La mecánica (Griego Μηχανική y de latín mechanìca o arte de construir una máquina) es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas.
En esta unidad, estudiaremos someramente cómo operan las fuerzas, los pesos y las masas en los componentes principales del motor diésel.
CARRERA DEL PISTON Y MANIVELA
Los movimientos del pistón se transmiten al cigüeñal por medio del perno a la biela y de la biela al muñón del cigüeñal.
Mediante estos tres órganos se transforma el movimiento hacia arriba y hacia abajo del pistón, llamado movimiento rectilíneo alternativo, en movimiento de rotación del cigüeñal.
Para los fines prácticos, la carrera del eje de biela puede considerarse que es uniforme alrededor de un círculo descrito con un radio R igual al largo de la manivela.
Por conveniencia, se representa en la fig. 17-1 el movimiento de un pistón a lo largo de una línea horizontal.Si la biela, en lugar de tener un largo en centímetros o pulgadas L, fuera infinitamente larga, entonces, en todas las posiciones de la manivela, la biela puede considerarse que permanece paralela a la línea de centros m-c, del cilindro, fig. 17-1.
La posición real del pie de la biela, cuando ésta tiene un largo en centímetros o pulgadas igual a L y la del pistón, pueden determinarse poniendo una punta del compás en el punto p y trazando un arco con un radio igual a L
para interceptar la línea horizontal en p. La distancia m-p será la carrera del pistón cuando la manivela haya recorrido el ángulo a.
Por otra parte, poniendo una punta del compás en el punto p y describiendo un arco con la otra punta, de manera de interceptar la línea de centro en p, nos dará la misma distancia 0-t igual a m-p. La carrera adicional s-t es originada porque la biela tiene una longitud finita, o por la oblicuidad
de la biela y se debe a que ésta está inclinada a un ángulo b en lugar de estar paralela como cuando tiene un largo infinito.
Así que, la oblicuidad de la biela durante los primeros 20° de movimiento de la manivela desde la izquierda o punto muerto superior, aumenta el largo de recorrido de pistón si se compara con una biela infinita: Recíprocamente el ángulo de la carrera de la manivela es más pequeño que con una biela infinita. De modo que, para la posición media del pistón, el ángulo a2 es menor de 90°, Evidentemente la carrera total del pistón m-n = 0-r = 2 - R.
VELOCIDAD DEL PISTON
Mientras que la carrera del eje de biela es uniforme y tiene una velocidad constante, la carrera del pistón no es uniforme y la velocidad del mismo varía constantemente. En cada punto muerto, el pistón se para, su velocidad se hace cero; según el pistón comienza a moverse, la velocidad aumenta gradualmente y alcanza un máximo cuando el ángulo a, fig. 17-1, formado por la manivela y la línea de centro del cilindro es igual a 90°. Después de esta posición, la velocidad del pistón comienza a decrecer y de nuevo en el punto muerto se hace cero.
Para muchos cálculos es necesario conocer la velocidad promedio o velocidad efectiva del pistón, o la velocidad constante con la cual el pistón debía moverse para recorrer la misma distancia en el mismo tiempo que él recorre con su velocidad variable. De la definición de velocidad, ésta puede expresarse como la distancia recorrida dividida por el tiempo en el cual hace el recorrido. Es costumbre expresar la velocidad del pistón en metros/seg. ó pies/minuto. La distancia recorrida por el pistón en una revolución es evidentemente igual a dos carreras. La carrera del pistón se mide usualmente en centímetros o pulgadas.
INERCIA
Inercia es la resistencia de un cuerpo al efectuar un cambio de movimiento. Es la tendencia de un objeto a permanecer en reposo si está estacionario, o a continuar su movimiento si está moviéndose. La inercia no puede medirse directamente; sin embargo, puede representarse en función de la fuerza que deberá ser aplicada a un cuerpo para cambiar su velocidad.
Como el caso de cualquier fuerza las fuerzas de inercia se representan en kilogramo o libras. Puesto que el cambio de velocidad se llama aceleración, por ello, la inercia puede definirse como que es
igual a aquella fuerza que debería ser aplicada a un cuerpo para impartirle cierta aceleración, ya para acelerarlo o para moderarlo, según sea el caso. Numéricamente, la fuerza de inercia F, es igual al peso de un cuerpo P dividido por la aceleración de la fuerza de la gravedad g =1 9,81 rn/s.g.
La ecuación 17-1 y el ejemplo anterior muestran que la fuerza de inercia de un cuerpo no es una cantidad fija sino variable. La fuerza de inercia de un cuerpo depende de la aceleración que se aplique a un cuerpo, o en otras palabras, de la relación de cambio de su velocidad. Mientras más péqueño sea el tiempo durante el cual ocurre un cambio, mayor es la aceleración requerida y mayor es la fuerza de inercia.
CARGAS DE INERCIA
Como se ha establecido anteriormente, un cambio de velocidad de un cuerpo no puede ocurrir a menos que una cierta fuerza nueva se aplique, la cual producirá una aceleración o desaceleración del cuerpo, según el caso.
La fuerza que debe ser aplicada es necesaria para vencer la inercia del cuerpo y puede computarse por la fórmula 17-1.
En el caso del movimiento del pistón, el peso p en la fórmula 17-1 significa el peso de todas las partes conectadas al pistón y que tiene un movimiento alternativo con él, incluyendo parte del peso de la biela. Cuando el pistón comienza su carrera desde el punto muerto superior, su velocidad es cero y la aceleración a en la fórmula 17-1 tiene un valor máximo.
La fuerza F debe tomarse del movimiento rotativo uniforme del eje cigüeñal a través de la biela. Naturalmente, la función de un pistón es suministrar la fuerza que hace el trabajo, por esto, cuando la fuerza es suministrada desde otra fuente, como en el caso del cigüeñal, la fuerza con respecto a las fuerzas útiles del pistón es negativa, o que actúan en dirección opuesta.
Según el pistón comienza a moverse y a incrementar su velocidad, esta fuerza negativa comienza a decrecer. Cuando la velocidad del pistón alcance su máximo, ligeramente antes de la posición media del pistón, esta fuerza se hace cero. Después que la velocidad del pistón comienza a decrecer y la fuerza de inercia empieza a actuar en la dirección contraria, haciéndose positiva, ayuda al pistón a entregar fuerza al eigüeñal y gradualmente incrementa su valor. Cuando el pistón alcance el punto muerto inferior, la fuerza de inercia alcanza otro máximo. Cuando el pistón se para, la fuerza de inercia se hace cero, y cuando el pistón comienza en la carrera de retorno, la fuerza de inercia tendrá el mismo valor, pero actuará en dirección opuesta, haciéndose así negativa. Durante la carrera de retorno la fuerza de inercia seguirá los mismos cambios que en la carrera descendente, pero en dirección opuesta.
La influencia de la inercia puede presentarse muy claramente usando el diagrama pV. En lugar de usar la fuerza total de inercia en kilogramos o libras, es conveniente referir la fuerza en cm2 ó a una pulgada cuadrada del área del pistón dividiendo la fuerza por el área del pistón. El resultado estará expresado en J(g/cm o en Lbs/pulg2 ,
en las mismas unidades que la presión en un diagrama indicador. La carrera del pistón estará representada por las abcisas, las cuales, como se ha explicado, al mismo tiempo son proporcionales a los volúmenes y el diagrama es, por lo tanto, un diagrama pV.
La fig. 17-2 representa tal diagrama, Ia curva 1-2 es la carrera descendente y 3-4 es la carrera de retorno. Las fuerzas positivas o más bien, las presiones, se demuestran mediante ordenadas desde la línea de cero presión hacia arriba, las presiones negativas desde la misma línea hacia abajo, aunque las áreas separadas, tales como 1-q-n1:-1, ó q-2-N-q representan trabajo absorbido o hecho por el pistón, el resultado neto debe ser cero trabajo y no puede ser ni creado ni perdido.
Las fuerzas de inercia se aplican a los cojinetes de muñón y de perno de biela, y desde el eje de biela a los cojinetes principales. Las fuerzas aplicadas a los cojinetes se llaman comúnmente cargas de los cojinetes, y por esto, las fuerzas de inercia se denominan corno cargas de inercia.
DIAGRAMAS DE ESFUERZO NETO
Las fuerzas o cargas aplicadas a los cojinetes de un motor provienen de las presiones de la combustión y de las cargas de inercia. La combinación de esta fuerza da el llamado diagrama de esfuerzo neto.
El diagrama se obtiene primero trazando la presión de un diagrama indicador de las carreras consecutivas de un pistón. Cuando las presiones están actuando en la misma dirección que el movimiento del pistón, las mismas se consideran positivas, y cuando están actuando contra la dirección del movimiento del pistón, se consideran negativas.
Las presiones positivas se trazan sobre la línea de cero presión, las presiones negativas por debajo de esta línea, lo mismo que las fuerzas de inercia, fig. 17-2. En este caso, la línea atmosférica se usa como la línea de cero presión.
En un diagrama indicador pV retrasado de esta manera se representa la fig. 17-3 con líneas de poco grosor.Después de esto las presiones de inercia como las mostradas en la fig. 17-2 se computan para el mismo motor y se dibujan a la misma escala del resorte del indicador de diagramas en la fig 17-3 para las mismas carreras consecutivas y se usan líneas de rayas y puntos. Finalmente, las presiones para varios puntos consecutivos se combinan; cuando las dos presiones para un cierto punto tienen el mismo signo, sea positivo o negativo, ellas se suman, y cuando en cierto punto ellas tienen signo diferente, la menor se deduce de la mayor y se retiene el signo de la mayor. La combinación o líneas de presión resultantes se entran en la figura 17-3 como, líneas gruesas. La distancia vertical desde cualquier punto en la curva final a la línea de cero-presión, multiplicada por la escala de resorte dará la presión neta en este punto de la carrera en kg/cm2 o P.SI., y multiplicándola por el área del pistón del motor, en cm2 ó pulgadas cuadradas, se obtendrá el esfuerzo neto o carga que actúa sobre el pistón.
TORQUE
Torque es el efecto de giro o tiende a hacer girar un cuerpo. Para producir una rotación de un cuerpo libre, debe hacer dos fuerzas iguales y opuestas actuando a lo largo de líneas paralela, pero en puntos separados de un cuerpo, Estas dos fuerzas forman lo que se conoce como par. La perpendicular o distancia más corta entre las líneas de acción de las fuerzas se denomina el brazo del par. La magnitud del par, llamada el momento del par, se expresa como el producto de una de las fuerzas, multiplicado por el largo del brazo del par.
Cuando un cuerpo gira alrededor del punto de aplicación de una de las fuerzas del par, como en un pivote fijo, el brazo del par se conoce como la palanca, y el momento de rotación se denomina par motor, o torque. Si la palanca se fija a un eje rotativo, se denomina manivela.
En la fig. 17-4 se muestra diagramáticamente una fuerza F, actuando perpendicularmente a una manivela que tiene un largo L, desde el centro de rotación O de un eje rotativo. El torque T, actuando en este árbol se expresa:
Las unidades mediante las cuales se mide el torque son kilográmetros lbs/pies o lbs/pulgs
ESFUERZO DE ROTACION
De la misma manera en la cual el movimiento alternativo del pistón es transformado en movimiento rotativo, así los esfuerzos netos ejercitados por el pistón son transformados en esfuerzo rotativo aplicado a la manivela.
El esfuerzo rotativo para cualquier posición de la manivela se determina de la manera siguiente:
El esfuerzo neto o fuerza Fp actuando en el pistón, fig. 17-5 da la fuerza Fe que actúa a lo largo de la biela si el largo 1-2 se hace igual a Fp en
una cierta escala, y se traza una perpendicular a 1-2 en el punto 2 y se extiende hasta el punto 3, la intersección con la dirección de la biela. El largo 1-3 dará la fuerza Fe en la misma escala que se dibujó Fp. Después la fuerza Fe se transfiere al eje de la biela , manteniendo la misma dirección,
y allí resultan dos componentes, una actuando radialmente desde el eje de biela hacia el centro del árbol y se designa como Fr, y la otra a ángulos rectos a Fr y se designa como Ft.
Debido a las características de un círculo, una 1ínea recta que forma un ángulo con un radio y trazada a través de su extremo es siempre tagente al círculo. En este caso, el círculo es el paso del eje de biela y la fuerza tange11cial es el esfuerzo de rotación. El producto del esfuerzo de rotación multiplicado por el radio R de la manívela, es el torque que en este caso se aplica al cigüeñal.
De la misma manera en la cual el movimiento alternativo del pistón es transformado en movimiento rotativo, así los esfuerzos netos ejercitados por el pistón son transformados en esfuerzo rotativo aplicado a la manivela.
El esfuerzo rotativo para cualquier posición de la manivela se determina de la manera siguiente:
El esfuerzo neto o fuerza Fp actuando en el pistón, fig. 17-5 da la fuerza Fe que actúa a lo largo de la biela si el largo 1-2 se hace igual a Fp en
una cierta escala, y se traza una perpendicular a 1-2 en el punto 2 y se extiende hasta el punto 3, la intersección con la dirección de la biela. El largo 1-3 dará la fuerza Fe en la misma escala que se dibujó Fp. Después la fuerza Fe se transfiere al eje de la biela , manteniendo la misma dirección,
y allí resultan dos componentes, una actuando radialmente desde el eje de biela hacia el centro del árbol y se designa como Fr, y la otra a ángulos rectos a Fr y se designa como Ft.
Debido a las características de un círculo, una 1ínea recta que forma un ángulo con un radio y trazada a través de su extremo es siempre tagente al círculo. En este caso, el círculo es el paso del eje de biela y la fuerza tange11cial es el esfuerzo de rotación. El producto del esfuerzo de rotación multiplicado por el radio R de la manívela, es el torque que en este caso se aplica al cigüeñal.
El número de variaciones de velocidad durante cada revolución es igual al número de cilindros que entra en combustión por revoluciones. En un motor de dos tiempos esto será igual al número de cilindros y en un motor de cuatro tiempos será igual a la mitad del númrero de cilindros.
Si se usara para medir la velocidad de rotación en un motor diesel un instrumento similar a un taquímetro, pero más sensible, su aguja fluctuaría entre las lecturas de máxima r.p.m. y mínima r.p.m.
Por otra parte, un contador de revoluciones da la velocidad del motor como el valor efectivo de r.p.m., el cual está en algún lugar entre el máximo r.p.m. y el mínimo r.p.m. indicado por el taquímetro y más bien cercano a su promedio.
La relación entre las r.p.m. efectivas y la diferencia entre la máxima r. p.m. y el mínimo r.p.m. es una medida de la uniformidad de rotación de un motor y se llama el coeficiente de regularidad.
La uniformidad de rotacíón depende del peso del volante y de otras partes rotativas, de la velocidad del motor, y el número de carreras de trabajo por revolución.
Así, si todas las demás cosas están iguales, un motor multicilíndrico tiene una mejor uniformidad de rotación, un mayor coeficiente de regularidad que un motor con número menor de cilindros y por la misma razón un motor de dos tiempos tiene una mayor uniformidad de rotación que un motor de cuatro tiempos.
La influencia de la velocidad es muy grande y el coeficiente de regularidad es proporcional al cuadrado de las revoluciones del motor, Por esto, cuando se reduce la velocidad de un motor, el coeficiente de regularidad cae rápidamente.
Los motores que funcionan con velocidades variables, tales como las embarcaciones menores y los buques que tengan los motores conectados a las hélices, usualmente tienen muy baja uniformidad de rotación en las velocidades sin carga y muy alta uniformidad a plena velocidad. En los motores diesel usados en la Armada, el coeficiente de regularidad varía desde alrededor de 30 en los motores de las embarcaciones menores hasta 200 ó aún más en los motores multicilíndricos acoplados directamente a los generadores eléctricos.
FACTOR DE VELOCIDAD
Los motores a menudo se dividen en varias clases de acuerdo con la capacidad de velocidad. Algunos se clasifican como motores de baja velocidad, otros como de media, y algunos como de alta velocidad. Sin embargo, a menos que se usara un patrón definido, la designación permanece vaga. Se hicieron intentos de usar ya la velocidad del motor , r. p.m ., o la velocidad del pistón , 10 minutos, como medida de capacidad de velocidad, pero ninguno de estos dos métodos puede dar una indicación correcta .
La velocidad rotativa , como tal, no es adecuada como característica de velocidad, porque no toma en consideración el tamaño del motor. Un motor de seis cilindros . 3-1/2 . 4-1/2 900 r.p.m. no es un motor de alta velocidad, pues usualmente este tipo de motor opera a velocidades hasta de 2000 r.p.m. y aun mayores.
Por otra parte los motores diesel 8-1/2 , 10-1/2, usualmente operan a velocidades que no exceden 750 rpm. y aún a esta baja velocidad tienen muchas características comunes con los motores de alta velocidad.
Lo anteríormente expuesto es cierto también, pero en sentdo inverso, con respecto a las velocidades del pistón. En un motor de gran tamaño, una velocidad del pistón relativamente elevada, 1800 pies/minuto, o más, puede obtenerse con relativamente baja r. p.m. ; en un motor de alta velocidad y de pequeñas dimensiones, la velocidad del pistón no es elevada.
Una buena característica de velocidad, demoninada factor de velocidad, se obtiene con el producto de la r. p.m. por la velocidad del pistón. Para obtener un número menor más fácilmente memorizable, el producto se divide por 100.000.
Así:
La misma relación se obtiene usando el sistema métrico decimal. Los números obtenidos para distintos motores diesel existentes están entre los límites de uno y algo menos que 81. De acuerdo con este dato, todos los motores pueden dividirse en cuatro clases, en cada clase se obtiene el límite superior multiplicando el límite inferior por tres:
1) Motores de baja velocidad, con un factor de velocidad de 1 a 3.
2) Motores de media velocidad, con un factor de velocidad de 3 a 9.
3) Motores de alta velocidad, con un factor de velocidad de 9 a 27.
4) Motores de super-alta velocidad, con un factor de velocidad de 27 a 81.
Significado práctico . La clasificación de un motor en los grupos anteriores de acuerdo con su factor de velocidad, tiene un valor particular para los fines del diseño del mismo. El conocimiento del grupo a que pertenece un motor es también de valor para el maquinista que lo opera; mientras mayor sea la clasificación por velocidad de un motor, más atención deberá el maquinista poner en su cuidado para mantenerlo en las mejores condiciones posibles de funcionamiento, observando cada detalle dado por el fabricante en el manual de instrucciones y deberá ser más cuidadoso durante el mantenimiento, las inspecciones y las reparaciones generales.
Si se usara para medir la velocidad de rotación en un motor diesel un instrumento similar a un taquímetro, pero más sensible, su aguja fluctuaría entre las lecturas de máxima r.p.m. y mínima r.p.m.
Por otra parte, un contador de revoluciones da la velocidad del motor como el valor efectivo de r.p.m., el cual está en algún lugar entre el máximo r.p.m. y el mínimo r.p.m. indicado por el taquímetro y más bien cercano a su promedio.
La relación entre las r.p.m. efectivas y la diferencia entre la máxima r. p.m. y el mínimo r.p.m. es una medida de la uniformidad de rotación de un motor y se llama el coeficiente de regularidad.
Así, si todas las demás cosas están iguales, un motor multicilíndrico tiene una mejor uniformidad de rotación, un mayor coeficiente de regularidad que un motor con número menor de cilindros y por la misma razón un motor de dos tiempos tiene una mayor uniformidad de rotación que un motor de cuatro tiempos.
La influencia de la velocidad es muy grande y el coeficiente de regularidad es proporcional al cuadrado de las revoluciones del motor, Por esto, cuando se reduce la velocidad de un motor, el coeficiente de regularidad cae rápidamente.
Los motores que funcionan con velocidades variables, tales como las embarcaciones menores y los buques que tengan los motores conectados a las hélices, usualmente tienen muy baja uniformidad de rotación en las velocidades sin carga y muy alta uniformidad a plena velocidad. En los motores diesel usados en la Armada, el coeficiente de regularidad varía desde alrededor de 30 en los motores de las embarcaciones menores hasta 200 ó aún más en los motores multicilíndricos acoplados directamente a los generadores eléctricos.
FACTOR DE VELOCIDAD
Los motores a menudo se dividen en varias clases de acuerdo con la capacidad de velocidad. Algunos se clasifican como motores de baja velocidad, otros como de media, y algunos como de alta velocidad. Sin embargo, a menos que se usara un patrón definido, la designación permanece vaga. Se hicieron intentos de usar ya la velocidad del motor , r. p.m ., o la velocidad del pistón , 10 minutos, como medida de capacidad de velocidad, pero ninguno de estos dos métodos puede dar una indicación correcta .
La velocidad rotativa , como tal, no es adecuada como característica de velocidad, porque no toma en consideración el tamaño del motor. Un motor de seis cilindros . 3-1/2 . 4-1/2 900 r.p.m. no es un motor de alta velocidad, pues usualmente este tipo de motor opera a velocidades hasta de 2000 r.p.m. y aun mayores.
Por otra parte los motores diesel 8-1/2 , 10-1/2, usualmente operan a velocidades que no exceden 750 rpm. y aún a esta baja velocidad tienen muchas características comunes con los motores de alta velocidad.
Lo anteríormente expuesto es cierto también, pero en sentdo inverso, con respecto a las velocidades del pistón. En un motor de gran tamaño, una velocidad del pistón relativamente elevada, 1800 pies/minuto, o más, puede obtenerse con relativamente baja r. p.m. ; en un motor de alta velocidad y de pequeñas dimensiones, la velocidad del pistón no es elevada.
Una buena característica de velocidad, demoninada factor de velocidad, se obtiene con el producto de la r. p.m. por la velocidad del pistón. Para obtener un número menor más fácilmente memorizable, el producto se divide por 100.000.
Así:
1) Motores de baja velocidad, con un factor de velocidad de 1 a 3.
2) Motores de media velocidad, con un factor de velocidad de 3 a 9.
3) Motores de alta velocidad, con un factor de velocidad de 9 a 27.
4) Motores de super-alta velocidad, con un factor de velocidad de 27 a 81.
Significado práctico . La clasificación de un motor en los grupos anteriores de acuerdo con su factor de velocidad, tiene un valor particular para los fines del diseño del mismo. El conocimiento del grupo a que pertenece un motor es también de valor para el maquinista que lo opera; mientras mayor sea la clasificación por velocidad de un motor, más atención deberá el maquinista poner en su cuidado para mantenerlo en las mejores condiciones posibles de funcionamiento, observando cada detalle dado por el fabricante en el manual de instrucciones y deberá ser más cuidadoso durante el mantenimiento, las inspecciones y las reparaciones generales.
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MTD UNIDAD 3: PARTES DE UN MOTOR.
MTD UNIDAD 4: CICLOS DE DOS Y CUATRO TIEMPOS
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FUENTES:
M.J.D.
MAQ 305 MOTORES DIESEL CAPITULO 17 Mecánica del motor.
https://es.wikipedia.org/wiki/Mec%C3%A1nica
