¿Qué es una biela?
¿Qué es una biela? En pocas palabras, es un componente del motor que convierte el movimiento ascendente y descendente del pistón en movimiento de rotación. Así es exactamente como... ruedas de coche Correr. La biela convierte el movimiento y lo transmite al cigüeñal, el cigüeñal proporciona señales a la caja de cambios, y la caja de cambios transmite el movimiento al eje de transmisión del vehículo.
En la fabricación de bielas se utilizan materiales como acero al carbono, aluminio, titanio y aleaciones de acero. Estos proporcionan alta resistencia, resistencia a la fatiga, rigidez y buena resistencia al desgaste para soportar la tensión continua del motor.
Como componente crítico en los motores automotrices (o en cualquier motor alternativo), la biela debe diseñarse, fabricarse y terminarse teniendo en cuenta diversas consideraciones. A continuación, desglosemos esto en detalle.
¿Qué es una biela?
Comencemos con la definición de biela: es un componente estructural que conecta el pistón con el cigüeñal y convierte el movimiento alternativo del pistón en movimiento rotatorio. Soporta cargas cíclicas de tracción y compresión, a la vez que resiste la flexión y el pandeo.
Este componente mecánico afecta directamente el rendimiento, la vibración y la durabilidad del motor. Las bielas de baja resistencia y peso pesado reducen el par motor, y un diseño y una longitud incorrectos pueden provocar fallos.
Además, hay varias partes de biela, como el extremo pequeño, el vástago, el extremo grande, el casquillo metálico y el pasador del cigüeñal.
Partes de una biela
- Cojinete de extremo pequeño: Es la parte circular más pequeña que contiene un buje o un cojinete de rodillos, y el pasador del pistón conecta el pistón y la biela en este extremo.
- Manga: También se conoce como vástago o cuerpo, típicamente una sección transversal en forma de I o H entre dos extremos.
- Cojinete de biela: El extremo más grande que une el cigüeñal con la biela. La tapa exterior está atornillada con un pasador.
- Tuerca y tornillo: Elementos de fijación que unen la tapa del extremo grande al cuerpo de la biela alrededor del pasador del cigüeñal.
Como la biela está asociada al pistón y al cigüeñal, Comprensión del funcionamiento del cigüeñal y sus factores de costoLas características del pistón son esenciales. Por lo tanto, optimizar la biela, el cigüeñal, el pistón y la culata contribuye a un funcionamiento eficiente del motor. Si le interesa saber más, lea Mejora del rendimiento del motor con el mecanizado de culatas haciendo clic en el enlace aquí.
Cómo funciona la biela y sus funciones
Funcionamiento de la biela
La biela consta de dos extremos circulares y un vástago. El cojinete del extremo pequeño se conecta al pistón, y el cojinete del extremo grande, al cigüeñal. El casquillo metálico (cojinete de rodillos) del extremo pequeño del cojinete se conecta al pistón a través del bulón del pistón. Por otro lado,
El cojinete de biela está dividido en dos secciones y se atornilla al muñón del cigüeñal. Los casquillos del cojinete de biela ayudan a alinearlo correctamente con el pistón.
A medida que el pistón desciende tras la combustión, las bielas transmiten la fuerza al muñón del cigüeñal en ángulo. El desplazamiento del muñón del cigüeñal convierte la fuerza descendente en fuerza rotatoria al transmitirse al eje. A continuación, el cigüeñal empuja el pistón hacia arriba mientras gira.
Además de la conversión de movimiento, otras funciones de las bielas son:
- Soporta altas tensiones de tracción, compresión y flexión.
- Alinea el pistón y el cigüeñal permitiendo una trayectoria estable para el pistón.
- Reduce la vibración.
- La biela también ayuda a lograr una sincronización precisa del motor y el tiempo con el árbol de levas.
- Como uno de los componentes de potencia de salida, las bielas optimizadas contribuyen a la eficiencia del motor.
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¿Cuáles son los tipos de bielas?
Tipos de bielas
Dado que cada tipo tiene características y usos específicos, es fundamental elegir la biela adecuada para obtener el mejor rendimiento y durabilidad. La elección depende de los requisitos funcionales finales, como el límite de peso, la resistencia a la flexión y la resistencia a la tracción.
Se pueden encontrar tres tipos de bielas según la sección transversal de la viga utilizada en el vástago: viga I, viga H y viga X.
Vamos a explicarlos con más detalle.
Bielas con vigas en I
La razón de este nombre reside en las secciones transversales en forma de I del vástago. Estas bielas, ligeras y económicas, tienen un diseño sencillo, pero ofrecen buena resistencia a la fatiga, la tracción y la compresión. Por lo tanto, las bielas en forma de I se utilizan en diversas marcas de motocicletas, automóviles y vehículos de pasajeros. Además de los motores de combustión interna, también son aptas para otras máquinas y sistemas de menos de 1000 caballos de potencia.
Bielas de viga en H
En la viga H, una viga transversal entre dos vigas verticales tiene forma de "H". Esta geometría hace que la biela sea más pesada, rígida y resistente. Las bielas de viga H son adecuadas para presiones extremas, altas RPM y cargas de torsión. Sin embargo, en caso de desalineación, los cojinetes deben soportar cargas mayores.
Por lo general, se utilizan en motores de alto rendimiento y maquinaria pesada, incluidos motores diésel industriales, automóviles de pasajeros, motocicletas deportivas, automóviles de carreras, automóviles turboalimentados y V8 supercargados.
Además, el acero, el titanio o las aleaciones de alta resistencia son opciones de material estándar para las bielas de vigas en H.
Bielas de viga X
La sección transversal en forma de X permite aprovechar las ventajas de las vigas I y H. Este diseño reduce el peso, pero ofrece alta resistencia, resistencia al agrietamiento y flexibilidad. Se pueden utilizar en motores de alto rendimiento y eficiencia. Además, son ideales para bajas revoluciones y alto par motor.
Algunos casos de uso típicos de las bielas de viga X son los motores de carreras, los automóviles de alta gama y los motores diésel personalizados.
Materiales de biela
Dado que la biela puede alterar el funcionamiento y la eficiencia del vehículo (o sistema), el material debe elegirse con cuidado. Puede comparar las propiedades físicas y mecánicas, la maquinabilidad y el costo de las opciones disponibles para seleccionar el material óptimo para sus necesidades.
Materiales de biela
Los materiales más comunes para las varillas son acero, aleaciones de acero, fundición, aleaciones de aluminio y titanio. La siguiente tabla ilustra sus características principales y ejemplos de aplicación.
| Material | Propiedades clave | Ejemplos de aplicación |
| Acero (42CrMo4, 4340) | Excelente resistencia, resistencia a la fatiga, buena rigidez y confiabilidad. | Automóviles, motores comerciales ligeros y motocicletas diésel. |
| Aleación de acero (C70, 38MnVS6) | Buen equilibrio entre resistencia y costo, alineación precisa de cabezas de cilindro, motores de buen volumen. | Automóviles modernos, maquinaria y sistemas personalizados. |
| Fundición dúctil | Buena resistencia, maquinabilidad y bajo costo. | Se utiliza en motores de baja potencia específica, como maquinaria agrícola, generadores, etc. |
| Hierro dúctil austemperado (ADI) | Mayor resistencia/tenacidad que el hierro dúctil estándar; fatiga mejorada, rentable. | Motores de servicio mediano, equilibrando fatiga y costo. |
| Aleaciones de aluminio (618, 7075) | Reduce la masa reciprocante; buenas propiedades térmicas, menor fatiga que el acero. | Motores deportivos, algunas motocicletas, coches de carreras. |
| Aleación de titanio (Ti-6Al-4V) | Alta resistencia específica, buena resistencia a la fatiga, soporta altas RPM, costoso. | Supercoches de carreras de primer nivel, máquinas pesadas y motocicletas de alto rendimiento. |
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Métodos para la fabricación de bielas
Una vez elegido el material adecuado para la biela, debe decidir qué método de fabricación es el más adecuado. En ocasiones, es necesario aplicar más de un proceso de fabricación para obtener mejores resultados.
Los métodos comunes de fabricación de bielas incluyen la forja, el mecanizado CNC y la fundición. Además, pueden requerir un acabado superficial y un tratamiento térmico al final.
- Forja
Bielas forjadas
En la forja, se prensan piezas de aluminio o acero inoxidable dentro de una matriz con la forma de la biela deseada. Los metales también se calientan para mejorar el flujo y la estructura del grano en las piezas forjadas. Este método también mejora la resistencia mecánica.
En ocasiones, las bielas forjadas se mecanizan para lograr mayor precisión y acabado. Son aptas para cargas pesadas, como las de los motores de competición.
- Mecanizado CNC
Mecanizado de bielas
Este método utiliza códigos informáticos para cortar con precisión las bielas en la forma deseada a partir de bloques de material. Si necesita tolerancias estrictas y una excelente repetibilidad, el CNC es la mejor opción. Además, también es rentable para fabricar prototipos de bielas.
El movimiento preciso de la herramienta permite perfilar con precisión los orificios finales. El CNC también proporciona un mejor acabado que otros métodos.
- Die Casting
Biela de fundición a presión
Por lo general, las bielas se fabrican mediante fundición a presión con aleaciones de aluminio, aunque a veces también se utilizan otros materiales. El proceso comienza con la fabricación de un molde con una cavidad, asegurándose de que su geometría sea idéntica a la del exterior de la biela. A continuación, el metal fundido se vierte en la cavidad del molde a alta presión, donde fluye y adquiere la forma deseada. Finalmente, se abre el molde para expulsar la biela.
Este método se puede utilizar para bielas ligeras que se adaptan a diversas necesidades, como motores de motocicletas de bajo consumo. Sin embargo, las bielas fundidas a presión no son tan resistentes como las forjadas.
- Tratamiento térmico
Proceso de tratamiento térmico
El proceso de tratamiento térmico altera las propiedades físicas y mecánicas modificando ligeramente la microestructura del material. En el caso de las bielas, se aplica un tratamiento térmico de temple y revenido para aumentar la dureza y la resistencia.
Las bielas tratadas térmicamente soportan mayores tensiones mecánicas y térmicas. Se vuelven más resistentes al desgaste y al agrietamiento.
Si desea leer sobre la fabricación de otros componentes de automoción, haga clic en Mecanizado CNC para dirección de alto rendimiento y Mecanizado CNC para piezas de coches clásicos y antiguos aquí.
Consideraciones sobre el diseño de bielas
Diseño de biela
El diseño y su viabilidad de fabricación son los requisitos principales para producir bielas precisas. Durante esta fase inicial, se pueden personalizar la forma, el tamaño y las características. Un buen diseño también puede reducir el peso y mejorar la durabilidad.
Las principales consideraciones incluyen carga, resistencia, tipo de viga, relación longitud/manivela y fricción, que se explican brevemente a continuación;
- Espectro de carga y fuerza
La biela está sometida a tensiones cíclicas, por lo que es importante garantizar la integridad estructural del diseño para soportar cargas de compresión y tracción a largo plazo. Para ello, se puede realizar un análisis de elementos finitos (FEA) para ensayos de fatiga.
- Tipo de viga
Según los requisitos de su aplicación, elija una viga en I, H o X, la que mejor se adapte a la relación resistencia-peso deseada. La varilla debe ser capaz de soportar el empuje del pistón.
- Relación longitud-manivela
Una mayor longitud aumenta el peso de la biela, lo que puede limitar la velocidad del motor. Por lo tanto, es necesario optimizar la relación longitud-cigüeñal. Esta se define por la relación entre la longitud de la biela y el recorrido del cigüeñal. Esta relación puede alcanzarse entre 3.5 y 4.5.
- Selección de Materiales
Elegir el material adecuado para la biela no solo garantiza la funcionalidad deseada, sino que también es clave para la reducción de peso. Para aplicaciones de alto rendimiento, puede elegir Ti-6Al-4V.
- Fricción
Considere la fricción en los puntos de unión de las bielas durante el diseño. Asegúrese de que el diseño de los rodamientos, el acabado y las vías de lubricación sean correctos para reducir la fricción.
Conclusión
Una biela influye directamente en el funcionamiento, la eficiencia, la fiabilidad y la vida útil de cualquier motor alternativo. Comprender su estructura y tipos, elegir el material adecuado, una fabricación meticulosa y un tratamiento térmico riguroso garantizan las características deseadas de la biela. Es fundamental distinguir las variaciones y características para una selección óptima.
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Preguntas Frecuentes
¿Qué hace una biela?
Es un componente estructural de los motores que une el pistón y el cigüeñal para la conversión del movimiento lineal en movimiento rotacional.
¿Qué conecta el pistón al cigüeñal?
El pistón se conecta al cigüeñal mediante la biela. El extremo pequeño de la biela une el pistón a través del bulón.
¿Qué pasa cuando una biela se estropea?
Una biela defectuosa presenta señales como golpeteo, baja eficiencia y ruidos en los cojinetes. Debe reemplazarse después de esto; de lo contrario, el motor puede verse afectado por el rendimiento o incluso provocar una falla.
¿Cuanto cuesta reemplazar una biela?
El costo de reemplazar una biela depende de factores como el tamaño, la función y el tipo de motor. Para motores de motocicleta, puede costar entre $50 y $300, mientras que para motores de servicio pesado puede costar hasta $2000 o más.
¿La biela y la biela son la misma cosa?
Aunque estos dos términos se utilizan indistintamente en los últimos motores de combustión interna, en los motores de vapor, compresores y cilindros hidráulicos se hace referencia explícita al vástago del pistón con mayor frecuencia.
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