rodillos. 3.- Engranaje conducido. 4.- Tensor.
4
Figura 24.- Transmisión para distancia larga.
En los motores con árbol de levas en la
culata o con doble árbol de levas es frecuente
utilizar una correa dentada de caucho con
armadura de poliamida, cuyas mayores ventajas
son su ausencia de ruido y su baja inercia. Este
sistema tiene el inconveniente de requerir un
mayor entretenimiento, si bien, como los piñones
conductor y arrastrado van montados en el exterior
del bloque, se facilita el cambio de la correa
cuando se produce el desgaste de la misma.
1
(^2 )
5
3
1.- Piñon conductor.
2.- Piñon arrastrado.
3.- Tensor.
4.- Piñon arrastrado.
5.- Correa dentada.
Figura 25.- Transmisión de la distribución por correa dentada.
La sincronización del árbol de levas y el
cigüeñal para que la apertura y cierre de las
válvulas coincida exactamente con los instantes
establecidos por los fabricantes del motor es
necesaria. Para ello cada motor lleva unas marcas
de referencia en los engranajes de la distribución
que hay que hacerlas coincidir. No obstante,
cuando no se conocen estas marcas, la puesta a
punto se realiza por medio del volante de inercia,
para ello, y una vez conocidas las cotas de reglaje
del motor, se coloca el primer cilindro en el PMS. A
continuación se trazan dos marcas coincidentes en
cualquier punto del volante y del cárter. A partir de
ellas y en sentido del avance, se marca en el
volante el ángulo correspondiente al adelanto de
apertura de la admisión y se gira el volante en
sentido contrario, hasta que coincida la nueva
marca con la anterior.
Una vez en esta posición, se hace girar el árbol
de levas hasta que la válvula de admisión del
primer cilindro esté en posición de iniciar su
apertura, lo cual ocurre cuando el balancín entra
en contacto con la cola de la válvula y, por último,
se conectan los engranajes de mando.
AAA
Figura 26.- Marcas del volante y cárter.
Entre la cola de la válvula y la leva tiene que
haber un huelgo, el cual es necesario para
absorber las dilataciones térmicas de los
elementos que componen la distribución. Si no se
dejara cuando el motor está frío un espacio
suficiente entre válvula y taqué, cuando el motor
alcanzase la temperatura de régimen, la cabeza
de la válvula permanecería despegada de su
asiento, lo que además de una pérdida de energía,
originaría un rápido deterioro de las válvulas.
El huelgo más adecuado puede obtenerse
mediante el denominado reglaje de taqués, el cual
es imprescindible para el buen funcionamiento del
sistema, ya que si se dejase un huelgo
insuficiente, al producirse la dilatación la válvula
podría quedar abierta, en cuyo caso existirían
fugas y si se dejase un huelgo es excesivo la
válvula tardaría más en abrirse y cerrarse, abriría
menos de lo previsto y habría un menor
rendimiento indicado.
La holgura correspondiente viene determinada
por el fabricante, el cual la fija empíricamente. Su
reglaje se efectúa mediante galgas que se colocan
entre la cola de la válvula y el extremo del
balancín.
BALANCINES
Son palancas que transmiten el movimiento de
las levas a las válvulas. En unos casos el eje de
giro de los balancines puede estar en su centro,
con lo que constituyen palancas de primer género,
y en otros puede estar en un extremo de la
palanca, con lo que constituyen palancas de
segundo género. En el primer caso se denominan
balancines basculantes y en el segundo
balancines oscilantes.
