EL eje de cigüeñales o eje motor (figura 64), es la pieza móvil encargada de transformar el movimiento rectilíneo alternativo de los émbolos en circular continuo, con el que se mueve la hélice propulsora del buque, o el aparato auxiliar, grupo electrógeno, compresor o bomba, al que lo tenemos acoplado. Así pues, el cigüeñal recibe de los émbolos por su conexión con ellos por vástagos y bielas, el esfuerzo procedente de los gases de la combustión, por un lado, y por el otro, nos facilita ya la fuerza necesaria para mover el sistema a que está dedicado.
Debido al trabajo que ha de realizar, la construcción del eje cigüeñal es bastante difícil de llevar a cabo, ya que ha de reunir una serie de condiciones que han de ir ligadas entre sí, tales como son, citando sólo las más importantes, el número de cilindros del motor con su orden de trabajo, para que los esfuerzos ejercidos queden repartidos de manera uniforme no actuando todos al mismo tiempo y, el estar completamente equilibrado, para que, con la velocidad de giro, no se originen fuerzas de inercia con gran perjuicio de su funcionamiento.
La primera de estas circunstancias queda eliminada haciendo que las distintas cigüeñas de que consta el cigüeñal vayan desfasadas unas con otras un determinado ángulo, de forma que la suma de estos ángulos equivalga a 360 grados cuando sea un motor de dos tiempos, o 720 si se trata de cuatro tiempos. De esta manera, en cada momento sólo habrá en período de combustión, o de máximo esfuerzo sobre un émbolo, mientras que los restantes estarán, bien en expansión, o en compresión, o escape. De aquí deducimos que cuanto mayor sea el número de cilindros, más uniforme será el esfuerzo ejercido, y por tanto la marcha más regular.
Se procura además, que el orden de trabajo no sea el correlativo de los cilindros, sino que sea alterado, para contribuir así a repartir los esfuerzos. Para esta distribución del orden de trabajo no existe norma alguna y así vemos que, en igual número de cilindros, pero en distintos motores, estos órdenes son diferentes.
Figura 64.
Cigüeñal en dos secciones de un motor Burmeister-Wain, cuyos contrapesos son fundidos en los mismos brazos de las cigüeñas.
A título de información daremos los siguientes ejemplos. Así por ejemplo en un motor de cuatro cilindros, el orden de trabajo puede ser 1 - 4 - 3 - 2, o también 1 - 3 - 2 - 4. En uno de 5 cilindros, 1 - 5 - 3- 4 - 2, Y también 1 - 3 - 5 - 2 - 4. En uno de 6 cilindros, 1 - 6-4 - 2 - 5 - 3, o bien, 1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4. En uno de 12 puede ser 1 - 12 - 5 - 7 - 3 - 11 - 4 - 9 - 2 - 10 - 6 - 8. En cuanto a la segunda circunstancia, es decir, la de su equilibrado, se consigue haciendo que su construcción sea lo más correcta posible, empleando para ello los materiales adecuados, para que los pesos de todas las piezas que lo componen sea uniforme. Con este fin, bien por sus pocos cilindros, o por el número irregular de ellos, en determinadas cigüeñas se adaptan unas piezas postizas, o ya de la fundición llamadas contrapesos. Estas piezas salen con las mismas cigüeñas, de forma que sus pesos añadidos sirvan para compensar cualquier irregularidad en el movimiento de rotación, consiguiendo la uniformidad de éste.
Para soportar todos los esfuerzos a que está sometido, el cigüeñal se construye de acero de la, mejor calidad y de gran dureza, normalmente de 50 a 60 kilos de resistencia a la rotura. Si el motor es de pocos cilindros y poca potencia, puede construirse el cigüeñal de una sola pieza, pero cuando aumentan los cilindros, entonces éste puede ser de varias secciones, generalmente una por cada tres o cuatro cilindros (figura 65). Cada sección de estas termina en un ensanchamiento o plato de acople, y con pernos ajustados y colocados a presión en orificios rectificados, se unen unas a otras formando el cigüeñal total.
Figura 65.
Eje cigüeñal de un motor SULZER, de 7 cilindros, construido en dos secciones y con eje de empuje y volante.
Al aumentar la carrera del émbolo, aumenta el radio del cigüeñal, con el lógico aumento del tamaño de las piezas que lo forman. Estas piezas son: los cuellos del eje, o sea, los apoyos o asientos del cigüeñal sobre los cojinetes de bancada; los cuellos del cigüeñal, es decir, donde están conectadas las cabezas de biela a través de sus cojinetes; y, las guitarras o brazos, piezas éstas que, uniendo los cuellos del eje con los del cigüeñal, forman los codos, dando la forma característica al cigüeñal.
‘
Ya en medianas potencias el cigüeñal deja de construirse enterizo, para hacerse de piezas independientes. Así tenemos que se construyen sus cuellos y brazos por separado y como al armar todas estas piezas ha de quedar un conjunto de gran solidez, lo que se hace es que los agujeros de los brazos donde van metidos los cuellos se tornean a un diámetro ligeramente inferior (milésimas de milímetro), del diámetro de los cuellos, con unos sopletes, lámparas u hornos especiales, se calientan los brazos, con lo que, por efecto de su dilatación, aumentará el diámetro de sus agujeros, aprovechándose para colocar los cuellos en estas condiciones. Al enfriarse y recuperar sus medidas normales, los agujeros cierran abrazan- do los ejes de tal forma, que puede considerarse que brazos y cuellos están formados por una sola pieza, debido a la firmeza con que ha quedado hecha la unión.
En algunas ocasiones y aún para mayor seguridad, en la periferia del cuello del eje, entre él y el brazo, se abren unos agujeros roscados en los que se colocan unos prisioneros o espárragos, con el fin de eliminar toda posibilidad de giro del cuello respecto al brazo.
Figura 66.
Ejemplo de los huelgos que deben quedar en el cigüeñal de 12 cilindros que veremos en la figura 67 en su vista frontal: A=13 milímetros; B=7; X=33; Y=27.Ante la imposibilidad de conseguir en todos los cilindros los mismos huelgos, se permiten ciertas tolerancias y así tenemos que, mientras en el cuello que está ;unto a la chumacera de empuje, donde la variación del eje es mínima, los valores de A y X, pueden llegar a ser de 3 y 24 milímetros, en el extremo más alejado del eje, o sea en el último cuello, estos valores pasan a ser de 13
y 33 mm. respectivamente
Al hablar de los cojinetes de bancada, decíamos que uno de ellos, el más cercano al volante en motores estacionarios, y la chumacera de empuje en los marinos, tenían por misión el mantener el cigüeñal en una posición axial fija, a pesar de las dilataciones que por efecto de la temperatura" alcanza durante su trabajo.
Como los cigüeñales pueden ser hoy de grandes tamaños, sus dilataciones son de gran valor, incluso de varios milímetros, hemos de tener muy en cuenta los huelgos axiales que deben quedar, es decir, distancias entre los brazos y cojinetes de bancada para no llegar a empotrarse en ésta, y también entre brazos y cojinetes de cabeza de biela para que éstas no sean arrastradas axialmente, con lo que se las forzaría ocasionando averías de gran consideración.
Como orientación pueden verse en la figura 66 el valor que pueden tener estos huelgos en un motor marino de 12 cilindros, con una carrera de émbolo de 1.600 milímetros, y cuyo cigüeñal es el representado en la vista frontal de la figura 67.
Figura 67.
Sección frontal de un cigüeñal de motor Burmeister-Wain de 12 cilindros. Angulo de calaje de las cigüeñas, 30°. Orden de trabajo 1-12-5-7-3-11-4-9-2-10-6-8. Potencia en el eje 16,200
C. V. E.
Cuando su tamaño lo permite, los cuellos del cigüeñal se construyen huecos, y de ser de pequeñas dimensiones, se les practican por su interior unos taladros, al igual que por los brazos o guitarras estos taladros o canales, sirven para conducir el aceite del engrase a los cuellos del cigüeñal y cojinetes de cabeza de biela, a los que lubrican, y los que en algunos casos, permiten que éste pase por la barra de conexión engrasando también las crucetas, o los bulones del pie de biela en los motores de tronco.
Normalmente, el aceite de engrase se hace llegar a los cojinetes de bancada, como en anteriores dibujos se ha representado, impulsado por la bomba de lubricación. Los agujeros
abiertos en el cuello del eje, cuatro por regla general, y en sentido diametral, están en comunicación con el agujero central, por lo que el aceite se precipita a ellos y circula por su interior para llegar a los puntos que ha de engrasar.
Como para abrir estos conductos hay que taladrar desde su superficie los cuellos y brazos, se colocan unos tapones rascados o tapetas, en los agujeros de dichas superficies con el fin de dar la estanqueidad necesaria evitando pérdidas, que motivarían una caída de presión y el aceite no alcanzaría los puntos de lubricación.
Innecesario es decir que la colocación del eje cigüeñal sobre los cojinetes de bancada no ha de ser forzada, sino que éste, debe asentar por igual en todos ellos para que el esfuerzo total que reciba quede repartido de una manera uniforme. De no ser así ocurriría, que mientras unos cojinetes irán sobrecargados, otros quedarán al aire. Con ellos el cigüeñal, que se puede considerar como una viga apoyada en distintos puntos, al faltarle alguno de estos apoyos, se verá obligado a flexar, hecho éste, que se conoce con el nombre de flexión o fatiga y que, como veremos más adelante, puede llegar a causar su rotura. Por tanto el rozamiento sobre los cojinetes ha de ser suave y uniforme en todos ellos.
Con ello el cigüeñal, una rueda dentada, que mueve un tren de engranajes, o una cadena de transmisión que accionan dichos ejes. Esta rueda dentada, construida en dos mitades y afirmada al eje con chaveta y tornillos ajustados, va colocada, en la mayoría de los casos, en motores pequeños y medianos, junto al volante, y en los grandes, sobre el plato de unión central de los cigüeñales, tomándose estos dos puntos por ser donde, precisamente, el movimiento es más uniforme y carente de vibraciones, tal como conviene para la buena marcha de las ruedas dentadas.
Se tiende actualmente a desechar el sistema de accionar aparatos auxiliares cualesquiera que estos sean, bombas de aceite, agua, achique, compresores, etc. por el propio eje cigüeñal como se hizo anteriormente, pues las ventajas que en un principio se apreciaron han ido desapareciendo por los inconvenientes encontrados, mayor coste de construcción, mantenimiento y conservación engorrosos, frecuentes averías, etc. Así pues, el cigüeñal queda para servicio único del motor, instalándose motores auxiliares, que con los motores eléctricos, son los que mueven todos los aparatos. Sobre todo esto insistiremos más adelante.
El impulso que origina el movimiento del motor es debido a la combustión de los gases sobre los émbolos. Como esto sucede de manera brusca y alternativa, resulta que el esfuerzo sobre el cigüeñal también actúa a golpes, por lo que, durante su giro y en cada vuelta, habrá momentos en que se verá impulsado fuertemente, mientras que en otros, al no recibir empuje alguno, girará debido a su propia fuerza de inercia, incluso absorbiendo fuerza al motor.
Tratándose de un motor de pocos cilindros este hecho es muy acusado. Como el motor realiza su ciclo completo en una vuelta del eje o de dos, según que sea de dos o cuatro tiempos, tenemos por ejemplo, en un motor de dos cilindros y dos tiempos, en cada vuelta existirán dos puntos de máximo empuje, girando el resto por el impulso adquirido. En el segundo caso, el empuje máximo corresponderá, uno a cada vuelta tan sólo, con lo que aún será mayor esta irregularidad.
Figura 68.
Cigüeñal enterizo de un motor tipo MAQUINISTA, de ocho cilindros.
Si el motor fuese de un solo cilindro, cuanto acabamos de explicar aún sería más notorio, mientras que, por el contrario, aumentando el número de cilindros irán aumentando los puntos en que el esfuerzo será máximo y con ello disminuirán estas irregularidades, obteniéndose un movimiento más uniforme. Tal es el caso, por ejemplo, de la figura 68 donde se presenta al lector un cigüeñal de ocho cilindros.
Esta discontinuidad en la uniformidad del movimiento se conoce con el nombre de grado de irregularidad.
Para obtener un grado de irregularidad mínimo, y con ello un movimiento más uniforme del cigüeñal tenemos el volante, cuyo trabajo consiste en absorber parte del esfuerzo del motor cuando éste es máximo, para devolverlo cuando sea mínimo. Dicho de otra manera «absorber trabajo cuando el par motor es mayor que el par resistente, para cederlo cuando el par resistente sea mayor que el par motor».
Consiste el volante en una rueda de hierro fundido, construida enteriza en pequeños motores, y en dos mitades para los grandes. Consta de un núcleo que se abraza al cigüeñal, con un alma generalmente fina, y cuya periferia es una gruesa llanta.
Va montado sobre el cigüeñal, en uno de sus extremos, casi siempre en el de unión al eje 'de transmisión o aparato que mueva, y suele colocarse precisamente, en el plato de acople de esta unión. Si es enterizo va colocado con fuerte ajuste en el eje, y si es en dos mitades, se unen estas dos con pernos fuertemente ajustados, abrazando firme dicho eje, y tanto en uno como en otro caso, se disponen las chavetas, una o dos, según el tamaño, para la completa seguridad de afirmaci6n y evitar el que pudiese llegar a girar independiente del eje.
Diremos que, en algunos casos, al volante se le colocan también unos pesos postizos que tienen por objeto afinar en lo posible el grado de irregularidad.
Para efectuar los trabajos de reconocimiento y sus reparaciones se necesita mover el motor, dándole vueltas colocándole en las posiciones que nos interese. Con este fin, cuando son motores pequeños, sobre la misma llanta del volante, se practican unos agujeros en los que,
colocando una barra, y actuando sobre ella a mano, se gira el eje cigüeñal y con él, todas las articulaciones del motor. Pero si se trata de grandes potencias, como generalmente ocurre con los motores destinados a la propulsión de buques, para poderlos girar nos servimos ya del virador.
Sobre la llanta del volante se coloca postiza una corona dentada o bien como ocurre en la mayoría de los casos, es en la misma llanta del volante donde se labran estos dientes. En dichos dientes se hace engranar un piñón o husillo sin fin, que son movidos por un motor eléctrico, en combinación con un eje y rueda dentada, de forma que accionando el motor eléctrico, movemos el eje cigüeñal. El aparato' así descrito es el llamado virador.
El virador está dispuesto de manera que se pueda acoplar o desacoplar según las necesidades. Naturalmente, cuando el motor está en marcha el virador queda fuera de servicio, debiendo tenerse gran precaución, de antes de arrancar el motor comprobar que el virador ha sido retirado y que el motor queda listo para poner en servicio; de no ser así puede ocurrir una avería de consideración.
Nos basta añadir que, antes de virar el motor, bien a mano o con el virador, han de abrirse las válvulas de purga de los cilindros, para evitar la compresión y con ello el gran esfuerzo que hay que realizar. Con estas válvulas abiertas el motor gira suave y sin presentar resistencia.