Decimos que un motor está equilibrado cuando a un régimen y rpm estables (por ejemplo cuando se circula a velocidad mantenida) transmite las fuerzas a sus soportes con valor y dirección fijos. Si el motor no está correctamente equilibrado se generan vibraciones con efectos negativos como sobrecarga en determinadas piezas, debilitamiento de uniones, etc.
El origen de los las vibraciones se puede reducir a tres causantes:
- La interacción de los movimientos de los pistones entre ellos, lo cual es importante porque cada vez que uno de los pistones llega al PMS (punto muerto superior) o PMI (punto muerto inferior) sufre una deceleración enorme hasta pararse completamente y acelerarse en la dirección opuesta.
- El par motor, cuya magnitud variable con el tiempo, tenderá a hacer girar el apoyo del cigüeñal sobre sí mismo, como oposición al cambio de régimen establecido.
- El giro de las muñequillas del cigüeñal (la zona donde se unen cigüeñal y biela), pues genera una fuerza centrífuga que tiende a desplazar las muñequillas hacia el exterior.
Generalmente, en el diseño de motores se habla de equilibrio primario y equilibrio secundario. El equilibrio primario está relacionado con las vibraciones de primer orden, es decir aquellas que se generan una vez por cada vuelta de cigüeñal, mientras que cuando hablamos de equilibrio secundario nos referimos a la compensación de las vibraciones generadas dos veces por cada vuelta de cigüeñal.
- Equilibrio primario: En este caso se trata de compensar el movimiento del motor en su plano longitudinal. Estas vibraciones se generan debido al movimiento alternativo de los pistones y al par motor. En la imagen inferior, podemos comprobar este efecto en su versión más simple.
- Equilibrio secundario: Debido al desplazamiento lateral de la biela en su movimiento, la distancia que recorre el pistón no es la misma en la parte superior del giro de la muñequilla que en la parte inferior, y como consecuencia su velocidad tampoco lo es.
La distancia se desplaza el pistón se puede calcular como sigue (prometo que esta será la única fórmula matemática del artículo, y será además extremadamente sencilla):
Para demostrarlo de forma sencilla utilizaremos el teorema de Pitágoras a² + b² = c² donde a será el desplazamiento del pistón, b la muñequilla y c la biela.
Para simplificar el sistema utilizaremos los valores b = 3 para la longitud de la muñequilla y C = 5 par ala longitud de la biela.
A 90º antes o después del PMS tenemos un triángulo rectángulo formado por la muñequilla (b = 3), el desplazamiento vertical del pistón desde el centro del cigüeñal (a = 4), y la biela misma (c = 5). Entonces, el pistón está en una posición de 4 unidades por encima del centro del cigüeñal.
En PMI, donde la muñequilla está recta hacia abajo, el desplazamiento del pistón es 2 (longitud de la biela menos la muñequilla). El pistón se ha movido hacia abajo 2 unidades desde la posición de 90º.
En PMS, la muñequilla está recta hacia arriba y el desplazamiento del pistón es 8 (longitud de la biela más la muñequilla). El pistón ha subido 4 unidades desde la posición de 90º.
En este caso vemos que el pistón recorre el doble de distancia durante la parte superior del giro de la muñequilla, y eso hace que se desplace al doble de velocidad, suponiendo que la velocidad a la que gira el cigüeñal se mantienen constante.
Una vez hemos comprendido la base teórica del equilibrado, vamos a verlo aplicado a los motores. En este artículo nos centraremos en el equilibrado de motores V8.
En un motor de 4 tiempos cada cilindro llega a la fase de explosión cada 720º de rotación del cigüeñal, de este modo en un motor V8 con calado uniforme habrá un cilindro en fase de explosión cada 90º. Casi todos los motores V8 tienen un angulo entre bancadas de 90º para obtener un encendido uniforme y el equilibrio de las masas oscilantes.
Basándose en el diseño del cigüeñal existen dos variantes de motores V8 con comportamientos radicalmente distintos.
Cigüeñal plano:
En este tipo de cigüeñal las muñequillas están situadas a 180º, teniendo además la misma posición las dos muñequillas de los extremos y las dos centrales. La disposición de estos motores V8 es similar a dos motores de 4 cilindros en línea unidos.
Dado que con este diseño de cigüeñal siempre hay dos pistones en la misma posición en cada bancada, la vibración secundaria es dos veces más intensa que en un motor con cigüeñal crossplane.
Por el contrario, como esos pistones que están en la misma posición son primero y cuarto de la bancada y segundo y tercero, el equilibrado primario de los motores de cigüeñal plano es casi perfecto.
En este tipo de motores el problema aparece con las vibraciones de segundo orden, dado que como hemos visto en la teoría la distancia recorrida en el descenso del pistón es mayor que la recorrida en el ascenso, y en estos motores los pistones están en posiciones simétricas dos a dos, por lo que los pistones que están ascendiendo no serán capaces de compensar las fuerzas de los pistones que descienden, generándose vibraciones de segundo orden que sólo se pueden paliar con un eje de equilibrado.
Cigüeñal crossplane:
En esta otra variante de cigüeñal, la primera y cuarta muñequillas están dispuestas a 180º entre ellas, y las dos muñequillas centrales (segunda y tercera) están a 180º entre ellas, y 90º con respecto a la muñequilla exterior contigua.
Con este diseño es necesario el uso de contrapesos para reducir el desequilibrio en el eje longitudinal del cigüeñal, porque como vemos en la imagen inferior, se genera un par de torsión sobre el centro longitudinal del sistema.
Este tipo de diseño se considera equilibrado para las vibraciones de segundo orden, pues en todo momento los pistones que están realizando el recorrido ascendente pueden compensar la fuerzas de los pistones que realizan el recorrido descendente.
Dado que únicamente es necesario paliar las vibraciones de primer orden, los contrapesos en un cigüeñal crossplane serán tanto menores cuanto más alejados estén de los extremos, puesto que los cilindros interiores se equilibran parcialmente entre ellos. Con el uso de contrapesos se consigue, un equilibrado casi perfecto para paliar las vibraciones de primer orden.
Cuanto más alejado esté un contrapeso del centro de giro del cigüeñal, mayor será su efecto para contrarrestar tanto la vibración de primer orden como la de segundo, teniendo en consideración que el tamaño queda limitado por el tamaño del bloque motor. El tamaño de los contrapesos no sólo depende de las masas que tiene que contrarrestar, si no también de la distancia que se mueven estas, por ello cilindros de mayor carrera harán necesarios mayores contrapesos.
Los motores que no están aceptablemente equilibrados están limitados a pequeñas cilindradas, esa es la razón por la que apenas existen motores V8 con cigüeñal plano de más de 4 litros y en cambio los motores crossplane tienen cilindradas incluso superiores a los 8 litros.
Espero que este artículo haya sido de utilidad. ¡Hasta la próxima!
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