¿Qué es un árbol de levas?
¿Cómo funciona el árbol de levas?
El árbol de levas es una de las partes más importantes del motor de combustión interna, ya que regula la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape. Este artículo explica la función, el funcionamiento, las piezas y las aplicaciones del árbol de levas.
Un árbol de levas es una varilla con una serie de levas sobresalientes, diseñada para transformar el movimiento rotatorio en movimiento lineal.
En el caso de un motor, el árbol de levas es la pieza que regula la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape de un motor de combustión interna. Un árbol de levas tiene más de una leva: tiene muchas levas radiales que desplazan la válvula de admisión o de escape. Esta leva se desliza sobre las válvulas de admisión y escape.
La leva transforma el movimiento rotatorio del árbol de levas en el movimiento alternativo del taqué o seguidor. Este eje permite la aspiración y la expulsión del combustible dentro del motor.
El funcionamiento del árbol de levas depende del trabajo de la leva y del funcionamiento de la válvula. Las válvulas de admisión y escape se instalan en la culata, y las levas se instalan sobre estas válvulas. La culata aloja el orificio que permite la aspiración o descarga de combustible y que requiere movimiento alternativo.
En palabras sencillas, una leva es un elemento que transforma el movimiento rotatorio en movimiento lineal y viceversa. La leva del árbol de levas consigue el desplazamiento con un patrón de giro radial y un seguidor que se mueve perpendicular al eje de rotación. La posición del árbol de levas varía según el diseño del motor.
La función principal del árbol de levas es abrir la válvula de admisión y la de escape en el momento adecuado. El cigüeñal acciona este eje, que está vinculado a él mediante una correa o engranajes engranados.
El movimiento del árbol de levas es más lento que el del cigüeñal: completa una revolución después de dos revoluciones del cigüeñal. En un motor de cuatro tiempos, un árbol de levas funciona de la siguiente manera:
- Cuando el pistón se mueve del PMS al PMI (hacia abajo), transfiere su movimiento al cigüeñal.
- El codo recibe el movimiento del pistón, lo transforma en movimiento rotatorio y comienza a girar.
- El cigüeñal está conectado al árbol de levas mediante un engranaje o una correa.
- Cuando el cigüeñal transfiere su movimiento rotatorio al árbol de levas, este lo convierte en movimiento alternativo, presiona la válvula de admisión y la abre.
- Cuando la válvula se abre, el combustible comienza a entrar en la cámara de combustión.
- Tras las carreras de admisión y compresión, la mezcla de aire y combustible quemada se expande en la cámara, lo que obliga al pistón a moverse hacia abajo.
- Durante el movimiento descendente del pistón, el cigüeñal vuelve a recibir movimiento y mueve el árbol de levas.
- Cuando la leva de la válvula de escape recibe este movimiento, presiona la válvula de escape y la abre, lo que permite que los gases de escape salgan de la cámara de combustión.
El material sólido es el más utilizado para fabricar el árbol de levas, porque estos ejes proporcionan una gran rigidez. También se utiliza hierro fundido, ya que ofrece más resistencia.
Los árboles de levas fabricados con el proceso de hierro enfriado (coquilla) ofrecen una excelente resistencia al desgaste, porque el enfriamiento endurece el material. Se mezclan diferentes materiales con el hierro para generar las características más adecuadas para cada aplicación.
Algunas industrias también utilizan tochos (billets) cuando se necesita menor producción y una calidad excelente. Pero este proceso exige más tiempo y coste que otros. Estos ejes se fabrican mediante mecanizado, fundición o forja en fresadoras y tornos.
El árbol de levas tiene los siguientes componentes principales:
- Seguidor de leva
- Leva
- Muñón principal
- Lóbulos
- Extremos
- Cojinete
1. Seguidor de leva
Es un tipo especial de rodamiento de agujas o rodillo que sigue el perfil del lóbulo de la leva. También se llama seguidor de pista. Hay diferentes configuraciones de seguidor de leva, pero la característica más importante es la fijación del seguidor a la pieza con la que acopla. El seguidor de horquilla tiene un agujero en el centro y el seguidor de espárrago utiliza un espárrago.
Sin esta pieza, la leva no es muy útil, porque la leva se apoya en el seguidor para convertir el movimiento rotatorio en alternativo. Los seguidores llevan rodamientos que les permiten convertir el movimiento rotatorio en alternativo.
Los rodamientos del seguidor también tienen diseños diferentes, pero suelen fabricarse con un aro exterior muy grueso. Este diseño de aro exterior grueso permite al seguidor absorber altas cargas radiales, mientras que los núcleos blandos soportan cargas elevadas sin riesgo de dañar el componente.
El seguidor de leva requiere bolas o agujas y materiales especiales como cromo o acero inoxidable, según los requisitos de la aplicación.
2. Leva
Una leva es un dispositivo que transfiere el movimiento requerido a un seguidor mediante contacto directo. El objetivo principal de esta pieza del árbol de levas es transformar el movimiento rotatorio del cigüeñal en movimiento lineal.
Tiene un diseño no circular con un solo lóbulo. El seguidor recibe el movimiento de la leva a medida que esta gira. El árbol de levas de cada motor tiene más de una leva.
La leva se instala sobre las válvulas. Es responsable de regular la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape.
El sincronismo de la leva es muy importante para el rendimiento del motor de combustión interna. La rotación de la leva abre la válvula de admisión y la de escape del cilindro. Un sincronismo adecuado es esencial para garantizar que el combustible se inyecte y expulse en el momento correcto.
3. Muñón principal
El objetivo principal del muñón principal es mantener la posición del árbol de levas cuando gira dentro del motor.
4. Lóbulos
Los lóbulos del árbol de levas giran según el movimiento del pistón. La velocidad de este componente varía según la velocidad del motor. El objetivo principal de los lóbulos es abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape.
5. Extremos
El extremo delantero del árbol de levas está diseñado para vincular la correa con el cigüeñal. El extremo trasero utiliza un engranaje especial para hacer girar el distribuidor del motor. El sincronismo de encendido es el mismo que el del resto de componentes del motor.
6. Cojinete
El cojinete se instala con el orificio principal del motor. Evita que el árbol de levas dañe el bloque del motor si el motor falla. Los cojinetes ayudan a mantener una rotación perfecta del árbol de levas.
El árbol de levas tiene los siguientes tipos principales:
- Según los taqués utilizados por el árbol de levas
- Según la forma del miembro conductor del árbol de levas
Según los taqués utilizados por el árbol de levas
1) Leva de taqué plano
Una leva de taqué plano no es plana en realidad: estas levas tienen una pequeña corona en la cara. Se instala donde el taqué y el lóbulo se mueven de forma opuesta entre sí, y el taqué gira sobre el lóbulo. Los lóbulos de esta leva se fabrican con un ligero diseño cónico.
El taqué debe girar sobre el lóbulo para evitar un desgaste innecesario y dañino. En comparación con los taqués de rodillo, el taqué plano tiene poco peso y menos masa. Es fácil deducir que el taqué plano está en el centro del lóbulo. Estas levas son más baratas que las de rodillo, por lo que resultan más atractivas.
2) Levas de rodillo
La punta redondeada de la leva de rodillo permite que el rodillo mantenga la válvula abierta durante periodos prolongados con gran alzado, lo que afecta a los requisitos de mezcla aire‑combustible. La forma del lóbulo también permite que la válvula se abra más rápidamente.
La principal ventaja de estos árboles de levas es que reducen la fricción interna, permiten un perfil de leva más agresivo y favorecen las altas velocidades. Tienen una durabilidad muy alta; en otras palabras, una vida útil ilimitada.
Las levas de rodillo se pueden reutilizar una y otra vez. Reducen la fricción y aumentan la potencia. También prolongan la vida útil al reducir el desgaste.
Según la forma del miembro conductor del árbol de levas
1) Leva cilíndrica
Este tipo de leva tiene forma cilíndrica. También se conoce como leva de tambor. La superficie de la leva cilíndrica tiene una ranura tallada por la que se desplaza el seguidor.
Este árbol de levas tiene el eje de la leva paralelo a la dirección del movimiento del seguidor.
2) Leva radial
Una leva radial también se llama leva de plato o de disco. Se llama radial porque su eje es perpendicular a la dirección del movimiento del seguidor.
Este tipo de leva tiene una placa de contorno irregular. Esta placa sirve para convertir el movimiento de la leva en el movimiento del seguidor o del miembro conducido.
3) Leva conjugada
Tiene 2 rodillos. El seguidor o conductor de este árbol de levas está vinculado a estos rodillos. Los rodillos tienden a limitar los movimientos de los demás para eliminar el ruido y lograr un funcionamiento silencioso.
Estas levas se utilizan en aplicaciones que requieren un funcionamiento silencioso del árbol de levas.
4) Leva globoide
Esta leva tiene un diseño muy similar a la leva cilíndrica. La principal diferencia es que la leva cilíndrica se sustituye por un conjunto cóncavo o convexo.
5) Leva esférica
La leva esférica tiene una ranura en su diseño curvo y forma esférica. El seguidor se desplaza a lo largo de la ranura. El movimiento del seguidor es perpendicular al eje de rotación de la leva esférica.
6) Leva trasladante
Esta leva contiene una placa de contorno ranurada. Los seguidores oscilan a lo largo de la superficie de la ranura de la leva.
7) Leva en forma de corazón
Se llama leva en forma de corazón porque tiene forma de corazón asimétrico. El seguidor se desplaza por el borde de la leva, con un movimiento suave y continuo. Este tipo de leva se utiliza habitualmente para enrollar el cable en la bobina del solenoide de forma uniforme.
8) Leva de cuña
El extremo de esta leva tiene forma puntiaguda y una base ancha. El conductor tiene un movimiento deslizante respecto a la leva.
9) Leva espiral
Es un contorno semiespiral semicircular que contiene una ranura en su superficie. El seguidor de esta leva tiene un movimiento perpendicular al movimiento lineal del miembro conductor del árbol de levas.
Hay múltiples razones para la falla del árbol de levas. Las causas más comunes de su falla se indican a continuación:
- Por la presión incorrecta del muelle de la válvula.
- Por el desgaste de los lóbulos.
- Asentamiento (rodaje) insuficiente.
- Por el daño de la leva.
- Por el juego axial excesivo del árbol de levas.
- Uso de un filtro de aceite nuevo con la leva.
- Por interferencia mecánica, como interferencia del retén, apilamiento de espiras del muelle, interferencia válvula‑pistón, ranuras del balancín e interferencia de tornillos.
- Uso de material de baja calidad para el árbol de levas.
El árbol de levas recibe la potencia de accionamiento del cigüeñal. El cigüeñal entrega su potencia al árbol de levas por distintos medios y lo acciona. El mecanismo de accionamiento del árbol de levas se indica a continuación:
- Accionamiento por cadena
- Accionamiento por engranajes
- Accionamiento por correa
1) Mecanismo de accionamiento por cadena
En este mecanismo, se utiliza un piñón de cadena para transmitir la potencia del cigüeñal al árbol de levas.
Si la distancia entre el cigüeñal y el árbol de levas es grande, se utiliza un mecanismo de accionamiento por cadena.
En este mecanismo, el árbol de levas y el cigüeñal giran en la misma dirección. Se utiliza un tensor de cadena para evitar que el sistema de cadena se afloje, porque una cadena floja no puede transmitir suficiente potencia del cigüeñal al árbol de levas.
2) Mecanismo de accionamiento por engranajes
El mecanismo de accionamiento por engranajes se usa cuando se requiere una distancia mínima entre el cigüeñal y el árbol de levas. En este mecanismo, un sistema de engranajes transmite la potencia del cigüeñal a la leva.
En el caso del mecanismo por engranajes, el engranaje conductor del cigüeñal engrana con los engranajes conducidos del árbol de levas (como se ve en el diagrama siguiente). Al girar el cigüeñal, transmite potencia al árbol de levas a través del engranaje conductor. Al girar el engranaje conductor, hace girar los engranajes conducidos, que abren y cierran las válvulas de admisión y escape del motor.
3) Mecanismo de accionamiento por correa
El mecanismo de accionamiento por correa utiliza una correa dentada para transferir el movimiento del cigüeñal al árbol de levas. Es muy habitual en motores modernos. La correa reduce el ruido de funcionamiento y requiere poco mantenimiento.
La correa debe reemplazarse periódicamente según las especificaciones del fabricante. Si se rompe, puede causar daños graves en las válvulas y los pistones del motor.
Depende del material, lubricación y condiciones de uso. Con un mantenimiento correcto, los árboles de levas de fundición enfriada o acero aleado suelen superar los 150.000‑200.000 km. La falta de aceite es la causa principal de desgaste prematuro.
Pérdida de potencia, ruidos metálicos en la culata, consumo elevado de combustible, emisiones excesivas y fallos de encendido. En el diagnóstico aparecen códigos de error relacionados con la sincronización de válvulas.
Si los lóbulos presentan desgaste o picaduras graves, no es recomendable repararlo; se debe sustituir por uno nuevo. En algunos casos se puede rectificar, pero reduce su durabilidad.
El de fundición enfriada ofrece buena resistencia al desgaste para aplicaciones estándar. El de acero aleado tiene mayor resistencia mecánica, ideal para motores de alto rendimiento y cargas elevadas.