Antes de realizar una profunda descripci—n de todo lo relacionado con el cigŸe–al conviene conocer bien su funcionamiento y funci—n. En este peque–o v’deo se explica de un modo sencillo:

 

 

 

Ahora, para quienes quieran profundizar, un mont—n de informaci—n m‡s:

Disposici—n de las manivelas en funci—n del dise–o del motor y del nœmero de cilindros ¥ Equilibrado est‡tico y din‡mico ¥ El progreso tecnol—gico y constructivo ¥ Inconvenientes y consejos para prevenirlos
El cigŸe–al forma parte del mecanismo biela-manivela, es decir de la serie de —rganos que con su movimiento transforman la energ’a desarrollada por la combusti—n en energ’a mec‡nica. El cigŸe–al recoge y transmite al cambio la potencia desarrollada por cada uno de los cilindros. Por consiguiente, es una de las piezas m‡s importantes del motor.

En los motores rotativos (elŽctricos o de turbina), el ‡rbol motor tiene simplemente forma cilindrica, con estriados para su ajuste con el rotor (inducido elŽctrico o rodete de la turbina) y engranajes o poleas para transmitir el movimiento. En los motores de pist—n rotativo (tipo Wankel) el cigŸe–al lleva simplemente una excŽntrica circular por cada pist—n.
Sin embargo, en los motores alternativos tradicionales tiene una forma m‡s complicada (puesto que hay manivelas), determinada por la necesidad de transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio: precisamente dada su forma, se le denomina ‡rbol de manivelas o ‡rbol de codos, adem‡s de cigŸe–al.

En los primeros tiempos, el motor t’pico de combusti—n interna era monocil’ndrico, y el cigŸe–al, al tener una sola manivela, era completamente semejante al antiguo berbiqu’ de carpintero, denominado en francŽs Çvilebre-quinÈ. El tŽrmino vilebrequin es aœn hoy d’a el apelativo francŽs correspondiente al espa–ol cigŸe–al. Los ingleses lo llaman ÇcrankshaftÈ, que significa ‡rbol-manivela. Cada manivela est‡ formada por dos brazos llamados brazos de manivela y por la mu–equilla de manivela o mu–equilla de biela, que gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Las mu–equillas del eje de rotaci—n del cigŸe–al se denominan mu–equillas de bancada.

En los motores con los cilindros en l’nea el cigŸe–al est‡ formado por tantas manivelas como cilindros. En los motores con los cilindros opuestos el nœmero de manivelas puede ser el mismo que el de cilindros o s—lo la mitad. En los motores en V, generalmente el nœmero de manivelas es la mitad del de cilindros. El nœmero de mu–equillas de bancada puede variar bastante. Por ejemplo, en un motor de 4 cilindros puede emplearse un cigŸe–al que tenga œnicamente dos mu–equillas de bancada, o bien tres, cuatro o cinco. La elecci—n depende de razones tŽcnicas y econ—micas. La soluci—n m‡s econ—mica es un cigŸe–al con s—lo dos apoyos en los extremos, pero en este caso no puede pretenderse alcanzar potencias elevadas a altos reg’menes. De hecho, para evitar las flexiones y las consiguiente vibraciones del cigŸe–al, es necesario que las mu–equillas de manivela tengan el mayor di‡metro posible y los brazos de manivela una secci—n considerable. El cigŸe–al y las cabezas de biela son pesados y, por tanto, las masas en rotaci—n originan fuerzas considerables y el motor no puede girar a reg’menes muy elevados. Las oscilaciones flectoras del cigŸe–al son tambiŽn la causa de ruidos originados por el golpeteo sobre los cojinetes de bancada.

Por estos motivos, en los motores de 4 cilindros, la soluci—n del cigŸe–al con 2 mu–equillas de bancada no se emplea actualmente. Muchos motores de 4 cilindros tienen 3 mu–equillas de bancada, pero en los motores m‡s modernos y, principalmente, en los de mayor cilindrada, se prefiere la soluci—n con 5 mu–equillas de bancada, que es la m‡s costosa, pero permite alcanzar potencias espec’ficas elevadas y, al mismo tiempo, mayor ligereza del motor. Por esta misma raz—n, generalmente, los motores de 6 cilindros en l’nea tienen 7 mu–equillas de bancada, los motores de 6 cilindros en V poseen 4 mu–equillas de bancada y los de 8 en V, 5 mu–equillas de bancada.

El cigŸe–al lleva en el extremo destinado a transmitir la potencia una brida para la fijaci—n del volante; Žste a su vez, soportar‡ el embrague. El otro extremo est‡ conformado para hacer solidarios con Žl el engranaje de mando de la distribuci—n y las poleas para el accionamiento por correa de los —rganos auxiliares: bomba de agua, generador elŽctrico, ventilador, etc. La forma de las manivelas var’a y depende del nœmero de cilindros, el nœmero de apoyos de bancada, del sistema de fabricaci—n y sobre todo de si existen o no contrapesos.

Generalmente, los cigŸe–ales de los motores para autom—viles est‡n apoyados sobre cojinetes de fricci—n y constituidos por una sola pieza. Los cojinetes de bolas o rodillos se emplean œnicamente en los motores de motocicletas y a veces en motores para veh’culos industriales. En este caso los cigŸe–ales est‡n compuestos por varias piezas. En los motores para motocicletas las mu–equillas y las manivelas se construyen separadamente y se unen despuŽs del montaje de los cojinetes.

En los motores con varios cilindros y para regular el par motor, que en cada cilindro var’a durante el ciclo pasando por su valor m‡ximo cada 2 vueltas (motor de 4 tiempos), y para hacer m‡s uniforme el movimiento del cigŸe–al, se actœa de manera que las combustiones en los diferentes cilindros se sucedan con intervalos iguales. Con este fin se colocan las manivelas de tal manera que las correspondientes a dos ciclos consecutivos se encuentran desfasadas con un ‡ngulo igual a: 180 h/i, donde h es el nœmero de tiempos e i el nœmero de cilindros. Esto sirve para motores con los cilindros en l’nea y para motores con los cilindros en V cuando el ‡ngulo de la V es igual al calculado en la f—rmula indicada anteriormente. No obstante, existen otros motores principalmente los de 2 cilindros en V, donde las diferentes fases no son equidistantes entre s’, dando lugar a un funcionamiento arr’tmico con dos explosiones pr—ximas.
Aumentando el nœmero de cilindros y, por consiguiente, el nœmero de manivelas, se reduce el grado de irregularidad del par motor. Por grado de irregularidad se entiende la relaci—n entre el valor m‡ximo y el valor medio del par motor.


Equilibrado

El equilibrado se consigue por medio de contrapesos aplicados a las manivelas para obtener, cuando sea necesario, el equilibrado est‡tico y el din‡mico del cigŸe–al en todo su conjunto y, muchas veces, de cada una de las manivelas. Sirve adem‡s para reducir el efecto de algunas de las fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Los objetivos del equilibrado son esencialmente dos:
-reducir las vibraciones del motor causadas por las fuerzas y momentos generados por la presi—n de los gases en los cilindros y por las piezas en movimiento alternativo y giratorio (pistones, bielas, y cigŸe–al), y
-reducir las cargas sobre los cojinetes de bancada.

Fuerzas centr’fugas y alternativas

El cigŸe–al est‡ equilibrado est‡ticamente cuando la resultante de las fuerzas centr’fugas es nula, es decir, cuando el baricentro se encuentra sobre el eje de rotaci—n. Es caracter’stico el ejemplo del cigŸe–al con una sola manivela. Es obvio que para que el cigŸe–al estŽ en equilibrio en cualquier posici—n, el peso de la manivela debe ser equilibrado por el de los contrapesos.

Pero el cigŸe–al, adem‡s de estar equilibrado est‡ticamente, puede estarlo din‡micamente, es decir, puede dar lugar, cuando se halla en movimiento, a un momento flector originado por las fuerzas centr’fugas que se encuentran en planos distintos. Puede suceder, en definitiva, que en los motores con varios cilindros la resultante de los momentos respecto a un punto cualquiera del eje no sea nula. Este concepto resulta m‡s claro si se concreta en el caso de un cigŸe–al con 2 manivelas de un motor de 2 cilindros opuestos, de 4 tiempos. Las fuerzas centr’fugas actœan en planos diferentes, cuya distancia entre ©l’os es igual a la que hay entre los ejes de los cilindros. El momento resultante es igual al Producto de la fuerza centr’fuga por la distancia entre los ejes y puede ser equilibrado con uno igual y opuesto por medio de contrapesos. En los cigŸe–ales que tienen m‡s de 2 manivelas, Žstas se disponen angularmente de manera que las combustiones resulten distanciadas igualmente una de otra para obtener la m‡xima regularidad del par motor, y en estas condiciones, en la mayor parte de los casos, la disposici—n de los brazos de manivela es tal que, sin a–adir contrapesos, la condici—n de equilibrio est‡tico se satisface autom‡ticamente, ya que el cigŸe–al admite un plano de simetr’a que pasa por su eje.

En cuanto al equilibrio din‡mico, los cigŸe–ales con m‡s de 2 manivelas resultan equilibrados cuando, estando ya compensados est‡ticamente, admiten un plano de simetr’a perpendicular al eje de rotaci—n respecto al cual las manivelas resultan simŽtricas en nœmero, posici—n y dimensiones. Todos los dem‡s cigŸe–ales pueden ser equilibrados solamente con la ayuda de contrapesos. No obstante, muchos cigŸe–ales, aun estando en conjunto equilibrados din‡micamente, incluso sin contrapesos, tienen equilibradas cada una de las manivelas por separado. Este tipo de contrapesado sirve para reducir la carga impuesta a los cojinetes de bancada. Efectivamente, contrapesando cada una de las manivelas se reducen, o se anulan, los diversos momentos flectores, debido a las Configuraci—n de los diferentes tipos de motor con la forma y disposici—n correspondientes al cigŸe–al. Las manivelas son giradas entre s’ un determinado ‡ngulo, de manera que se obtenga un desfase uniforme de los ciclos de trabajo para alcanzar la m‡xima regularidad posible del par motor.

Una fuerza de primer orden puede ser equilibrada por la componente, segœn el eje de los cilindros, de una fuerza centr’fuga producida por una masa igual a la de la masa alternativa, aplicada al cigŸe–al en contraposici—n a la mu–equilla de manivela. Pero en este caso se crea una fuerza dirigida perpendicularmente al eje cilindrico, con una amplitud y frecuencia iguales. En la pr‡ctica se contrapesa la mitad de la masa alternativa, por lo que queda activa sobre el eje del cilindro la mitad de la fuerza alternativa de primer orden, mientras que la otra mitad se transforma en una fuerza perpendicular al eje del cilindro.

En los motores de varios cilindros (en l’nea, en V u opuestos) las fuerzas alternativas de primer orden se equilibran cuando el cigŸe–al est‡ por s’ mismo equilibrado (es decir, sin contrapesos). De manera an‡loga, los pares debidos a las fuerzas alternativas de primer orden est‡n equilibrados cuando lo est‡n los pares debidos a las masas en rotaci—n, es decir, cuando el cigŸe–al est‡ equilibrado din‡micamente. En lo que se refiere a las fuerzas alternativas de segundo orden, no existe posibilidad de reducirlas con tŽcnicas especiales en la construcci—n del cigŸe–al, puesto que var’an con una frecuencia doble al nœmero de revoluciones. En los autom—viles, las vibraciones causadas por las fuerzas de segundo orden son absorbidas, mediante tŽcnicas especiales, por la suspensi—n del motor.

Proyecto del cigŸe–al

La relaci—n entre la carrera y el di‡metro influye sobre diversas caracter’sticas y sobre el dise–o del motor. Su influencia se hace notar tambiŽn sobre el cigŸe–al. Efectivamente, a igualdad de cilindrada, aumentando el di‡metro de los cilindros y disminuyendo correspondientemente la carrera, el cigŸe–al se alarga y los brazos de las manivelas se acortan. Reduciendo la longitud del brazo de manivela se disminuyen las fuerzas de inercia causadas tanto por las masas de rotaci—n como por las masas alternativas. Adem‡s, el cigŸe–al, al tener un di‡metro de giro menor, puede tener una constituci—n m‡s ligera.

Otra ventaja la constituye el denominado recubrimiento de las mu–equillas de bancada y de biela. Este recubrimiento permite obtener la resistencia y la rigidez deseadas con un espesor reducido de los brazos de manivela. De ah’ resulta la posibilidad de alargar las mu–equillas para dar mayor superficie de contacto a los cojinetes y unir mu–equillas y brazos con una conexi—n de radio relativamente grande, lo que le proporciona un importante incremento de la resistencia a la fatiga.

Otro mŽtodo, para aumentar m‡s aœn la resistencia a la fatiga del cigŸe–al, consiste en comprimir mediante la acci—n de rodillos las fibras del acero de las conexiones de las mu–equillas de bancada y de biela.
Las dimensiones de las mu–equillas se calculan en funci—n de las cargas que los cojinetes deben soportar, de las velocidades de rŽgimen y de la rigidez que es necesario obtener para impedir que se produzcan deformaciones por flexi—n y vibraciones de torsi—n. Cuando un cigŸe–al posee unas mu–equillas que cumplen con estos requisitos, es generalmente m‡s que suficiente para transmitir la potencia œtil.

La capacidad de carga de los cojinetes es aproximadamente proporcional al producto del di‡metro por la longitud de la zona de contacto con la mu–equilla. Para una cierta carga y para una determinada longitud de la mu–equilla, al aumentar el di‡metro se incrementa la velocidad de rozamiento, pero disminuye la presi—n unitaria sobre el cojinete y, por esta raz—n, el proyectista tiene una cierta libertad de acci—n. Pero debe considerar que cuando los di‡metros son peque–os pueden producirse deformaciones y, como consecuencia, presiones en zonas limitadas de los cojinetes, as’ como vibraciones de torsi—n. Por tanto, es aconsejable elegir unos di‡metros bastante grandes para obtener mayor rigidez del cigŸe–al y tambiŽn mayor resistencia de los cojinetes, puesto que Žstos se apoyan m‡s f‡cilmente sobre toda su longitud.

El cigŸe–al es taladrado para formar los agujeros de paso para el aceite necesarios para su lubricaci—n. A menudo dichos agujeros sirven adem‡s para aligerar el cigŸe–al. Una buena lubricaci—n de los cojinetes es un factor important’simo para el buen funcionamiento y la duraci—n de los mismos. Los cigŸe–ales deben agujerearse en correspondencia con los brazos de manivela (al menos uno por cada manivela) para hacer llegar el aceite desde los cojinetes de bancada a los de biela. Generalmente el aceite llega, a travŽs de ranuras realizadas en el bloque, a cada uno de los cojinetes de bancada y desde all’ se le hace penetrar en el cigŸe–al por los agujeros, que generalmente son radiales; recorre los canales efectuados en los brazos de manivela y sale por otros agujeros que desembocan en la parte media de los cojinetes. Para reducir el nœmero de agujeros pueden alargarse los taladros de los brazos de manivela hasta atravesar las mu–equillas de biela; en este caso no es necesario que las mu–equillas estŽn agujereadas axilmente.

Procesos de fabricaci—n

El material empleado generalmente para la construcci—n de los cigŸe–ales es de acero al carbono; en los casos de mayores solitaciones se emplean aceros especiales al cromo-n’quel o al cromo-molibdeno-vanadio tratados tŽrmicamente. Se construyen tambiŽn cigŸe–ales en fundici—n nodular que poseen unas caracter’sticas de resistencia semejantes a las del acero al carbono.

Cuando, a causa de las fuertes descargas, deben emplearse cojinetes con una superficie bastante dura (antifricci—n de aleaci—n cobre-plomo, duraluminio, etc.), las munequillas del cigŸe–al se endurecen superficialmente mediante cementaci—n, temple superficial o nitruraci—n. En un sistema especial de temple superficial muy empleado en la fabricaci—n en serie, el endurecimiento se produce mediante un calentamiento superficial obtenido por procedimiento elŽctrico (por inducci—n) y posterior enfriamiento con agua; este sistema de endurecimiento es muy r‡pido. Otro sistema de endurecimiento superficial es el flameado, en el cual el calentamiento se obtiene con la llama. Cuando los problemas econ—micos pasan a segundo tŽrmino, como sucede en el caso de los coches de carreras, se puede elegir un acero especial de alta resistencia y adoptar el endurecimiento por nitruraci—n.

En un principio, el cigŸe–al se obten’a de un cilindro de acero, eliminando con el torno las partes sobrantes. Los brazos de manivela, al ser circulares, se aligeraban eliminando las partes laterales, y por esta raz—n la secci—n de los brazos de manivela resultaba rectangular. Inicialmente, no se sol’an aplicar contrapesos. M‡s adelante, se comenzaron a construir los cigŸe–ales forj‡ndolos con operaciones sucesivas de estampaci—n en caliente. La tŽcnica de estampaci—n, perfeccionada con la experiencia y el tiempo, permiti— modelar los brazos de manivela de manera que inclu’an ya los contrapesos. Actualmente, los contrapesos en los motores para autom—viles forman siempre una parte integral del cigŸe–al. S—lo en casos especiales y en motores para veh’culos industriales son montados independientemente.
Las operaciones de mecanizado consisten en el desbarbado de la pieza, torneado de las munequillas y posterior rectificado, y arranque de material para el equilibrado est‡tico y din‡mico.

En la fabricaci—n en serie, estas operaciones se hacen con m‡quinas semiautom‡ticas o autom‡ticas. Para reducir los tiempos de mecanizaci—n se tiende a disminuir la cantidad de material que debe arrancarse durante la misma. Esta es una de las razones por las que se construyen los cigŸe–ales con fundici—n nodular: los cigŸe–ales fundidos son m‡s precisos, en bruto, que los forjados, y tienen sobremateria-les inferiores y, por tanto, eliminables con mayor rapidez.
Las principales operaciones de mecanizaci—n son: enderezado de la pieza en bruto antes del desbaste en torno (el enderezado debe repetirse, si es necesario, despuŽs de otras fases de mecanizaci—n), tratamiento tŽrmico (endurecimiento superficial, revenido, bonificado y otros tratamientos), control posterior, acabado (rectificado, equilibrado y afinado). Una vez terminada la mecanizaci—n, se efectœan los numerosos controles de verificaci—n, como son: control de la alineaci—n de las munequillas de bancada, control de la posici—n y alineaci—n de las munequillas de manivela, control del radio de manivela, de la ovalizaci—n y conicidad de las munequillas, del grado de acabado, de la retenci—n hidr‡ulica, etc.

Duraci—n del cigŸe–al

El cigŸe–al es la pieza del veh’culo, entre las que tienen movimiento, que gira a mayor velocidad y pesa m‡s; no obstante, est‡ proyectado para durar, sin ser reparado, tanto como el autom—vil. Las tŽcnicas de construcci—n modernas, los juegos de montaje cuidadosamente controlados y los progresos en el campo de los lubricantes le aseguran un amplio margen de seguridad y una —ptima fiabilidad. Sin embargo, no es raro -y esto suced’a con mayor frecuencia en el pasado- que se produzcan aver’as en el cigŸe–al, que deben achacarse casi siempre al conductor. Las m‡s importantes son: la rotura por fatiga del cigŸe–al y el rayado de las munequillas.
La primera es producida por las vibraciones de torsi—n y por las solicitaciones anormales causadas por el bajo nœmero de revoluciones, por el golpeteo contra la culata, por el encendido irregular en algœn cilindro o, finalmente, tambiŽn por el equilibrado incorrecto del cigŸe–al. Especialmente, los juegos excesivos en los cojinetes de bancada causan vibraciones de flexi—n que pueden producir la rotura.

La segunda aver’a, es decir el rayado de las munequillas, depende de la lubricaci—n y del filtrado del aceite; esta circunstancia puede producirse por las causas m‡s diversas: por ejemplo, acelerando el motor en fr’o cuando el aceite no est‡ aœn en circulaci—n, tomando las curvas con el nivel de aceite por debajo del m’nimo, viajando a plena carga con bajo nœmero de revoluciones, o bien, finalmente, cuando el lubricante o la instalaci—n de lubricaci—n no funcionan correctamente. En todos estos casos mencionados, la presi—n del aceite es el valor que m‡s influye para una buena lubricaci—n y, por tanto, es aconsejable emplear un man—metro de aceite para que pueda controlarse constantemente.
En caso de rotura del cigŸe–al es necesario cambiarlo junto con los cojinetes de bancada o de biela, y debe realizarse un nuevo equilibrado conjuntamente con el volante. A veces, conviene tambiŽn efectuar un mandrilado de los apoyos de bancada -es decir, su alineaci—n mediante escariado- con el fin de corregir las eventuales deformaciones.
En el caso de rayado de las munequillas es necesario minorar las munequillas del cigŸe–al y proceder a su rectificaci—n, volviendo a efectuar el montaje despuŽs con los cojinetes reducidos. La minoraci—n es la disminuci—n del di‡metro de las munequillas de bancada y de la biela para eliminar la parte da–ada. Generalmente es posible efectuar una o dos disminuciones segœn la profundidad de la cementaci—n. El valor de cada rectificaci—n es, en general, de 0,3 mm, y el constructor lo indica en los manuales de reparaci—n.