1.- Árbol de levas:
Las levas son los elementos mecánicos que regulan la apertura y cierre de las válvulas según una ley que depende de las características del motor. En la leva se distinguen dos partes: una circular "círculo base " que se corresponde con el tramo ADC de la leva en la ilustración II. 10.3 y otra lobulada "perfil activo "que se corresponde con el tramo ABC de la leva en la ilustración II. 10.3. Cuando contacta con el siguiente elemento de la cadena cinemática, el empujador, por la zona del círculo base, no transmite movimiento y la válvula no se mueve. Cuando actúa el perfil activo transmite movimiento hacia la válvula originando su apertura o cierre.
Para que la apertura y el cierre de las diferentes válvulas se realicen en el momento oportuno es necesario sincronizar el movimiento de las levas y el cigüeñal. El árbol de levas es el eje donde se sitúan las levas convenientemente decaladas para que se produzca la sincronización. El árbol dispone de dos levas por cada cilindro del motor ya que una controla la admisión y la otra el escape. Dependiendo de la disposición de las válvulas puede hacerse necesario el uso de dos árboles de levas por fila de cilindros
(Ilustr. II. 10.2). El árbol de levas suele incorporar el accionamiento de la bomba de
aceite y del distribuidor de los MEP Ilustr. II.9.2). Intercalados entre las levas se encuentran los apoyos que, convenientemente lubricados, permiten transmitir las reacciones a la culata o al bloque. En el caso de árbol de bloque, el radio de los apoyos debe ser mayor al de la cresta de la leva para que ésta pueda pasar por los alojamientos en el proceso de montaje.
Las levas, en general, se forjan o se funden junto con el eje. Este debe poseer gran rigidez y resistencia para absorber los esfuerzos flectores y de torsión, así como las vibraciones de funcionamiento. El material utilizado en los árboles fundidos es fundición gris por su bajo precio y resistencia al desgaste. La periferia de las levas y apoyos deben recibir un tratamiento térmico o de cementado para aumentar la resistencia al desgaste e incluso a veces se fabrican con una capa de fundición blanca.
2.- Empujadores o taques.
Los empujadores están en contacto con las levas y convierten su rotación en un movimiento de traslación, transmitiéndolo al siguiente componente de la distribución, varilla, balancín o válvula según el caso. Pueden tener distintas formas constructivas en función de su ubicación y del espacio disponiblesiendo las más comunes la tipo "seta "
y la tipo "vaso". Aunque a simple vista parece plana, la superficie de contacto del taqué
Existe un tipo especial de empujadores, los hidráulicos, que utilizando el aceite del motor consiguen eliminar las holguras de funcionamiento de la distribución en cada ciclo del motor. Su funcionamiento se basa en que durante el periodo de reposo del taqué y, por el efecto de la presión del aceite del circuito de engrase, se separan dos cilindros deslizantes hasta eliminar las holguras existentes entre las distintas piezas. La existencia de una válvula antirretorno impide que el aceite se salga de la cámara de presión tras una parada del motor o al comienzo del desplazamiento. Con los taques hidráulicos se eliminan los choques de contacto entre piezas, los rebotes, el mantenimiento periódico y, además, se reduce la emisión de ruido.
Los taques se suelen fabricar de acero con las zonas de contacto y deslizamiento cementadas o de fundición gris, aleada o no, con zonas de contacto y deslizamiento templadas o de fundición blanca. En casos especiales se puede recurrir al uso de materiales especiales soldados para las zonas más cargadas o, incluso, a la incorporación de un rodillo seguidor. En cualquier caso el material debe estar elegido en función del material de las levas.
3.- Varillas.
Este componente se utiliza exclusivamente en los motores OHV. Su función es transmitir el movimiento de los empujadores al balancín (ílutr. II.10.5). Su construcción puede ser de acero macizo con extremos tratados térmicamente (c) o de aleación de aluminio tubular con extremos postizos de acero endurecido (a-b).
La esbeltez de las varillas les hace ser uno de los elementos más flexibles de la distribución, de hecho, son responsables aproximadamente del 55% de la deformación total del sistema. Para minimizar el problema debe tratarse de reducir su longitud al máximo y de reducir su masa. Las de tipo tubular son ventajosas pues, a pesar de ser menos resistentes, su masa provoca defectos dinámicos menores.
4.- Balancines.
El balancín es una palanca que permite amplificar el levantamiento determinado por la leva en función de la relación de sus brazos (Ilustr. II. 10.1). Valores del 150% son habituales. Conseguir levantamientos en válvula importantes con levas de altura reducida conlleva una serie de ventajas siendo las más importantes la reducción de los efectos dinámicos y la de velocidades de deslizamiento. Así, los motores OHC que no usan balancines necesitan aumentar la altura de la leva.
Los balancines de dos brazos (típicos de los motores OHV) van todos montados sobre un eje común descentrado que les permite girar. Los de un brazo (típico de los motores OHC) son independientes y pueden pivotar respecto un extremo. Tanto los de un tipo como los de otro deben llevar algún dispositivo que permita regular la holgura total del conjunto a no ser que el motor utilice empujadores hidráulicos. El sistema más utilizado es el de tornillo y contratuerca aunque existen otros.
Los balancines se fabrican habitualmente por estampación. La zona que actúa sobre la válvula (martillo) y, en su caso, la zona de contacto con el árbol de levas se ven sometidas a deslizamiento combinado con altas presiones de contacto, por lo que necesitan superficies perfectamente mecanizadas y endurecidas para disminuir la posibilidad de gripajes y desgastes prematuros. Actualmente en estas zonas se tiende a incorporar insertos de materiales sinterizados, mucho más resistentes al desgaste que los aceros ordinarios.
gasto elevados y un coste de fabricación reducido aunque su capacidad de refrigeración es baja. En este tipo de válvulas pueden distinguirse dos partes (Ilustr. II. 10.6):
Pie o vástago: Es la parte recta responsable del guiado y de la sujeción de la válvula. Su longitud depende en gran medida de la altura de la culata y de la longitud del resorte.
Cabeza: Es la parte circular sobre la que se mecaniza la superficie cónica de cierre y que, junto con el asiento mecanizado en la culata, forma una junta estanca. Algunos de los aspectos importantes que se deben determinar en el momento del diseño son:
El ángulo de asiento.
Área de paso de la válvula.
El material a utilizar.
La importancia del ángulo de asiento reside en que, a medida que aumenta, mejora el cierre por aumentar el efecto de enclavamiento, mejora el coeficiente de gasto por la menor deflexión del flujo pero empeora el área de paso que es casi proporcional al coseno del ángulo. Son valores habituales 30° para la válvula de admisión y 45° para la de escape.
El valor del área de paso tiene gran importancia por afectar directamente al rendimiento volumétrico, parámetro que mide la efectividad de la renovación de la carga. A mayor área de paso menor velocidad de paso y mejor coeficiente de gasto. Son valores máximos para las velocidades de admisión y escape 60 y 100 m/s respectivamente. El área de paso de una válvula depende de su levantamiento máximo y de su diámetro estando el cociente de estos parámetros, L/D, comprendido entre valores de 0.20 y 0.35. Valores mayores no hacen crecer sensiblemente el coeficiente de gasto y aumentar los problemas de inercia del sistema.
Por último, el material que se debe utilizar en la fabricación de las válvulas debe decidirse en función de las condiciones de trabajo tan particulares de estos componentes. Las válvulas se encuentran sometidas, por un lado, a una carga mecánica percusiva considerable y, por otro lado, a una importante carga térmica, particularmente
los gases de escape combinada con sus altas temperaturas le dota de una capacidad corrosiva considerable. La evacuación del calor se hace parte por el asiento (-75%), parte por la guía y una pequeña parte por los gases de alrededor. Por todo lo anterior, el material utilizado en la construcción de válvulas debe cumplir, entre otros, los siguientes requisitos:
Capacidad de soportar altas temperaturas.
Tenacidad en presencia de entallas.
Resistencia a la corrosión.
Resistencia a la formación de cascarilla.
Resistencia al desgaste.
Conductividad térmica elevada.
Se suelen emplear aceros aleados con Cr, Ni, Si, etc. con estructura martensítica o austenítica. Los primeros presentan buena conductividad térmica pero menor resistencia a altas temperaturas por lo que se utilizan en las válvulas de admisión o el pie de las de escape. Los segundos tienen mejor resistencia a la corrosión, al impacto y a las altas temperaturas aunque su peor conductividad hace que sólo se utilicen en la cabeza de las válvulas de escape, utilizando en el vástago un acero martensítico y soldando ambas partes por fricción. El extremo del vástago, donde actúa el balancín o el empujador, está sometido a elevados esfuerzos de compresión y rozamiento, por lo que se suele reforzar por temple. En ocasiones, en el asiento de la cabeza de válvula se aporta un blindaje de metal duro (MEC: Stellite o MEP: Eatonite).
refrigeración (Ilustr. II. 10.6). Las válvulas de escape de los grandes motores diesel pueden ser refrigeradas mediante una corriente líquida forzada (Ilustr. II. 10.7).
6.- Tapa de muelles y semiconos.
La tapa de muelles es la pieza que, colocada en el extremo superior del vástago de la válvula, le transmite los esfuerzos del muelle a través de una pieza cónica partida, los semiconos. Además, tiene como misión mantener el o los resortes en posición correcta.
Los semiconos tienen exteriormente forma cónica invertida para acoplar en el orificio cónico de la tapa de muelles. La forma interior es cilíndrica con uno o varios salientes en forma de collar y acopla perfectamente en el vástago de la válvula que lleva mecanizadas unas acanaladuras para alojar los collares de los semiconos. A mayor número de ranuras y collares, mejor reparto del esfuerzo. El cono sólo transmite fuerza en la dirección en que la ejerce el resorte. Según estos semiconos comprendan un arco igual o menor de 180 grados, el montaje válvula-tapa de muelles será fijo o flotante respectivamente. En este último caso se produce el giro de la válvula durante el funcionamiento del motor con las ventajas que ello conlleva en cuanto a desgastes y estanqueidad. Los llamados "rotadores" (llustr. II 10.8) obligan a la válvula a girar un ángulo determinado mediante un mecanismo de trinquete, cada vez que ésta abre y cierra
7.- Asientos de válvula.
El asiento de válvula es el elemento de la culata donde apoya la válvula cuando se produce el cierre. Puede estar mecanizado directamente sobre la culata o bien sobre un anillo postizo de acero sinterizado que se monta por interferencia en un alojamiento mecanizado en la culata. En este último caso hay que cuidar el centrado del postizo para asegurar una buena alineación de su eje con el de la guía de la válvula. Para mejorar el cierre, el asiento se mecaniza con un ángulo ligeramente menor al de la válvula.
el escape. Estos parámetros influyen decisivamente en el desgaste del asiento y, por supuesto, en la elección del material.
8.- Guías de válvula.
La guía de la válvula es el elemento por el que se desliza el vástago de la válvula en su movimiento alternativo sirviéndole de guía. Por lo general son postizas y van montadas en la culata por interferencia, aunque en algunas ocasiones se mecanizan directamente sobre ella. Su diámetro interior ha de ser tal, que el juego resultante vástago-guía admita la dilatación debida al calentamiento que origina el funcionamiento del motor y permita, al mismo tiempo, la existencia de una delgada película de aceite que evite el contacto metal-metal. Juegos excesivos provocan películas de aceite de elevado espesor con el consiguiente consumo de aceite mientras que juegos escasos provocan gripajes. Para evitar el consumo de aceite se colocan en la parte superior de la guía retenes de aceite. En la guía de admisión la succión de aceite que efectúa el colector es importante sobre todo en los MEP a baja carga.
La refrigeración de la válvula es otra misión, no menos importante, de la guía de la válvula. El que las guías de admisión sean más cortas que las de escape se debe, por un lado, a que las válvulas de admisión no necesitan tanta refrigeración como las de escape y, por otro, a que el entorpecimiento del flujo de gases de admisión afecta más al rendimiento del motor que el del escape.
9.- Muelles.
Tienen por objeto forzar a la válvula y demás componentes de la distribución a seguir el perfil de la leva durante el proceso de cierre, venciendo las fuerzas de inercia producidas durante el movimiento. Además, mantiene a la válvula presionada contra su asiento garantizando la estanqueidad de la cámara de combustión.
En la actualidad se emplean resortes de torsión en forma de muelles helicoidales cilíndricos. El uso de dos resortes por válvula se justifica para mantener las tensiones en el resorte dentro de lo admisible. Sin embargo, el uso de materiales con mejores características permite utilizar un único resorte por válvula con las ventajas que ello conlleva (menor peso y menor número de componentes).