Cigüeñal: tipos, diagrama, función, material, ubicación, diseño del cigüeñal

1. Convierte el movimiento alternativo en movimiento giratorio.
2. Transmite potencia al volante.
3. Recibe energía del volante.

Tipos de cigüeñales:

El cigüeñal consta de las partes del eje que giran en los cojinetes principales, los muñones a los que están conectados los extremos grandes de la biela, los brazos del cigüeñal o las redes (también llamadas mejillas) que conectan los muñones y las partes del eje.
El cigüeñal, según la posición de la manivela, se puede dividir en los dos tipos siguientes:

1. Cigüeñal lateral o cigüeñal en voladizo como se muestra en la Fig. (a), y

2. Centre el cigüeñal como se muestra en la Fig. (b).

tipos de cigüeñal

El cigüeñal, dependiendo del número de bielas que tenga el eje, también se puede clasificar como cigüeñal de un solo tiempo o de varios tiempos. Un cigüeñal con un solo cigüeñal lateral o el cigüeñal central se denomina cigüeñal de un solo tiempo, mientras que el cigüeñal con dos cigüeñales laterales, uno en cada extremo o con dos o más cigüeñales centrales se conoce como cigüeñal de múltiples tiempos.

Los cigüeñales laterales se utilizan para motores horizontales medianos y grandes.

Diagrama del cigüeñal:

diagrama del cigüeñal

Material y fabricación del cigüeñal.

• En los motores industriales, los cigüeñales se fabrican habitualmente de acero al carbono, como 40 C 8, 55 C 8 y 60 C 4.
• En los motores de transporte, se utiliza generalmente acero al manganeso como 20 Mn 2, 27 Mn 2 y 37 Mn 2 para fabricar el cigüeñal. En los motores de aviones, los aceros de níquel-cromo como 35 Ni 1 Cr 60 y 40 Ni 2 Cr 1 Mo 28 se utilizan ampliamente para el cigüeñal.
• Los cigüeñales se fabrican mediante forja o fundición, pero el primer método es más común.
• La superficie del muñón se endurece mediante cementación, nitruración o endurecimiento por inducción.

piezas del cigüeñal

Presiones y tensiones en los cojinetes del cigüeñal.

Las presiones de los cojinetes son muy importantes en el diseño del cigüeñal. La presión máxima permitida del rodamiento depende de la presión máxima del gas, la velocidad del rodamiento, la cantidad y el método de lubricación y el cambio de dirección de la presión del rodamiento.

En el cigüeñal se inducen los dos tipos siguientes de tensiones.

1. Tensión de flexión; Es

2. Esfuerzo cortante debido al momento de torsión en el eje.

La mayoría de las fallas del cigüeñal son causadas por fractura progresiva debido a flexión repetida o esfuerzos de torsión inversa. Por lo tanto, el cigüeñal está bajo carga de fatiga y por lo tanto su diseño debe basarse en el límite de resistencia. Debido a que es probable que la falla de un cigüeñal cause una destrucción grave del motor y no se pueden determinar con precisión todas las fuerzas ni todos los esfuerzos que actúan sobre el cigüeñal, se utiliza un factor de seguridad alto de 3 a 4, basado en el límite de resistencia.

Procedimiento de diseño para cigüeñal:

El cigüeñal debe diseñarse o comprobarse para al menos dos posiciones del cigüeñal. En primer lugar, cuando el cigüeñal está sujeto a un momento de flexión máximo y, en segundo lugar, cuando el cigüeñal está sujeto a un momento de torsión o par máximo.

Procedimiento de diseño:

Se puede adoptar el siguiente procedimiento para diseñar un cigüeñal.

1. Primero, encuentre la magnitud de las distintas cargas sobre el cigüeñal.

2. Determinar las distancias entre los soportes y su posición con relación a las cargas.

3. Por simplicidad y también por seguridad, el eje se considera apoyado en los centros de los cojinetes y todas las fuerzas y reacciones que actúan en estos puntos. Las distancias entre los soportes dependen de la longitud de los cojinetes, que a su vez dependen del diámetro del eje debido a las presiones permitidas en los cojinetes.

4. Se supone que el espesor de las mejillas o almas es de 0,4 ds a 0,6 ds, donde ds es el diámetro de la varilla. También se puede considerar entre 0,22D y 0,32D, donde D es el diámetro interior del cilindro en mm.

5. Ahora calcula las distancias entre los soportes.

6. Teniendo en cuenta las tensiones de flexión y corte permitidas, determine las dimensiones principales del cigüeñal.

Concepto de diseño

En base a las propiedades del material, ahora decidiremos las dimensiones que se calcularán a partir de las cargas y condiciones. El cigüeñal está diseñado considerando dos posiciones del cigüeñal:

Cuando la manivela está en el punto muerto (momento flector máximo).

Cuando la manivela está en un ángulo donde el momento de torsión es máximo.

Cuando Crank está en el punto muerto

Procedimiento paso a paso:

• Dibuje un diagrama de cuerpo libre del cigüeñal con diversas fuerzas horizontales y verticales.
• Calcule la fuerza del pistón. (Sabemos que la presión máxima del pistón es de 200 bar para motores diésel y de 180 bar para motores de encendido por chispa). La fuerza del pistón es la presión máxima del pistón * área del pistón.
• Supuestos de la industria al calcular fuerzas en ETA.
• Encuentra todas las reacciones horizontales y verticales.

Diseño de pasador de manivela

El pasador del cigüeñal también está sometido a esfuerzos cortantes debido al momento de torsión. Entonces podemos calcular el momento flector en el centro de la muñequilla y el momento de torsión en la muñequilla y el momento resultante.

Procedimiento paso a paso:

• Calcule el momento flector en el centro del pasador del cigüeñal (del DCL).
• Equilibre BM con (MOI*Esfuerzo del rodamiento) para el pasador del cigüeñal (Sigma-b)
• Resuelve y encuentra el diámetro del pasador de la manivela.
• Resuelva FBD para determinar la longitud.

Diseño web de manivela

La red del cigüeñal está diseñada para carga excéntrica. Habrá dos tensiones que actuarán sobre el alma del cigüeñal, una es la tensión de compresión directa y la otra es la tensión de flexión debida a la carga de gas del pistón (Fp).

Supuestos de la industria:

• Grosor del núcleo del cigüeñal Tst = 0,65 * dc + 6,35 (dc = diámetro del pasador del cigüeñal)
• El ancho de la manivela es w = 1,125 * dc +12,7

Procedimiento paso a paso:

• Calcule el momento flector a partir del DCL.
• Compruebe si la BM es positiva o negativa. Si es negativo aumentar el diámetro del cigüeñal y resolver nuevamente. Si es positivo, tu proyecto es seguro.

Eje debajo del volante.