Árbol de levas – Diseño, Función, Averías Y Reemplazo

En el motor de combustión interna, el árbol de levas es responsable de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape, es decir, de la distribución del gas directamente en la cámara de combustión del motor.

La eficiencia del motor depende de las características de diseño del mismo y del propio árbol de levas, así como del ajuste correcto de la sincronización: potencia, dinámica y eficiencia.

Incluso, la evolución de los motores conlleva algunos cambios en la forma y función del árbol de levas. Creando sistemas que ajustan la sincronización a la velocidad, los ejes se instalan para admisión y escape por separado y, por supuesto, cambian los materiales y métodos de procesamiento del metal. De lo cual te iremos hablando en el trascurso del artículo.

 

Diseño de árbol de levas

En la mayoría de los casos, el árbol de levas se mecaniza a partir de un cilindro de metal sólido, y solo unos pocos fabricantes instalan levas en el eje, creando no una estructura sólida sino prefabricada (por ejemplo, un árbol en el Audi Valvelift System (AVS), en el cual las levas se mueven sobre el eje del árbol).

Pero ahora la mayoría de los automóviles usan diseños de árboles de levas sólidos hechos de hierro fundido o capas de acero resistentes al desgaste. La dureza adicional de los ejes acabados se obtiene endureciendo con: nitruración, tratamiento con láser, blanqueo, etc.

Los principales elementos estructurales del árbol de levas son las levas, que abren las válvulas directamente o mediante los empujadores. Los elementos de soporte (cuellos) se instalan en cojinetes deslizantes (lengüetas), sobre los cuales gira el árbol por efecto de una cuña de aceite con mínima fricción.

Cuando el eje gira, las levas abren las válvulas en una secuencia estricta (generalmente una leva para una válvula, aunque hay otras opciones de diseño) y se cierran mediante resortes.

Los diseñadores prestan especial atención a la forma y el tamaño de las levas, porque depende de sus parámetros, a qué altura y durante cuánto tiempo se abrirán las válvulas, lo que significa qué tan eficientemente se suministrará el aire y los gases de escape.

Patrón de diseño:

Cuanto más tiempo está abierta la válvula, más aire ingresa a la cámara de combustión, lo que significa que puede suministrar más combustible. Por otro lado, abrir la válvula durante demasiado tiempo amenaza con “chocar” entre ella y el pistón. Esta es una contradicción y los ingenieros se esfuerzan por resolverla.

Por eso, se han desarrollado árboles de levas especiales para motores deportivos, con una geometría de levas modificada que abre la válvula durante un período de tiempo más largo. Este diseño permite que el motor desarrolle la máxima potencia necesaria para las carreras de coches.

• Sin embargo, el consumo de combustible aumenta en un orden de magnitud, incluso en ralentí, lo que no es absolutamente adecuado para el uso diario del automóvil.

Por otro lado, la velocidad del giro del árbol de levas es dos veces menor que en el árbol acodado: para una carrera completa del motor, el árbol acodado da dos vueltas completas, pero cada una de las válvulas debe abrirse solo una vez (en una carrera de compresión y una carrera de trabajo ambas válvulas están cerradas).

Además, se utiliza una transmisión por correa o cadena (correa de distribución o cadena de distribución) para sincronizar el cigüeñal y las velocidades de distribución, y la opción más avanzada hoy en día es un engranaje dividido fijado en un extremo del árbol de levas al que se transmite la rotación desde el motor.

Sutilezas de la construcción

La profundidad y la duración de la apertura de la válvula dependen de la altura y el perfil de las levas.

 

La figura muestra que la leva C es mayor en altura que las demás, D tiene un eje más delgado y por lo tanto baja la válvula más abajo, y con E la válvula dura más tiempo en la posición abierta (solo teóricamente, en la práctica, este perfil de levas no se utiliza).

En los árboles de levas, independientemente de si está instalado solo en la entrada y salida, o en diferentes válvulas, se colocan ejes separados, se proporciona la llamada fase de superposición: el momento en que la válvula de escape aún no se ha cerrado y la entrada es ya abierta.

Los diseñadores llaman a esto una purga: el flujo de gases de escape, al salir, crea un vacío adicional, lo que facilita el flujo de aire hacia la cámara de combustión. Cuanto menor sea el ángulo de superposición (aproximadamente 15 grados), más económico> será el motor y mejor será la recepción a bajas velocidades.

Por el contrario, cuanto más tiempo permanezcan abiertas ambas válvulas al mismo tiempo, mejor será la velocidad del motor a altas capacidades, pero se perderán el ahorro de combustible y los estándares medioambientales.

Tipos de colocación del árbol de levas en el motor

Puede haber uno, dos o cuatro árboles de levas en el diseño del motor, según la disposición de los cilindros y el número de válvulas. Las cuales puedes ver de las siguientes maneras:

• A la disposición lineal y 2 o 3 válvulas en el cilindro se establece un terraplén distributivo que controla tanto la entrada como la salida (sistema SOHC).

• Con 4 válvulas, se colocan 1 o 2 árboles de levas en el cilindro (sistema DOHC - árboles separados para admisión y escape).

Para motores en forma de V u opuestos, el árbol de levas se monta en cada uno de los bloques de cilindros por separado (uno común en una fila o dos en una fila), o un árbol común en todos los cilindros (colocado en el centro, en el colapso del motor).

¿Cuál es la preferencia?

Los diseñadores prefieren separar los ejes de admisión y escape para reducir la carga sobre ellos y la complejidad del diseño. Como regla general, los árboles de levas de admisión y escape son casi iguales: la misma longitud y diámetro del eje, la misma altura y perfil de las levas. La diferencia puede estar en el diseño de los cuellos de apoyo extremos y las poleas motrices.

Además, un sensor de posición está instalado en uno de los árboles de levas, para el cual se asigna un asiento separado.

La ubicación del árbol de levas en relación con las válvulas puede diferir en diferentes diseños de motor. En motores antiguos o de baja potencia, el eje se instala en el lateral de las válvulas, conectándolas a las levas mediante balancines (balancines en forma de T) y varillas.

Este sistema se denomina ubicación lateral o inferior del árbol de levas “Cam-in-Block”. Su ventaja está en un sistema de lubricación más simple (la mayoría de las veces, la pieza se instala directamente en el cárter) y la desventaja, es la difícil disponibilidad para el reemplazo.

Los motores de diseños posteriores se fabricaron con árboles de levas directamente encima de las válvulas, lo que facilita el mantenimiento y la reparación. Esta disposición, cuando las levas del eje se presionan directamente sobre el empujador, se denomina superior o “Cam-in-Head”.

Averías del árbol de levas

El funcionamiento prolongado e ininterrumpido de la correa de distribución, incluido el árbol de levas, depende directamente de la calidad del aceite, ya que el servicio aceite hacia los cojinetes deslizantes (camas y revestimientos de los árboles de levas), así como en la superficie de las levas, debe ser ininterrumpida.

Y para esto, los orificios dentro del árbol de levas están diseñados para suministrar aceite a los pares de fricción, son bastante delgados y están hechos para aceite de motor de cierta viscosidad y calidad.

Por lo que el reemplazo inoportuno o la selección incorrecta de aceite conducen a la obstrucción de los canales, después de lo cual la fricción del árbol de levas no se produce en la capa de fluido (planificación hidrodinámica), sino en la superficie metal-metal.

Entonces, el resultado de este proceso es triste, pero predecible: Un desgaste rápido de las levas (a veces hasta un estado de circunferencia perfecta) y empujadores, así como los cuellos y las lengüetas, conduce a fallas en el motor. Además, la fricción excesiva puede romper el árbol de levas, y esto amenaza no solo su reemplazo, sino también la revisión del motor.

Otras causas de falla del árbol de levas

Además de la falta de aceite, las causas de las averías pueden ser el sobrecalentamiento, del que sale el metal, el desgaste natural, rotura de piezas relacionadas como: la polea, cadena o distribución e inicialmente una baja calidad del árbol de levas (mal metal, fabricación incorrecta).

Las señales se pueden identificar visualmente o incluso de oído, ya que un síntoma característico de una falla del árbol de levas será un golpe al arrancar un motor frío (al comienzo del problema, el golpe desaparece cuando el motor se calienta y, con el deterioro, el motor golpeará constantemente).

También, elementos activados y rebabas en el cuello, cojinetes, sellos o levas son una señal clara para reemplazar la pieza.

El árbol de levas de mala calidad puede distorsionarse (la deformación, por regla general, no se determina visualmente, sino solo en equipos especiales) debido a la flexión de los cuellos de soporte. Para los automóviles, el grado de curvatura permitido del árbol de levas es de 0.05 mm, si es más, la vibración aumenta y los componentes adyacentes del motor fallan.

En el caso de una instalación incorrecta del eje, así como un montaje incorrecto del motor (pernos de montaje de la culata de cilindros, árbol de levas, poleas y engranajes sueltos), se producen vibraciones durante el funcionamiento. Por lo que, el eje rompe el soporte, después de lo cual, en la mayoría de los casos el motor se envía para revisión.

Donde pueden aparecer grietas en el árbol de levas y las ranuras debajo de los pasadores se rompen bajo carga. Por eso no es aconsejable reparar el árbol: ningún lijado o rociado restaurará su calidad. En caso de falla, la pieza simplemente se reemplaza por una nueva, mientras se instalan nuevos pernos de montaje y se revisa la cadena de distribución o la correa.

Diagnóstico, reemplazo e instalación del árbol de levas descripción completa

Las carreras de trabajo del motor del automóvil están sincronizadas por el árbol de levas, una unidad separada del mecanismo de distribución de gas. Rara vez se daña, pero si no supervisas su estado técnico, puede suceder en el momento más inesperado.

Indicaciones para reemplazar el árbol de levas.

El estado del árbol de levas debe controlarse de forma regular y cuidadosa. Su mal funcionamiento también puede provocar averías a gran escala en el propio motor como lo hemos mencionado anteriormente.

Por lo general, el árbol de levas comienza a “deprimirse” con un ruido sordo durante el arranque del motor y en motores fríos, se puede escuchar ruido en el área de la tapa de válvulas. Los conductores experimentados que entienden la voz interior de su automóvil, identifican rápidamente el ruido del motor y los ruidos inusuales “a la izquierda”.

Pueden distinguir inmediatamente entre el sonido silencioso y uniforme del árbol de levas, que cambia la frecuencia según la velocidad del motor. Si la pieza está defectuosa, esto se acompaña de un ruido sordo, que recuerda a los golpes de martillo.

Las averías también indican:

• Deterioro de la suavidad de la máquina.
• Caída en el poder del ICE.
• Ralentí inestable.
• Fuerte vibración del motor.
• Comienzo difícil en clima frío.

Se presta especial atención a los sellos de aceite del árbol de levas, ya que estos no deben tener roturas, grietas o abrasiones. También es necesario inspeccionar la integridad de la unidad. Sin embargo, es difícil determinar el desgaste del árbol de levas mediante signos indirectos.

Es mucho más fácil hacer esto en la parte removida, inspeccionándola visualmente desde todos los lados. No debe haber baches, rayones, depósitos de aluminio de los cojinetes en ninguna parte. Un signo indudable de desgaste son las ranuras y los golpes en las superficies de balancines y levas.

En el estado desmontado, también se puede escuchar el árbol de levas. Para hacer esto, debes sostenerlo paralelo al suelo con una mano y tocar desde arriba con la otra. No debería haber golpes.

Un requisito previo: ¡el árbol de levas no debe “caminar” sobre la cama! De lo contrario, al aferrarse al limitador, inevitablemente se creará un ruido que puede confundirse con un mal funcionamiento.

¿Cuándo reemplazo por uno nuevo o restauro un árbol de levas viejo?

El daño siempre se analiza. Según los arañazos y agallas en los muñones del cojinete, las grietas y deformaciones, los expertos determinan el grado de desgaste. El área del sitio del nodo en la cama se examina necesariamente.

Se miden las dimensiones de los cuellos y los soportes del cuerpo: para esto se utiliza un micrómetro. Si el daño es fuerte y las desviaciones en los diámetros son grandes, no es práctico realizar reparaciones. En este caso, será difícil restaurar la pieza, costará mucho más.

Cuando los defectos son menores, por ejemplo, el desgaste del eje está mal expresado, los arañazos en la superficie debajo de los sellos de aceite son pequeños, se lleva a cabo la reparación. En este caso, el pulido de las superficies y la instalación de nuevos retenes con una pequeña sección axial ayudarán perfectamente.

Uno de los problemas más comunes del árbol de levas es el desgaste de la leva. Este defecto suele manifestarse como un golpe característico dentro del motor al arrancar en “frío”. Si se ignoran los síntomas iniciales, el problema empeorará. El ruido aumentará, aparecerá un sonido metálico no solo en la etapa de inicio, sino también durante el movimiento.

El desgaste prematuro de la leva es causado por:

• Obstrucción del filtro de aceite.
• Sobrecalentamiento frecuente de la planta de energía.
• Bajo nivel de lubricación.
• Juego de válvulas ajustado incorrectamente.
• Fases configuradas incorrectamente de GDS.

Otro mal funcionamiento común son los defectos en los cuellos de soporte, estos incluyen raspaduras y abrasiones diversas. Los elementos de soporte también se doblan, agrietan y cambian su forma inicial. Las infracciones menores son causadas por el desgaste natural o el aceite de motor de mala calidad.

Se pueden quitar fácilmente esmerilando y limpiando simultáneamente las partes internas del motor del automóvil: cilindros, pistones, anillos. Al mismo tiempo, la bomba de aceite y el sistema de enfriamiento del motor de combustión interna se someten a un diagnóstico exhaustivo y se corrige su funcionamiento incorrecto.

Por otro lado, los defectos importantes no se pueden rectificar, por lo que el árbol de levas se reemplaza por uno nuevo. Sin embargo, es extremadamente importante poder identificar la causa que provocó el desgaste. De lo contrario, el problema se repetirá.

Como regla general, las levas y los cojinetes a menudo se rompen y se desgastan prematuramente en condiciones extremas. Cuando el automóvil se usa con más frecuencia de lo normal, se produce un accidente y varias colisiones.

Herramientas de reemplazo del árbol de levas

La presencia de estas herramientas simplificará el procedimiento:

• Un juego de llaves y enchufes, incluido un trinquete.
• Un juego de destornilladores: se requiere un destornillador plano para trabajar con un sello de aceite o pinzas.
• Micrómetro.
• Una perilla para sujetar y girar.
• Dinamómetro: una llave para apretar conexiones roscadas con un par especificado con precisión.
• Extractor y mandril para prensar.

Se debe preparar un kit de reparación antes de la sustitución, que incluye, además del producto en sí: insertos, un sello de aceite y pernos de montaje. Si el sistema es con elevadores hidráulicos, estas piezas también deben reemplazarse.

Instrucciones: desmontaje e instalación del árbol de levas

Antes del desmontaje, se comprueba el desplazamiento axial del árbol de levas. No tienes que golpear la cama muy fuerte y escuchar. Si la pieza golpea, se confirma el defecto y la pieza se elimina en la siguiente secuencia:

• Afloja la abrazadera, separa el tubo de ventilación del filtro de aire.
• Saca la manguera del filtro de aire.
• Tira el cable de succión.
• Quitar el mando de la válvula de gas.
• Extrae la tapa de la válvula desenroscando ocho tuercas que conectan la pieza al bloque de cilindros.
• Instala el árbol de levas en el extremo de compresión del cilindro número 4.
• Afloja la tuerca del tensor de la cadena del árbol de levas apoyando la cuchilla de montaje en la zapata y fijando firmemente la varilla. Si es imposible aflojarla, retira completamente el mecanismo tensor.

• Dobla la contraarandela y desatornilla el perno del piñón. Ahora suelta el piñón del árbol de levas, pero antes de eso coloca la palanca de la caja de cambios en la cuarta marcha para evitar arrancar el árbol de levas.
• Retira la cadena, cuélguela del cable.
• Desenroscar las abrazaderas de la cama a la culata, actuando de forma escalonada.

Retirando el árbol de levas:

La cama se puede quitar junta con el árbol de levas o por separado. Si se extrae al mismo tiempo, la brida de empuje se extrae más. Se apoya en una tuerca número "10". Después de quitar la brida, el eje se retira de la cama levantando ligeramente la leva, liberándola de la presión del resorte.

El árbol de levas antiguo debe someterse a resolución de problemas. Como se mencionó anteriormente, si el nivel de daño es significativo, no tiene sentido repararlo. Durante la extracción, se verifican simultáneamente otras partes de la correa de distribución: balancines, resortes, sellos de vástago de válvula.

La instalación de nuevo o reparado se lleva a cabo estrictamente de acuerdo con las instrucciones. Una de las reglas principales es apretar los tornillos en un orden determinado y con la fuerza adecuada. Por ejemplo, para Zhiguli, el par de apriete es de 18,3 N / m.

Más adelante en la instalación:

• Coloca el resorte de la leva.
• Engrasa la cama con aceite limpio.
• Instala el nuevo árbol de levas de modo que las levas no descansen sobre la arandela del empujador de la válvula con la parte superior del pico.
• Apretar los pernos de la brida de empuje con la llave “10”.
• Aprieta los pestillos, actuando de la misma manera, después de uno.
• Coloca el engranaje partido, la cadena y las arandelas en su lugar. Se recomienda conectar la cadena al engranaje con un hilo para que no haya saltos sobre los dientes.
• Aprieta el perno de fijación del piñón con una llave a “17”.
• Instala la arandela de seguridad.
• Active el mecanismo de tensión apoyando el soporte en la zapata y sujetando firmemente el vástago del árbol de levas.

Además, cualquier mecánico de automóviles que se precie reemplazará el eje simultáneamente con la instalación de nuevos balancines. Esto se hace porque el agotamiento de las piezas conduce a un desgaste prematuro del propio árbol de levas.

¿Cómo reemplazar el sello de aceite del árbol de levas?

El reemplazo del sello de aceite del árbol de levas está incluido en la lista obligatoria de trabajos. El sello de aceite o sello de labio es una junta tórica de material elástico que evita que el aceite salga. La principal razón del desgaste de esta junta es la obsolescencia banal. Hay 2 retenes de aceite instalados en el árbol: delantero y trasero.

El mal funcionamiento de un elemento se manifiesta de cualquier manera: cambio de forma, hinchazón, ruptura, agrietamiento. A menudo, el sello de aceite simplemente se cae de su asiento. Una falla en el sello se diagnostica visualmente: la aparición de rastros de aceite en la tapa de distribución, la correa salta, etc.

El sello de aceite delantero es mucho más fácil de reemplazar que el sello de aceite trasero. Es suficiente tirar la tapa de la válvula, quitar la correa de distribución y arreglar la polea para que no gire con una palanca. La polea también se desmonta del vástago del árbol de levas y la lleva ubicada detrás de ella. Luego, el sello de aceite se extrae con un destornillador o pinzas.

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