El cigonyal és un component fonamental a les màquines tèrmiques i als motors alternatius, ja que juga un paper crucial en la conversió del moviment.
Aquest arbre de transmissió de força funciona com una manovella que converteix els moviments alternatius dels pistons en moviments de rotació (com als motors d'explosió) o, en alguns casos, converteix els moviments rotatoris en moviments alternatius (com a les premses mecàniques excèntriques).
Funció del cigonyal en un motor tèrmic
Als motors tèrmics, el cigonyal recull les forces originades per les explosions dins dels cilindres i, mitjançant les bieles, transforma el moviment lineal alternatiu del pistó en un moviment rotatiu. Aquest moviment es transmet després a altres elements del motor, com ara el volant d'inèrcia o el sistema de distribució. El cigonyal ha de ser extremadament resistent a causa dels esforços de torsió i flexió a què està sotmès durant el seu funcionament.
Estructura i components del cigonyal
Un cigonyal està compost per diversos elements clau:
- Muñones : Els punts d'unió entre les bieles i el cigonyal. Cada monyó gira descentrat respecte a l'eix de rotació del cigonyal.
- Contrapesos : Col·locats en la prolongació de cada colze (o braç), serveixen per equilibrar el cigonyal i reduir les vibracions.
- Pinyó de distribució i volant d'inèrcia : Als extrems del cigonyal es munten aquests components, que permeten l'acoblament amb altres sistemes del motor.
En un motor típic de quatre cilindres, el cigonyal té generalment cinc suports que es fixen a la bancada del bloc del motor. Aquests suports, o bancades, són crucials per mantenir el cigonyal en la seva posició de rotació i garantir-ne el funcionament sense moviments indesitjats.
Funcionament del cigonyal
El cigonyal converteix el moviment alternatiu dels pistons en un moviment de rotació gràcies als colzes. Aquests colzes reben les bieles, que estan connectades als pistons. El monyó de cada colze és l'eix de rotació del cigonyal, ia través de la connexió entre el monyó i el braç del cigonyal, es produeix la rotació.
Per compensar el desequilibri que es genera a causa de la rotació descentrada dels monyons i les bieles, s'instal·len contrapesos als extrems dels braços del cigonyal. Aquests contrapesos ajuden a equilibrar les forces ia reduir les vibracions indesitjades. En alguns cigonyals, els colzes estan disposats de manera que els desequilibris d'un colze es compensin amb els d'un altre, cosa que facilita un funcionament més suau.
Materials i tecnologia de fabricació
El cigonyal s'ha de fabricar amb materials d'alta resistència, ja que ha de suportar els esforços de fatiga, torsió i desgast. Els materials més comuns són els acers d'alt aliatge, com l'acer al carboni, el crom-manganès i el crom-níquel-molibdè, a causa de la seva alta resistència i la capacitat d'obtenir duresa superficial a través de tractaments com la nitruració.
Cigonyals d'acer : Aquests cigonyals ofereixen una gran resistència, la qual cosa els fa ideals per a motors d'alt rendiment i aplicacions en què la fatiga és una preocupació important. Els tractaments tèrmics com la nitruració permeten augmentar la duresa dels colls del cigonyal, cosa que millora la durabilitat dels rodaments.
Cigonyals de ferro fos : Aquests cigonyals es fabriquen mitjançant fosa de ferro dúctil modificat amb magnesi. Ofereixen avantatges com una alta capacitat d'amortiment de les vibracions torsionals, cosa que pot eliminar la necessitat d'amortidors addicionals en alguns motors.
Tipus de cigonyals
Hi ha dos tipus principals de cigonyals, depenent del seu disseny i ús:
- Cigonyals compostos o separables : En aquests cigonyals, els components com el passador de la barra de connexió es poden lliscar, la qual cosa permet millorar la fiabilitat i reduir la fricció. Aquest tipus de cigonyal és més comú en motors de dos cilindres a causa de les complexitats en la construcció.
- Cigonyals monolítics : Són els més utilitzats en motors més grans. Estan fets d'una sola peça, cosa que facilita la fabricació i redueix el pes total del cigonyal. Són més simples de fabricar que els cigonyals compostos.
Tractaments tèrmics i enduriment
A causa dels esforços a què està sotmès el cigonyal, és comú que se sotmeti a tractaments tèrmics per millorar la seva durabilitat i resistència. Aquests tractaments poden incloure la nitruració, el tremp a la flama o el tremp per inducció, que augmenten la duresa superficial i la resistència al desgast.
Manteniment del cigonyal
El cigonyal és un component essencial per al funcionament de qualsevol motor, i el manteniment adequat és crucial per garantir la longevitat i el rendiment del motor. El manteniment pot incloure inspeccions regulars per detectar desgast o danys als monyons, els contrapesos i els suports.
També és fonamental verificar que els coixinets del cigonyal estiguin en bon estat, ja que un coixí desgastat pot provocar un funcionament ineficient o fins i tot fallades mecàniques.
Un cigonyal que presenta un desgast irregular o danys als monyons pot causar vibracions al motor, cosa que no només afecta el rendiment, sinó que també pot danyar altres components. Per això, en alguns motors d'alt rendiment, cal fer dinàmics equilibrats del cigonyal, especialment en motors de competició o d'aviació.
Relació amb altres components del motor
El cigonyal està estretament relacionat amb diversos altres components clau del motor, com ara:
- El sistema de distribució El cigonyal està connectat amb el pinyó de la distribució, el qual controla el temps d'obertura i tancament de les vàlvules. La sincronització precisa entre el cigonyal i l'arbre de lleves és crucial per a un rendiment eficient del motor.
- El sistema de lubricació : El cigonyal ha d'estar correctament lubricat per reduir el desgast per fricció. El sistema de lubricació, que inclou la bomba d'oli, garanteix que el cigonyal i altres components crítics rebin l'oli adequat per funcionar sense fricció excessiva.
- La biela La biela transfereix la força generada per l'explosió del combustible del pistó al cigonyal. Aquest component ha d'estar perfectament alineat i capaç de resistir les forces de compressió i torsió.
Eficiència i rendiment del motor
El cigonyal influeix directament a l'eficiència del motor, ja que un cigonyal ben equilibrat i d'alta qualitat redueix la vibració i millora la suavitat del funcionament. Els cigonyals lleugers i balancejats permeten que el motor funcioni de manera més eficient, cosa que pot millorar el rendiment general i reduir el consum de combustible.
A més, el cigonyal té un impacte important a l'emissió de gasos del motor. Un cigonyal mal equilibrat pot causar un funcionament menys eficient, fet que porta a una major producció d'emissions a causa d'una combustió incompleta o irregular. Un cigonyal optimitzat contribueix a un motor més net i eficient.
Avanços tecnològics als cigonyals
Actualment, els avenços tecnològics han permès que els cigonyals siguin més lleugers i resistents, utilitzant materials com el titani en motors d'alt rendiment o motors elèctrics de vehicles esportius.
A més, la tecnologia de fabricació ha evolucionat, amb la utilització d'impressió 3D per a la creació de models complexos de cigonyals i altres components, cosa que permet reduir els costos de producció i millorar-ne la precisió.