EL PISTN DE CILINDRO
Se denominapistna uno de los elementos bsicos delmotor de
combustin interna.Qu es un pistn
El pistn es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en
la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. Es uno de
los elementos bsicos del motor de combustin interna.
El movimiento del pistn es hacia arriba y abajo en el interior
del cilindro, comprime la mezcla, transmite la presin de combustin
al cigeal a travs de la biela, fuerza la salida de los gases
resultantes de la combustin en la carrera de escape y produce un
vaco en el cilindro que aspira la mezcla en la carrera de
aspiracin.
El pistn, que a primera vista puede parecer de las piezas mas
simples, ha sido y es una de las que ha obligado a un mayor
estudio. Debe ser ligero, de forma que sean mnimas las cargas de
inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rgido y
resistente para soportar el calor y la presin desarrollados en el
interior de l la cmara de combustin.
El pistn resiste una gran empuje durante el ciclo de combustin
del motor, por lo que deben poseer una gran resistencia mecnica. Su
resistencia a las temperaturas tambin es importante, tener en
cuenta su contacto con la cmara de combustin.
Desde el punto de vista lgico en los pistones se puede
distinguir dos grandes partes, la falda y la cabeza del pistn.
La parte de la cabeza del pistn al observarse con detenimiento,
hasta tiene en su extremo superior una parte que cierra al pistn,
conocido como corona. Adems de la corona la cabeza tambin posee
unas ranuras, en ellas es donde van asentados los anillos.
Por ultimo, en la falda un agujero que permite conectar a la
biela, a este agujero se lo conoce como pasador ya que en realidad
se denomina pasador a cualquier agujero donde generalmente pasa
otra pieza para sujecin).El pistn sirve sencillamente es para
recibir la fuerza de empuje recibida durante el ciclo de trabajo
conocido comnmente como tiempo de combustin. Su posicin exacta en
el motor es dentro del cilindro, con su corona hacia arriba y la
falda hacia abajo conectada esta ultima con la biela gracias al
pasador.
El pistn es de forma cilndrica y suele estar fabricado con una
aleacin de aluminio. Su fabricacin implica el uso de altas
tecnologas para lograr una mxima precisin en cuantos a medidas y
lograr la resistencia adecuada para soportar el desgaste causado
por la temperatura y movimiento.
El pistn esta constitudo por varias secciones fcilmente
reconocibles: la cabeza del pistn y falda. En la cabeza del pistn
se encuentra en su parte superior la corona, cerrando la cabeza del
pistn (sta junto con las hendiduras en la tapa de cilindros forman
la cmara de combustn). La corona soporta el impacto provocado por
la expansin de los gases de la combustin y requiere materiales
extremadamente resistentes y livianos.
Debajo de la corona y tambin integrando la cabeza del pistn
existe una seccin con ranuras, aqu es donde los anillos se
asientan. Debajo de la cabeza se encuentra la denominada falda.El
pasador consiste en un agujero destinado a conectar la biela.Tipos
de pasadores
Pasador Fijo:Se coloca al pistn mediante un tornillo de presin
(o esprrago).Pasador Flotante:Se sujeta a los lados con pines de
presin el cual se inserta comprimido en una ranura circular,
permitiendo que el pasador gire con el pitn y la biela.Pistn
Semi-Flotante:Se utiliza un tornillo para apretar una abrazadera,
girando asi libremente en los soportes del pistn.La funcin del
pistn es dirigir la fuerza generada por la combustin dela mezcla a
la biela (la cual a su vez la dirige al cigueal).Al cambiar de
direccin en su recorrido descendente-ascendente y
ascendente-descendente el pistn el motor debe vencer la inercia
resultante, razn por la que se busca mantener el peso del pistn lo
ms liviano posible.El pistn se encuentra dentro del cilindro con la
corona dirigida hacia arriba, mientras que su parte inferior
abierta entra la biela conectada por el pasador.Los pistones son
ajustados de forma de dejar una pequea distancia con las paredes
del cilindro.Se contempla as la dilatacin del metal a causa del
calor y tambin el espacio necesario para la circulacin del
lubricante.
Tipos de Pistones
El pistn es un cilindro abierto por su base inferior, cerrado en
la superior y sujeto a la biela en su parte intermedia. El
movimiento del pistn es hacia arriba y abajo en el interior del
cilindro, comprime la mezcla, transmite la presin de combustin al
cigeal a travs de la biela, fuerza la salida de los gases
resultantes de la combustin en la carrera de escape y produce un
vaco en el cilindro que aspira la mezcla en la carrera de
aspiracin.
El pistn, que a primera vista puede parecer de las piezas mas
simples, ha sido y es una de las que ha obligado a un mayor
estudio. Debe ser ligero, de forma que sean mnimas las cargas de
inercia, pero a su vez debe ser lo suficientemente rgido y
resistente para soportar el calor y la presin desarrollados en el
interior de la cmara de combustin.
Veamos en esta oportunidad algunos tipos de pistones Sealed
Power de Federal Mogul que les proporcionar una mejor comprensin de
las caractersticas, beneficios y materiales de estos pistones para
su correcta aplicacin.
Comenzaremos por los materiales. Los pistones de los motores
actuales usan como elemento principal el aluminio, por ser un metal
con amplias cualidades.
En la fabricacin de los pistones, al aluminio se le agregan
otros elementos para obtener formulas adecuadas que proporcionan
las caractersticas particulares necesarias segn el tipo y aplicacin
del motor. Estas aleaciones son las que permiten obtener un
producto de alta calidad como es el caso de los pistones Sealed
Power.
( Figura 1 )
Pistones de aluminio fundido (Sufijos P, NP)
Uno de los procesos ms antiguos y an vigente, es el de la
fundicin de lingotes de aluminio en grandes Crisoles (donde se
calientan los metales hasta que se funden o pasan de slido a
lquido) que luego se vacan en moldes enfriados por agua bajo
sistemas especiales.
Posteriormente, comienza el proceso de mecanizado, efectuado por
diferentes maquinarias controladas por computadoras y por ltimo
pasan por una serie de procesos trmicos que les dan las propiedades
requeridas por las empresas fabricantes de equipo original. Estos
mismos pistones de la marca Sealed Power son los que tienen los
vehculos que salen de la fabrica y son los mismos ofrecidos en las
repuesteras como piezas de reposicin.
( Figura 2 )
Pistones forjados a presin (Sufijo F)
En ste proceso se utilizan trozos de barras de aleaciones de
aluminio cortados a la medida y sometidos a presiones de hasta 3000
toneladas de fuerza, En los troqueles se forja con exactitud las
dimensiones del pistn y las ranuras de los anillos con maquinados a
precisin para brindar optima calidad y confiabilidad en el uso de
estos, tanto en motoresde uso diario como de trabajos pesados e
incluso en los motores de autos de competencias (figura 1).
(Figura 3 )
Pistones Hipereutecticos (Prefijo H)
Estos pistones son fabricados con modernos sistemas de la ms
alta tecnologa metalrgica en la cual se emplean nuevas
formulaciones que permiten agregar una mayor cantidad de silicio,
logrndose una expansin molecular uniforme de los elementos
utilizados en su composicin. Esta tcnica de manufactura proporciona
a stos pistones caractersticas especiales, tales como soportar
mayor fuerza, resistencia y control de la dilatacin a temperaturas
altas, disminuyendo el riesgo de que el pistn se pegue o agarre en
el cilindro, la vida til esmayor ya que las ranuras de los anillos
y el orificio del pasador del pistn son ms duraderas, adems se
pueden instalar en los nuevos motores e igualmente se usan en
motores de aos anteriores. Esta particular tecnologa de los
pistones Sealed Power se impone en especial para las nuevas
generaciones de motores de alta compresin. Al usar pistones con
prefijo H su reparacin ser confiable (figura 2).
( figura 4 )
Pistones con capa de recubrimiento (Sufijo C)
Los primeros minutos de funcionamiento de un motor nuevo o
reparado son cruciales para la vida del motor. Los pistones de la
marcaSealed Power han estado a la vanguardia de la tecnologa del
recubrimiento de las faldas del pistn. Inicialmente se utiliz el
estao (ste le da un color opaco figura 3) pero por ser nocivo a la
salud ha sido eliminado por los fabricantes de pistones. En
sustitucin se est aplicando el nuevo recubrimiento anti-friccin
compuesto por molibdeno y grafito en las faldas (dndole un color
negro, figura 4).Este proceso patentado por Sealed Power extiende
la vida til de los motores que lo usan, evita que los pistones se
rayen, ayuda a prevenir daos por la lubricacin inadecuada y mejora
el sellado de los pistones.Tambin se usan los pistones sin
recubrimiento que tienen una apariencia brillante por el color del
aluminio al ser maquinado (figura 1).Fabricacin:
Grficas de posicin, velocidad y aceleracin de un pistn; en
funcin de distintas relaciones de R (brazo decigeal) y L (longitud
de biela).
Bsicamente existen dos procesos para la fabricacin de los
pistones: Estos pueden ser:Fundidos
Forjados
Dependiendo de la cantidad necesaria a producir y especialmente
de los esfuerzos, temperaturas, presiones, etc. a los que estarn
sometidos (sea un motor disel, de gasolina , de competicin, etc.)
se elige uno u otro mtodo. Los pistones forjados tienen mayor
resistencia mecnica. Luego llevan mecanizados varios que son los
que determinan la forma final del pistn. Estos mecanizados son
hechos con un CNC.Mecanizado del alojamiento del perno o buln de
pistn: se mecaniza el alojamiento del perno, como este perno estar
girando cuando el motor est en funcionamiento por lo que debe
quedar una superficie de buena calidad y rugosidad sin rayaduras.
Estos son dos orificios ubicados en paredes opuestas del pistn.
Estos agujeros deben ser concntricos (tener la misma lnea de eje) y
esta lnea debe ser paralela a la lnea de eje del mun del cigeal ya
que si as no fuese al funcionar el motor la biela se agarra con el
perno. Para que este perno no se salga y raye el cilindro se
colocan seguros seeger al final de los alojamientos realizados,
entonces se debe realizar las cavidades para poner los seguros.
Mecanizado del alojamiento de los aros: Se debe realizar la
cavidad para poder poner los aros. Para montar el conjunto pistn
aros dentro del cilindro los aros se comprimen, por lo tanto la
profundidad del alojamiento de los aros debe ser tal que todo el
aro quede oculto en el pistn. En el alojamiento del aro rasca
aceite se realiza un orificio pasante para que el aceite que se
saca del cilindro vaya hacia adentro del pistn y luego se lo
direcciona hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado.
Mecanizado de la cabeza del pistn: de acuerdo al diseo del motor
la cabeza puede no ser plana. Puede tener vaciados para mejorar la
homogeneidad de la mezcla en la admisin, vaciados para mejorar la
combustin y en los motores donde la compresin es alta se realizan
vaciados para que al abrir las vlvulas no golpeen al pistn. Se debe
eliminar cualquier canto vivo.Mecanizado exterior: Al hacer un
corte al pistn que pase por la lnea de eje del perno y al hacer
otro corte que sea perpendicular a la lnea del perno puede verse
que el pistn no tiene la misma cantidad de material en todas sus
paredes, es decir, que por donde pasa el eje la pared del pistn
tiene ms cantidad de material. Por lo tanto al aumentar la
temperatura el pistn dilata de forma desigual quedando con una
forma ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistn se
agarre en el cilindro. Para que no pase esto se realiza un
mecanizado exterior el cual le da una forma ovalada para que cuando
dilate quede de forma cilndrica. Este mecanizado es de solo algunas
milsimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto
es imperceptible a simple vista.Funcin Su funcin principal es la de
constituir la pared mvil de lacmara de combustin, transmitiendo
laenergade losgasesde lacombustina labielamediante un movimiento
alternativo dentro del cilindro. Dicho movimiento se copia en el
pie de biela, pero se transforma a lo largo de la biela hasta
llegar a su cabeza apretada al mun del cigeal, en donde
dichaenergase ve utilizada al movilizar dicho cigeal. De esta forma
el pistn hace de gua al pie de biela en su movimiento
alternativo.Nomenclatura de las partes del pistn Cabeza: Parte
superior del pistn cuya cara superior (Cielo) est en contacto
permanente con todas las fases del fluido: Admisin, compresin,
combustin y consecuente expansin y escape. Para permitir las
dilataciones producidas por el aumento de temperatura la cabeza es
de menor tamao, alcanzando su menor dimetro en el cielo. Segn sean
las necesidades del motor, la parte superior puede adoptar diversas
formas Cielo: Superficie superior de la cabeza contra la cual
ejercen presin los gases de la combustin. Puede ser plana, cncava,
convexa, tener labrados conductos toroidales, deflectores para
crear turbulencia, etc. Generalmente posee menor dimetro que el
extremo inferior del pistn debido a que se tiene que prever que al
estar en contacto con las temperaturas ms altas de todo el motor va
a existir una cierta dilatacin en el pistn, consistente en un
cierto ensanchamiento en su sector superior -es decir, en su
cabeza- y por esta razn el pistn adopta una forma tronco cnica con
su menor dimetro en su superficie superior. Alojamiento porta-aros:
Son canales asignados a lo largo de la circunferencia del pistn,
destinados a alojar los anillos. Los canales para los anillos
rasca-aceite poseen orificios en el fondo para permitir el paso del
aceite lubricante. Paredes entre canaletas: las partes de la regin
de los anillos que separan dos canales entre s. Falda o pollera:
Parte del pistn comprendida entre el centro del orificio del perno
y el extremo inferior del pistn. Forma una superficie de
deslizamiento y gua al pistn dentro del cilindro. Las faldas son de
hierro fundido, y se la une a la corona mediante soldaduras o por
embutimiento. En motores Diesel las faldas pueden formar una sola
pieza con la cabeza, y en motores grandes se suelen usar faldas no
integrales. Las faldas del pistn suelen ser de tipo planas o lisas,
acanaladas o partidas o tambin del tipo arrugado. Esto sirve para
contrarrestar la dilatacin o para mejorar la lubricacin. Las faldas
o ranuras permitan la expansin del metal sin aumento de dimetro.
Una particularidad interesante de las faldas arrugadas es que
tienen microfisuras en las cuales se transporta aceite, lo cual
mejora considerablemente la lubricacin y por ende alarga el tiempo
de vida til del pistn. El juego entre la falda y la superficie del
cilindro debe ser los ms reducido posible para evitar el cabeceo
del pistn. Para facilitar el deslizamiento y agarrotamiento del
pistn en muchas faldas se coloca una proteccin que consta de una
capa de metales antifriccin tales como plomo, cadmio, zinc o estao.
Orificio para perno del pistn: es el orificio situado en la falda
que aloja al perno, los pernos del pistn son piezas cilndricas de
acero al carbono, tratadas trmicamente que sirven de articulacin
entre el pistn y la biela. Cuando el perno est libre tanto en el
pistn como en la biela, se debe evitar el desplazamiento axial (Es
decir, hacia los costados) del mismo, para lo cual se realizan unas
ranuras en el borde de cada orificio y en dichas ranuras de montan
anillos elsticos que constituyen un tope al movimiento axial del
perno. Perno del pistn: Es un pasador tubular construido en acero
al 10% de carbono. Tiene tres formas posibles de fijacin entre el
pistn y la biela: Fijo a la biela y loco en el pistn: En este tipo
de anclaje el pasador del pistn queda fijo (Sin movimiento radial
respecto del pie de biela) en la biela y libre en el pistn. Este
tipo de anclaje permite al pistn bascular sobre el pasador, para
que pueda adoptar en su desplazamiento las posiciones adecuadas con
respecto a la biela. Loco en la biela y fijo en el pistn: En este
anclaje el perno queda fijo al pistn mediante una chaveta o
tornillo pasador, mediante la biela bascula libremente sobre el
perno. La unin biela-perno se realiza mediante un cojinete
antifriccin. Loco tanto en la biela como en el pistn: En este tipo
de anclaje el perno queda libre tanto respecto del pistn como de la
biela, con lo cual ambos elementos bascular libremente teniendo
adems la ventaja adicional de repartir las cargas y dismiuir el
desgaste por rozamiento. El perno se monta en el pistn en fro con
una ligera presin de modo que al dilatarse queda libre. Aros o
segmentos: Son piezas circulares que se adaptan a la circunferencia
del mbolo o pistn a una ranura practicada en el cuerpo del mismo y
cumplen determinadas funciones, entre las cuales se cuentan
asegurar la hermeticidad de la cmara de combustin, transmitir calor
a las paredes del cilindro, y controlar la lubricacin de las
paredes internas de dicho cilindro.DescripcinEl pistn es una pieza
metlica tronco cnica compuesta por tres partes que son: la cabeza,
el cuerpo y la pollera o falda. La parte superior o cabeza es la
parte ms reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje
de la expansin de los gases dentro del cilindro durante el
desarrollo del ciclo.Los pasadores de pistn estn hechos de
aluminio. Se trata de un mbolo que se ajusta al interior de las
paredes delcilindromediantearosflexibles llamadossegmentos o
anillos. Efecta un movimiento alternativo, obligando al fluido que
ocupa el cilindro a modificar su presin y volumen o transformando
en movimiento el cambio de presin y volumen del fluido. Entre las
caractersticas que debe reunir se cuentan: Capacidad de soportar
las condiciones extremas a las que se ven expuestos. Debe ser
ligero para no transmitir excesivas inercias que aumenten las
vibraciones del motor. Capacidad de dotar de perfecta estanqueidad
al cilindro para as evitar una eventual fuga de gases.A travs de la
articulacin debielaycigeal, su movimiento alternativo se transforma
en rotativo en este ltimo.
Esquema simplificado del movimiento pistn/bielaPuede formar
parte debombas,compresoresymotores. Se construye normalmente en
aleacin dealuminio.Los pistones de motores de combustin interna
tienen que soportar grandes temperaturas y presiones, adems de
velocidades y aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen
aleaciones que tengan un peso especfico bajo para disminuir la
energa cintica que se genera en los desplazamientos. Tambin tienen
que soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y
dilataciones.Materiales de construccinEl pistn debe ser diseado de
forma tal que permita una buena propagacin del calor, para evitar
las altas tensiones moleculares provocadas por altas temperaturas
en diferentes capas del material, caso contrario una mala
distribucin del calor ocasiona dilataciones desiguales en distintas
partes del pistn ocasionando as roturas del mismo. Es comn el uso
de cabezas de acero fundido en motores de gran potencia,
manteniendo el cuerpo cilndrico de hierro fundido.Generalmente para
la construccin del pistn se emplea la fundicin de grano fino, pero
cuando es necesario fabricarlo en dos o ms partes se usa el fondo
de acero fundido para resistir mejor las tensiones producidas por
el calor. Los pistones se construyen en una gran variedad de
materiales siendo los ms comunes: Hierrofundido. Aleacin denquely
hierro fundido. Aleacin deaceroy aleacin dealuminio.Aleacin de
nquel y hierro fundido:Se utiliza aleacin de hierro al 64% y nquel
al 36% con muy poco carbono y algo de cromo. El coeficiente de
dilatacin de esta combinacin es prcticamente nulo, con lo cual se
consigue limitar la dilatacin del pistn.Fundicin:Se utiliza en
motores pequeos. Poseen la ventaja de tener elevada resistencia
mecnica y gran capacidad para trabajar en friccin.Pistones de
hierro colado:Se desgastan menos y pueden utilizarse con menos
holgura debido a que se expanden menos que los de aluminio.Pistones
de aluminio:Son mucho ms ligeros y tienen un alto coeficiente de
transmisin de temperatura. Por ende requieren menos agua de
refrigeracin que los mbolos de fundicin.Pistones de hierro
comn:Utilizados en motores de combustin de baja y media velocidad,
este material aumenta la elasticidad a prueba de deformacin
permanente y resistencias al desgaste, es preferible a las
aleaciones livianas, ya que permite emplear espacios nocivos
menores en los pistones, lo cual constituye un detalle valioso
tratndose de motores grandes que funcionan con carga
variable.FabricacinBsicamente existen dos procesos para la
fabricacin de los pistones: Estos pueden ser: Fundidos
ForjadosDependiendo de la cantidad necesaria a producir y
especialmente de los esfuerzos, temperaturas, presiones, etc. a los
que estarn sometidos (sea unmotor disel, degasolina, de competicin,
etc.) se elige uno u otro mtodo. Los pistones forjados tienen mayor
resistencia mecnica. Luego llevan mecanizados varios que son los
que determinan la forma final del pistn. Estos mecanizados son
hechos con unCNC. Mecanizadodel alojamiento delpernoo buln de
pistn: se mecaniza el alojamiento del perno, como este perno estar
girando cuando el motor est en funcionamiento por lo que debe
quedar una superficie de buena calidad y rugosidad sin rayaduras.
Estos son dos orificios ubicados en paredes opuestas del pistn.
Estos agujeros deben ser concntricos (tener la misma lnea de eje) y
esta lnea debe ser paralela a la lnea de eje del mun delcigealya
que si as no fuese al funcionar el motor labielase agarra con el
perno. Para que este perno no se salga y raye el cilindro se
colocan segurosseegeral final de los alojamientos realizados,
entonces se debe realizar las cavidades para poner los seguros.
Mecanizado del alojamiento de los aros: Se debe realizar la cavidad
para poder poner los aros. Para montar el conjunto pistn aros
dentro del cilindro los aros se comprimen, por lo tanto la
profundidad del alojamiento de los aros debe ser tal que todo el
aro quede oculto en el pistn. En el alojamiento del aro rasca
aceite se realiza un orificio pasante para que el aceite que se
saca del cilindro vaya hacia adentro del pistn y luego se lo
direcciona hacia el perno, para poder mantenerlo lubricado.
Mecanizado de la cabeza del pistn: de acuerdo al diseo del motor la
cabeza puede no ser plana. Puede tener vaciados para mejorar la
homogeneidad de la mezcla en la admisin, vaciados para mejorar
lacombustiny en los motores donde la compresin es alta se realizan
vaciados para que al abrir las vlvulas no golpeen al pistn. Se debe
eliminar cualquier canto vivo. Mecanizado exterior: Al hacer un
corte al pistn que pase por la lnea de eje del perno y al hacer
otro corte que sea perpendicular a la lnea del perno puede verse
que el pistn no tiene la misma cantidad de material en todas sus
paredes, es decir, que por donde pasa el eje la pared del pistn
tiene ms cantidad de material. Por lo tanto al aumentar la
temperatura el pistn dilata de forma desigual quedando con una
forma ovalada lo cual puede causar fugas o hacer que el pistn se
agarre en el cilindro. Para que no pase esto se realiza un
mecanizado exterior el cual le da una forma ovalada para que cuando
dilate quede de forma cilndrica. Este mecanizado es de solo algunas
milsimas en las paredes por donde no pasa el perno y por lo tanto
es imperceptible a simple vista.
Parmetros en los cuales influye el pistnRelacin de compresin:Se
define como Relacin de Compresin a la relacin volumtrica existente
entre el volumen total de la cmara de combustin (Con el pistn en su
PMI) ms el volmen mnimo de la cmara de combustin, dividido sobre el
volumen mnimo de la susodicha cmara de combustin. La relacin de
compresin en motoresDiesel(Que dependen de dicha relacin para
lograr una combustin exitosa) es de 16:1 a 18:1, frente a los
motores Otto, que son mucho menores, con relaciones que van desde
7:1 a 12:1.
DimetroDistancia mxima entre 2 puntos de la circunferencia
circular mayor del cilindro.Carrera:Distancia que recorre el pistn
en su movimiento alternativo, medida entre su punto ms bajo y el ms
alto del recorrido.Cilindrada:Este valor depende deldimetro,
carrera y nmero de cilindros. A priori, cuanto mayor sea la
cilindrada de un motor, ms robusto ser, y menor nmero de
revoluciones necesitar para conseguir la potencia deseada, como as
tambin ser ms duradero el motor. Por otro lado el precio se ve
aumentado.Velocidad media del pistn:Se define por la siguiente
expresin: Vl= (Rpm*2*L)/60 segSiendo:Vl:Velocidadlineal en m/s
(metros por segundo)Rpm: Revoluciones por minutoL: Distancia
recorrida en metros (Carrera)