Segmentos de pistones para motores de combustión

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1 Segmentos de pistones para motores de combustión SERVICE Tips & infos Segmentos de pistones 1

2 OS TRAIGO LA FUERZA DE KOLBENSCHMIDT, PIERBURG Y TRW ENGINE COMPONENTS! Grupo Motor Service. Calidad y servicios de un solo proveedor. El Grupo Motor Service es la distribuidora responsable de las actividades de posventa de Kolbenschmidt Pierburg a escala mundial. Es uno de los principales proveedores de componentes para motores en el mercado libre de repuestos y comercializa las prestigiosas marcas KOLBENSCHMIDT, PIERBURG y TRW Engine Components. El amplio y completo programa de Motor Service permite a sus clientes adquirir todo tipo de piezas para motores de un solo proveedor. Como empresa especializada en resolver los problemas del comercio y de los talleres, Motor Service ofrece además una extensa gama de servicios y la competencia técnica que posee como filial de un gran proveedor de la industria del automóvil. Kolbenschmidt Pierburg. Un prestigioso proveedor de la industria del automóvil internacional. Las empresas del Grupo Kolbenschmidt Pierburg cooperan desde hace muchos años con los fabricantes de automóviles y desarrollan componentes innovadores y soluciones de sistema y gozan de una competencia reconocida en las áreas de alimentación de aire y reducción de contaminantes, bombas de aceite, de agua y de vacío, pistones, bloques de motor y cojinetes de fricción. Los productos cumplen los altos requerimientos y normas de calidad de la industria automotriz. Reducida emisión de contaminantes, consumo económico de carburante, fiabilidad, calidad y seguridad, estos son los factores decisivos que impulsan las innovaciones de Kolbenschmidt Pierburg. 2a edición N de artículo ISBN Redacción: Motor Service Technical Market Support Layout y producción: Motor Service Marketing DIE NECKARPRINZEN GmbH, Heilbronn La copia, reproducción, traducción, íntegras o parciales, requieren nuestro previo consentimiento por escrito con indicación de las fuentes. Reservado el derecho de introducir modificaciones y divergencias en las figuras. Queda excluida toda responsabilidad. Editor: MS Motor Service International GmbH Responsabilidad Todas las informaciones de este folleto se han investigado y recopilado meticulosamente. No obstante pueden presentarse errores, se pueden producir traducciones incorrectas, pueden omitirse informaciones o las informaciones ofrecidas pueden dejar de ser actuales. Portanto, no podemos ofrecer ninguna garantía ni asumir la responsabilidad legal por las informaciones puestas a disposición. Queda excluida cualquier responsabilidad de nuestra parte por cualquier tipo de daños, sobre todo daños directos o indirectos, así como daños materiales e inmateriales resultantes del uso o el mal uso de las informaciones ofrecidas en este folleto, o causados por informaciones incompletas o incorrectas contenidas en él, siempre que dichas informaciones no se deban a mala fe o negligencia grave de nuestra parte. Por tanto, no asumimos ninguna responsabilidad en caso de que los reparadores de motores o mecánicos no dispongan de los conocimientos o experiencia necesarios para realizar la reparación. No es posible predecir la medida en que los procedimientos técnicos e indicaciones para la reparación descritos aquí podrán aplicarse a las generaciones de motores futuras. Esto debe ser comprobado, en caso dado, por los reparadores de los motores o por el taller. 2 Segmentos de pistones

3 Indice Indice Página 1 Fundamentos segmentos de pistones Requisitos exigidos a los segmentos de los pistones Las tres funciones de los segmentos de los pistones Tipos de segmentos de pistones Denominaciones de segmentos de pistones Estructura y forma de los segmentos de pistones Funciones y propiedades 26 2 Montaje y servicio Evaluación de los componentes automotrices usados Evaluación de pistones usados Evaluación de los orificios de los cilindros usados Montaje de pistones y sus segmentos Puesta en marcha y primer rodaje del motor Problemas de selladura y huellas de desgaste en los segmentos de los pistones Lubricación y consumo de aceite 69 Segmentos de pistones 3

4 Prólogo El tema Los segmentos de los pistones existen desde que hay motores de combustión interna. No obstante, las lagunas en torno al tema de los segmentos de los pis tones abundan entre los expertos y los usuarios. Ningún otro componente automotriz es considerado de manera tan crítica puesto que se trata de la pérdida de potencia y del consumo de aceite. En ningún otro caso de componentes automotrices media un abismo tan grande entre las expectativas y las inversiones de capital como en el de los segmentos de los pistones a la hora de cambiarlos. Con demasiada frecuencia se pierde la confianza en los segmentos a causa de las grandes expectativas depositadas en ellos. Y por la falta de conocimientos fundados surgen a menudo esas semiverdades y falsedades, esos clichés y estimaciones erróneas divulgadas en los talleres y entre los consumidores finales. Pero lo que más afecta a los segmentos son las reparaciones baratas p.ej. cuando se reutilizan conjuntos deslizantes desgastados y el mal montaje. El folleto En este folleto trataremos el tema de los segmentos de los pistones desde la perspectiva del usuario. Hemos desistido de profundizar demasiado en las particularidades constructivas y hemos optado por enfocar el tema desde puntos de vista pragmáticos. Sin embargo cuando tocamos ciertos temas concernientes a la concepción o a la evolución técnica, lo hacemos con el propósito de complementar o para facilitar al lector la comprensión de la problemática. El contenido del folleto es fundamentalmente un estudio de los segmentos de los pistones relacionados con los sectores de los automóviles y los vehículos utilitarios. Por supuesto que los motores concebidos inicialmente para los vehículos pero que se emplean en naves, locomotoras, maquinarias de construcción y motores estacionarios, han sido tomados también en consideración. El lector hallará, además de la sección que se ocupa de los fundamentos técnicos, informa ciones detalladas en la sección práctica denominada Montaje y servicio para instalar y cambiar los segmentos y también ciertas recomendaciones útiles y emparenta das como la lubricación, el consumo de aceite y el rodaje del motor. Pictogramas y símbolos Los pictogramas y símbolos mencionados a continuación se emplean en este prospecto informativo: No es complicado hacer correctamente una reparación o un reacondicionamiento si se tienen conocimientos de las relaciones entre las diferentes piezas motrices. En este folleto mostraremos lo que es necesario hacer para obtener reparaciones óptimas pero también indicaremos lo que puede suceder si se desacatan ciertas reglas. Atención Hace hincapié en las situaciones peligrosas que pod rían causar lesiones personales o dañar los componentes del vehículo. En él encontrará consejos, aclaraciones e informaciones complementarias útiles para el manejo. 4 Segmentos de pistones

5 Fundamentos segmentos de pistones Requisitos exigidos a los segmentos de los pistones Los segmentos de los motores de combustión tienen que reunir todos los requisitos para poder sellar dinámica y linealmente. Ellos tienen que resistir tanto las influencias térmicas como las químicas y deben cumplir también la serie de funciones y reunir las propiedades mencionadas a continuación: Funciones: Impedir que los gases pasen de la cámara de combustión al cárter del cigüeñal a fin de que no se pierda la presión del gas ni la potencia motriz respectiva. Sellar, es decir, impedir que el aceite lubricante pase del cárter del cigüeñal a la cámara de combustión. Asegurar un espesor bien definido de la película lubricante en la pared del cilindro. Distribuir el aceite lubricante en la pared del cilindro. Estabilizar el movimiento del pistón (disminuir el cabeceo del pistón). Particularmente cuando los motores estén fríos y en caso de que medie todavía una gran holgura del pistón en el cilindro. Transferir el calor (disipación térmica) del pistón hacia el cilindro. Propiedades: Escasa resistencia a la fricción para que el motor no pierda mucha poten cia. Buena capacidad de resistencia al desgaste frente a la fatiga termomecánica, a la corrosión química y térmi ca. El segmento no debe ocasionar un desgaste excesivo en el cilindro, ya que esto puede reducir drásticamente la vida útil del motor. Larga vida útil, seguridad funcional y efectividad de costes durante todo el período de servicio. Segmentos de pistones 5

6 1.2 Las tres funciones de los segmentos de los pistones Selladura contra la fuga de gases de combustión La función principal de los segmentos de compresión consiste en impedir el paso de los gases de combustión entre el pistón y la pared del cilindro y proseguir hacia el cárter del cigüeñal. En la mayoría de estos motores eso se logra con la ayuda de dos segmentos de compresión que conjuntamente forman un laberinto para el gas. Los sistemas sellantes de los segmentos en los motores de combustión, por su concepción, no son jamás eficaces en un 100 % y dejan fugar siempre cantidades mínimas de gas a través de los segmentos que penetran luego en el cárter del cigüeñal. Esta fuga sin embargo es un fenómeno normal que no puede evitarse totalmente en virtud de su construcción. La transferencia excesiva de gases calientes entre el pistón y la pared del cilindro tiene que ser evitada en todo caso. Las consecuencias serían la pérdida de potencia, el aumento de calen tamiento en los componentes y la pérdida del efecto lubricante. La vida útil y la funcionalidad del motor peligrarían. En los capítulos siguientes abordaremos más a fondo los temas sobre las diferentes funciones sellantes de los segmentos y la emisión de gases transferidos (blow by). Fig Rascado y distribución de aceite Otra de las funciones de los segmentos de los pistones, además de la selladura entre el cigüeñal y la cámara de combustión, es la regulación de la película de aceite. Los segmentos distribuyen el aceite uniformemente por la pared del cilindro. La tarea de rascar el exceso de aceite la cumple principalmente el segmento rascador de aceite (3er. segmento), sin embargo los segmentos combinados con compresor y rascador (2do. segmento) también lo hacen. Fig. 2 6 Segmentos de pistones

7 Las tres funciones de los segmentos de los pistones Disipación térmica El control térmico del pistón es otra de las funciones importantes que desempeñan los segmentos. La mayor parte del calor absorbido por el pistón durante la combustión es transmitida por los segmentos a la superficie del cilindro. Los segmentos de compresión cumplen sobre todo una función determinante respecto a la disipación térmica. Dependiendo del tipo de motor, el segmento superior de compresión puede disipar un 50 % del calor de combustión absorbido por el pistón en la pared del cilindro. Si no tuviera lugar esa disipación térmica y continua de los segmentos, el pistón se agarrotaría al cabo de breves minutos en el agujero del cilindro y hasta podría fundirse. Visto desde esta perspectiva es compresible que los segmentos del pistón tengan que hacer un buen contacto en todo momento con la pared del cilindro. Si el agujero del cilindro se ovala o se bloquean los segmentos del pistón en sus ranuras (por carbonizaciones, suciedades, deformaciones), no es más que una cuestión de tiempo hasta que se manifiesten las consecuencias del sobrecalentamiento del pistón por la falta de disipación térmica. 55 % 30 % 15 % Fig. 3 Segmentos de pistones 7

8 1.3 Tipos de segmentos de pistones Segmentos de compresión Fig. 1 Segmentos rectangulares Segmento rectangular Segmento rectangular con chaflán interior (bisel) El término de segmento rectangular se refiere a aquél que tiene una sección transversal de forma rectangular. Ambos flancos del segmento son paralelos. Este tipo de segmento es el tipo más sencillo y popular entre los segmentos de compresión. En la actualidad ellos se emplean sobre todo como primer segmento de compresión en todos los motores de gasolina pero también en parte en los motores diesel para automóviles de turismo. El chaflán y el escalón interior causan el retorcimiento del segmento en posición montada (tensados). La posición del chaflán o del escalón interior ocasiona la rotación positiva del segmento en el canto superior. Para más información sobre cómo actúa exactamente el retorcimiento, lea el capítulo Retorcimiento de los segmentos. Segmento rectangular con escalón interior Segmentos de compresión con función para rascar el aceite Segmento de periferia cónica Estos segmentos cumplen una doble ayudan al segmento de compresión a impedir el paso de los gases y al rascador de aceite a regular la película de aceite. Nota importante: En todos los tipos de motores (automóviles, vehículos utilitarios, de gasolina y diesel) los segmentos de periferia cónica se usan principalmente en la segunda ranura. 8 Segmentos de pistones

9 Tipos de segmentos de pistones 1.3 Fig. 2 Estos segmentos tienen una superficie de fricción cónica. Dependiendo del tipo e diseño, la divergencia angular respecto al segmento rectangular varía entre unos 45 y 60 minutos. Debido a la forma que tiene el segmento cuando es nuevo, éste roza sólo la arista inferior y establece entonces un contacto únicamente puntual en el agujero del cilindro. Por eso se genera una elevada presión superficial mecánica en esa zona que elimina la cantidad deseada de material. Ese desgaste primario de adaptación crea una forma perfectamente redonda al cabo de breve tiempo que proporciona un buen efecto sellante. Después de un rodaje prolongado de muchos cientos de miles de kilómetros se rebaja la superficie cónica por el desgaste del material de manera que el segmento de compresión cónico desempeña entonces la función de un segmento rectangular. El segmento concebido como cónico cumple todavía bien su función sellante como segmento rectangular. Debido a que la presión del gas se hace sentir también en la superficie del segmento se reduce levemente la intensidad de la presión del gas (la presión puede penetrar en el intersticio ubicado entre la pared del cilindro y la superficie de fricción del segmento del pistón). Durante el período del primer rodaje del segmento se genera una presión reducida de selladura y un rodaje más suave y con menos desgaste (Fig. 2). Aparte de la función que cumplen los segmentos de periferia cónica actuando como segmentos de compresión, ellos poseen también buenas propiedades para rascar el aceite. Ellas se obtienen gracias a la arista superior rebajada del segmento. El segmento desliza sobre la película de aceite al efectuar el movimiento ascendente desde el punto muerto inferior hacia el superior. Las fuerzas hidrodinámicas (formación de una cuña de aceite) alzan levemente el segmento de la superficie del cilindro. En el caso del movimiento en sentido inverso, la arista penetra más profundamente en la película de aceite y lo rasca de esta manera sobre todo hacia el cárter del cigüeñal. En los motores de gasolina los segmentos de periferia cónica se emp lean también en la primera ranura. La posición del chaflán o del escalón interior en la arista inferior provoca en este caso el retorcimiento inverso del segmento (lea el capítulo Retorcimiento de los segmentos). Segmento de periferia cónica con chaflán interior en la parte inferior Segmento de periferia cónica con escalón interior en la parte inferior Segmentos de pistones 9

10 1.3 Tipos de segmentos de pistones Segmento con escalón Segmento con escalón En este caso, la arista inferior de la superficie de fricción del segmento tiene una escotadura rectangular o mecanizada en la parte trasera que, además de desempeñar una función hermetizadora, se encarga también de rascar el aceite. La escotadura proporciona un cierto espacio en el que se acumula el lubricante rascado antes de que regrese al cárter de aceite. Antiguamente el segmento con escalón era utilizado como segundo segmento de compresión en numerosas variantes de motores. Hoy en día se utilizan sobre todo los segmentos de periferia cónica con escalón en vez de los simples con escalón. Los segmentos con escalón se emplean también en los pistones para compresores de aire y forman parte del equipamiento del sistema de frenado por aire comprimido. Ahí se utilizan principalmente como primer segmento de compresión. Este segmento es una optimación del simple con escalón. El efecto rascador de aceite se intensifica mediante las superficies cónicas. En el caso de los compresores de aire, el segmento de periferia cónica con escalón no se emplea solamente en la segunda ranura sino también en la primera. Segmento de periferia cónica con escalón Segmento de periferia cónica con escalón y con juntura cerrada El escalón circular no se mueve hasta la punta de la juntura sino termina antes a fin de optimar la función sellante. Con esto se logra reducir mejor la fuga de gases que con el segmento normal de periferia cónica con escalón (lea también Holgura de las puntas de las junturas). 10 Segmentos de pistones

11 Tipos de segmentos de pistones 1.3 Segmento trapezoidal Los segmentos trapezoidales o los semitrapezoidales se emplean para contrarrestar la carbonización de las ranuras y evitar así que queden los segmentos queden fijos en las ranuras. Especialmente cuando las temperaturas son demasiado altas dentro de la ranura se corre el peligro de que el aceite motriz contenido en la ella se carbonice por el efecto térmico. En el caso de los motores diesel se produce, además de una posible carbonización, la formación de hollín. Éste favorece también la producción de sedimentos en la ranura. Si los segmentos del pistón quedaran fijos en la ranura a causa de los sedimentos, los gases calientes de la combustión pasarían sin obstáculos entre el pistón y la pared del cilindro y los sobrecalentarían. Las consecuencias serían: cabezas de pistones fundidas u otros daños graves en los pistones. El segmento trapezoidal se emplea preferentemente en los motores diesel en la ranura superior y a veces también en la segunda debido a las elevadas temperaturas y a la formación de hollín. Advertencia Los segmentos trapezoidales (semi-trapezoidales y dobles) no deben ser insertados en las ranuras rectangulares normales. El uso de estos segmentos implica una mecanización específica de las ranuras del segmento en el pistón para darles la forma correcta. Ambos flancos de estos segmentos no son paralelos sino están situados trapezoidalmente. El ángulo asciende generalmente a 6, 15 o 20. Segmento doble-trapezoidal En el caso de los segmentos semi-trapezoidales, el flanco inferior es perpendicular a la superficie de fricción del segmento. Segmento semi-trapezoidal Función de limpieza Las carbonizaciones son trituradas mecánicamente debido a la configuración de los segmentos trapezoidales y a sus movimientos en la ranura causados por el vaivén del pistón, (lea el capítulo Movimientos de los segmentos de los pistones). Fig. 1 Fig. 2 Segmentos de pistones 11

12 1.3 Tipos de segmentos de pistones Segmentos rascadores de aceite Fig. 1 Fig. 2 Función: Estos segmentos están concebidos especialmente para repartir el aceite en la pared del cilindro y para rascar el exceso de aceite. Los segmentos tienen normalmente dos labios para optimar la función de rascar y sellar. Cada labio rasca el exceso de aceite que hay en la pared del cilindro. En la arista inferior del segmento y también entre los labios rascadores se acumula en consecuencia un cierto volumen de aceite que deberá ser evacuado de ese sector. Desde el punto de vista del movimiento en vaivén del pistón dentro del agujero del cilindro, la función sellante se optimará mientras más cercanos estén un labio del otro. Esto concierne particularmente al volumen del aceite rascado por el primer labio, que desciende luego entre los dos labios y tiene que ser evacuado de ese sector pues de lo contrario pasará por encima del segmento rascador y deberá ser eliminado entonces por el segundo segmento de compresión. Por ese motivo, los segmentos de una y dos piezas tienen intersticios longitu dinales u orificios entre ambos labios. El aceite eliminado por el labio superior pasa a través de estos orificios del cuerpo del segmento y continúa su curso hacia el lado trasero del segmento. A partir de ese momento se efectuarán los demás drenajes del aceite rascado de maneras diferentes. Uno de los métodos consiste en conducir el aceite a través de los orificios punzados en la ranura del rascador hacia el lado interior del pistón para que pueda volver a gotear en el cárter (Fig. 1). En el caso de los coverslots (tapaderas) (Fig ) el aceite rascado regresará al lado exterior del pistón pasando por la escotadura que rodea el bulón del eje del pistón en su parte externa. Pero tam bién puede emplearse una combina ción de ambas versiones. Los dos métodos han dado buenos resultados en lo que respecta al drenaje del aceite rascado. Tanto el uno como el otro método pueden ser aplicados dependiendo de la forma del pistón, del proceso de combustión o del objetivo para el cual serán empleados. Una decisión genral y definitiva a favor del uno o del otro método sólo puede ser tomada relativamente en teoría. Por ese motivo la decisión sobre cuál de esos métodos es el más apropiado para los pistones en cuestión debe tomarse después de haber practicado varias pruebas. Nota importante: En el caso de los motores de dos tiempos se emplea la lubricación mixta para el pistón. Por eso puede prescindirse del uso de un segmento rascador de aceite dependiendo de la construcción. Fig Segmentos de pistones

13 Tipos de segmentos de pistones 1.3 Tipos de construcción: Segmento rascador de aceite de una pieza Estos segmentos no se utilizan más en los motores modernos. Los segmentos rascadores de una pieza reciben únicamente la tensión de su sección transversal. Por ese motivo estos segmentos son relativamente rígidos y poco adaptables a la forma. Por lo tanto no sellan tan óptimamente como los segmentos rascadores de aceite de varias piezas. Los segmentos de una pieza son fabricados con fundición gris. Fig. 4 Segmento rascador de aceite con ranura Versión simple con labios rascadores en ángulo recto y ranuras para drenar el aceite. Segmento de bordes achaflanados simétricamente En comparación con el rascador de aceite con ranura, las aristas de los labios de fricción de este segmento están achaflanadas para optimar la presión superficial. Segmento de bordes achaflanados paralelos En este tipo de segmento los labios de fricción están achaflanados únicamente en el lado de la cámara de combustión. Por eso es más fuerte el efecto rascador cuando el pistón efectúa el movimiento descendente. Segmentos de pistones 13

14 1.3 Tipos de segmentos de pistones Segmento rascador de aceite de dos piezas (versión con resorte en espiral) Fig. 1 Éste segmento está compuesto de un cuerpo y un resorte espiral colocado en la parte trasera. La sección transversal del cuerpo de este segmento es nota blemente más delgada en compara ción con la del rascador de una pieza. Por eso el cuerpo del segmento es relativa mente flexible y su capacidad de adaptación a la forma es excelente. El asiento del resorte en espiral en el lado interior del segmento está mecanizado bien en forma semicircular o en V. La tensión propiamente dicha proviene de un resorte espiral de acero termoresistente. Este resorte está ubicado detrás del segmento y lo presiona contra la pared del cilindro. Los resortes están en contacto directo con el lado interno del cuerpo del segmento y forman una unidad durante el funciona miento. Aunque el resorte no gira contra el segmento, la unidad entera sí rota libremente en la ranura al igual que los demás segmentos. En el caso de los segmentos rascadores de aceite de dos piezas, la presión radial es siempre simétrica porque la presión de apriete se reparte homogéneamente sobre todo el perímetro del resorte espiral (lea también en este respecto el capítulo Distri bu ción de la presión radial). Para aumentar la durabilidad de los segmentos, los diámetros exteriores de los resortes se rectifican y sus espirales se abobinan más estrecha mente en el nivel de la juntura del segmento o están revestidos con una funda de teflón. Adoptando esas medidas disminuye el desgaste por la fricción entre el cuerpo del segmento y el resorte espiral. El cuerpo del segmento de dos piezas es de fundición gris o de acero. Nota importante: El ancho de la abertura es decir, la distancia entre los extremos del cuerpo del segmento desmontado sin resorte expansor en la parte trasera es insignificante para los segmentos rascadores de varias piezas. Sobre todo en el caso de los segmentos de acero el ancho de la abertura puede llegar a cero aproximadamente. Esto no representa un problema ni da pie para reclamaciones. 14 Segmentos de pistones

15 Tipos de segmentos de pistones 1.3 Segmento rascador de aceite con ranura y con resorte en espiral de tipo tubular Es el tipo más sencillo y sella mucho mejor que el segmento rascador de aceite con ranura de una pieza. Segmento de aristas achaflanadas y paralelas con resorte espiral de tipo tubular La forma de su superficie de fricción es la misma que la del segmento de aristas achaflanadas y paralelas pero sella mejor. Segmento de aristas achaflanadas simétricamente con resorte espiral de tipo tubular La forma de la superficie de fricción es la misma que la del segmento de aristas achaflanadas pero sella mejor. Este es el segmento rascador de aceite más popular porque puede emplearse en cualquier tipo de motor. Segmento de aristas achaflanadas simétricamente con resorte espiral de tipo tubular y con labios cromados Sus propiedades son las mismas que las del segmento de aristas achaflanadas simétricamente con resorte espiral pero es más resistente al desgaste y por eso también dura más. Por esa razón es ideal para los motores diesel. Segmento de aristas achaflanadas simétricamente con resorte espiral de tipo tubular de acero nitrado Este segmento está envuelto por una banda de acero perfilado y una capa antiabrasiva que lo rodea por todas partes. El segmento es además sumamente flexible y menos frágil que los de fundición gris mencionados anteriormente. El aceite se drena entre los labios a través de los orificios troquelados de forma redonda. Este tipo de segmento se emplea preferentemente en los motores diesel. Segmentos de pistones 15

16 1.3 Tipos de segmentos de pistones Segmento rascador de aceite de tres piezas Este segmento está compuesto de dos láminas delgadas de acero comprimidas contra la pared del cilindro por un resorte expansor y distanciador. Los segmentos rascadores de aceite con láminas de acero tienen superficies de fricción cromadas o totalmente nitradas. Éstas últimas optiman las propiedades antiabrasivas tanto en la superficie de fricción como entre el resorte expansor y las láminas (desgaste secundario). Los segmentos rascadores de tres piezas son sumamente adaptables y se emplean preferentemente en los motores de carburante de los auto móviles. Fig. 1 Situación de montaje Diferentes tipos de resortes expansores Fig. 2 Fig. 4 Fig. 3 Fig Segmentos de pistones

17 Tipos de segmentos de pistones Equipamiento clásico de segmentos de pistones Las exigencias exigidas a los segmentos de los pistones son tan complejas que un solo segmento es incapaz de satisfacerlas. Esto sólo puede ser log rado empleando una combinación de varios segmentos de diferente tipo de construcción. Por eso la combinación de un segmento de compresión, un segmento combinado rascadorcompresor y un verdadero segmento rascador de aceite (Fig. 6) se ha acreditado en la construcción moderna de automóviles. Los pistones con más de tres segmentos se utilizan raramente en la actualidad. La capacidad de selladura no se optima al emplear más de dos segmentos de compresión y ellos aumentan además las pérdidas por fricción. Fig. 6 segmento de compresión segmento compresor y rascador segmento rascador de aceite Segmento óptimo de pistón No existe un segmento óptimo como tampoco un equipamiento insuperable de segmentos. Cada segmento del pistón es un especialista en su dominio. Cada tipo y composición de segmentos constituye al fin y al cabo un compromiso respecto a los requisitos completamente diferentes y en parte divergentes. Basta modificar un solo segmento para desequilibrar el ajuste de todo el kit de segmentos. El ajuste definitivo de los segmentos para un motor que será construido nuevamente se hace siempre después de haber practicado muchos ensayos en el banco de pruebas y también en condiciones de funcionamiento normal. La tabla a continuación no pretende ser íntegra pero muestra la manera en que las diferentes propiedades de los segmentos pueden influir en sus diferentes funciones. Fricción Primer rodaje Vida útil Alta tensión del segmento Baja tensión del segmento Material resistente al desgaste Material más blando Poca altura del segmento Mucha altura del segmento Favorable - positivo Regular - neutro Desfavorable - negativo Segmentos de pistones 17

18 1.4 Denominaciones de los segmentos de los pistones abertura del segmento holgura (en frío) puntas de junturas superficie interior del segmento dorso del segmento (al frente de las puntas de las junturas) superficie de fricción del segmento superficie de los flancos del segmento diámetro del cilindro espesor radial de la pared holgura radial holgura axial altura de la ranura altura del segmento del pistón diámetro básico de la ranura diámetro del cilindro 18 Segmentos de pistones

19 Estructura y forma de los segmentos de pistones Materiales del segmento del pistón Los materiales con los que se confeccionan los segmentos de los pistones son seleccionados de acuerdo con las propiedades de deslizamiento y las condiciones en las cuales tienen que funcionar. La buena elasticidad y la resistencia a la corrosión son factores tan importantes como la robustez para evitar la deterioración en condiciones extremas de funcionamiento. La fundición gris es el material principal con el que se fabrican los segmentos de los pistones en la actualidad. Desde el punto de vista tribológico, la fundición gris y las inclusiones de grafito que contienen las estructuras proporcionan excelentes propiedades para la marcha de emergencia (lubricación seca por grafito). Ellas son muy importantes sobre todo cuando deje de funcionar la lubricación con aceite motriz o cuando la película lubricante haya desaparecido. Por otra parte, las venas de grafito incorporadas dentro de la estructura sirven además de depósito de aceite e impiden que se destruya la película lubricante cuando las condiciones de funcionamiento sean adversas. Proceso de fundición de segmentos de pistones En lo que concierne a los materiales, se emplea el acero cromado con microestructura martensítica y el acero de resortes. Las superficies están templadas a fin de aumentar su resistencia al desgaste. Esta resistencia se logra por lo general con la nitruración*. Los materiales empleados de fundición gris son los siguientes: Hierro fundido con estructura de grafito laminar (fundición de grafito laminar), templado y revenido o no. Hierro fundido con estructura de grafito globular (fundición de grafito nodular), templado y revenido o no. * En lenguaje técnico, la nitruración es un procedimiento para templar el acero incorporando nitrógeno. La nitruración se efectúa normalmente a temperaturas de 500 hasta 520 C aproximadamente y el tratamiento dura entre 1 y 100 ho ras. En la superficie de la pieza se forma una capa extremadamente dura de nitruro ferroso por la difusión del nitrógeno. Esta capa puede alcanzar un grosor de 10 a 30 µm dependiendo de la duración del tratamiento. Los procedimientos más usuales son la nitruración en baño de sal (p.ej. para los cigüeñales), la nitruración con gas (para los segmentos de los pistones) y la nitruración por plasma. Segmentos de pistones 19

20 1.5 Estructura y forma de los segmentos de pistones Materiales de revestimiento para las superficies de fricción Los labios o las superficies de fricción de los segmentos de los pistones pueden ser revestidos para optimar las propiedades tribológicas. La prioridad está centrada tanto en el aumento de la resistencia al desgaste como en la certeza de que la lubricación y la sella dura funcionarán en condiciones extremas. El material de revestimiento tiene que armonizar tanto con los materiales del segmento del pistón y de la pared del cilindro como con el lubricante. El uso de superficies de fricción revestidas está muy difundido en el caso de los segmen tos de los pistones. Los segmentos de los motores en serie suelen ser de cromo, molibdeno o ferróxido. Pero también se emplean capas de cerámica cromada y segmentos revestidos en el procedimiento de deposición física al vapor (Physical Vapour Deposition). En las pequeñas series de producción (especialmente en el caso de los motores de los automóviles de carrera) se emplean el nitruro de titanio (TiN) y el nitruro de cromo (CrN). * Tribología (del griego: frotar o rozar ) abarca la investigación y la tecno logía de la interacción de las superficies en movimiento relativo. Esta ciencia se ocupa de estudiar los efectos de la fricción, del desgaste y de la lubricación. Fig. 1 Fig. 2 Revestimientos de molibdeno La superficie de fricción de los seg men tos de compresión (pero no la de los rascadores de aceite) puede ser reves tida parcial o completamente con molibdeno a fin de impedir las huellas de quemaduras. Esto puede realizarse tanto con el método de pulverización a llama como con el de pulverización al plasma. El molibdeno resiste altas temperaturas gracias a su elevado punto de fundición (2.620 C). La estructura porosa del material se obtiene además mediante el proceso de revestimiento. El aceite se acumula entonces en esas microcavernas ubicadas en la superficie de fricción de los segmentos (Fig. 2), lo que permite que dicha superficie continúe lubricándose incluso en casos de funcionamiento en condiciones extre mas. Propiedades: Elevada resistencia térmica. Buenas propiedades durante la marcha de emergencia. Más blandos que el cromo. Menos resistentes al desgaste que los segmentos cromados (más sensibles a las suciedades). Más sensibles al oscilamiento de los segmentos (por eso puede quebrarse el molibdeno en casos de sobrefatiga, p. ej. cuando ocurra una combustión detonante u otras averías similares). 20 Segmentos de pistones

21 Estructura y forma de los segmentos de pistones 1.5 Revestimientos cromados Estos revestimientos pueden ser confeccionados con el método galvánico y también con el de pulverización al plasma. En el caso de los segmentos rascadores de aceite se emplea el revestimiento galvánico. Propiedades: Elevada vida útil (buena resistencia al desgaste). Superficie dura e insensible. Desgaste reducido del cilindro (aprox. un 50 % en comparación con los segmentos sin revestimiento). Muy resistentes a las huellas de quemaduras. Escasas propiedades para la marcha de emergencia en comparación con las de los revestimientos de molibdeno. Debido a la buena resistencia al desgaste, los períodos del primer rodaje son más prolongados que cuando se usan segmentos no reforzados o rascadores con láminas de acero o los de tipo U-Flex. Fig Tipos de revestimientos de las superficies de fricción Fig. 4 - Completamente revestido Fig. 5 - Compartimentado Fig. 6 - Compartimentado unilateralmente Segmentos de pistones 21

22 1.5 Estructura y forma de los segmentos de pistones Desprendimientos de las capas de revestimiento Los revestimientos de las superficies de fricción se desprenden de vez en cuando cuando las capas de molibdeno y óxido ferroso sean proyectadas. El motivo principal reside en los errores cometidos al montar los segmentos de los pistones (gran distorsión de los segmentos al montarlos en el pistón como aparece ilustrada en la Fig. 1). El montaje de los segmentos en el pistón quiebra el revestimiento solamente en el dorso de los segmentos (Fig. 2). Si el revestimiento se desconcha en la punta de la juntura (Fig. 3), eso es un indicio de que los segmentos han oscilado por ciertos problemas de combustión (p.ej. la combustión detonante). Fig. 1 Fig. 2 Fig Segmentos de pistones

23 Estructura y forma de los segmentos de pistones Mecanización de las superficies de fricción (torneadas, lapeadas, rectificadas) Por lo general los segmentos de hierro fundido sólo son torneados finamente en las superficies de fricción. Debido al período breve del primer rodaje de los segmentos ordinarios, se prescinde de la rectificación o del lapeado de la superficie de fricción. Si las superficies están revestidas o templadas sólo serán rectificadas o lapeadas. El motivo reside en que los segmentos, debido a su gran resistencia al desgaste, tardarían mucho tiempo hasta obtener la forma redonda necesaria para sellar óptimamente. Las consecuencias podrían ser la pérdida de potencia y un elevado consumo de aceite. Fig Formas abombadas de las superficies de fricción La forma de la superficie de fricción es otro de los motivos por los que se utiliza el método de rectificación o de lapeado. Los segmentos rectangulares adoptan una forma abombada en la superficie de fricción al cabo de cierto tiempo debido al movimiento ascendente y descendente y debido al movimiento del segmento en la ranura (retorsión del segmento) (Fig. 5 y 6). Esto se manifiesta positivamente en la estructura de la película lubricante y en la vida útil de los segmentos. Fig. 5 Fig. 6 Segmentos de pistones 23

24 1.5 Estructura y forma de los segmentos de pistones Fig. 1 Abombamiento simétrico Los segmentos revestidos son creados con una forma levemente abombada ya desde el momento de producirlos. Ellos no necesitan el primer rodaje para obtener la forma deseada pues ya tienen la requerida desde el principio así como una superficie de fricción rodada previamente. Por esa razón no se desgastarán demasiado los segmentos por el primer rodaje ni se presentarán problemas relacionados como el excesivo consumo de aceite. Debido al contacto puntual de la superficie de fricción del segmento, se produce una elevada presión específica de apriete contra la pared del cilindro. El segmento, por lo tanto, mejora el efecto sellante para evitar las fugas de gas y de aceite. Se reduce además considerablemente el peligro de sufrir lesiones por las aristas afiladas. Los segmentos cromados tienen de todas maneras una arista achaflanada para impedir que la película de aceite sea traspasada durante el primer rodaje. En ciertos casos desfavorables, la capa cromada que es muy dura podría desgastar y degradar prematuramente la pared del cilindro y pues ella es mucho más blanda. Las superficies de fricción simétricas y abombadas (Fig. 1) que han sido configuradas durante el primer rodaje o durante la producción poseen excelentes propiedades deslizantes y proporcionan un espesor bien definido de la película lubricante. El espesor de la película lubricante se mantiene constante durante los movimientos ascenden tes y descendentes del pistón gracias al abombamiento simétrico. Las fuerzas que hacen nadar el segmento en la película lubricante tienen la misma intensidad en ambas direcciones. Existe la posibilidad de abombar los segmentos asimétricamente para controlar mejor el consumo de aceite si el abombamiento ha sido creado durante la producción de los segmentos. El vértice del abombamiento no estará entonces en el centro de la superficie de fricción sino un poco más abajo (Fig. 2). Fig. 2 Abombamiento asimétrico 24 Segmentos de pistones

25 Estructura y forma de los segmentos de pistones 1.5 El segmento deslizará bien sobre la película de aceite mientras efectúa su movimiento ascendente hacia el punto muerto superior pues la lubricación cuneiforme proporciona una superficie activa mucho más extensa por encima del vértice del segmento que viceversa (Fig. 3). El segmento entonces tenderá más bien a apartarse de la película lubricante. Eso significa que el espesor de la película lubricante no se reducirá tanto durante la carrera ascendente. El segmento no puede nadar tan óptimamente en la película de aceite durante la carrera de descenso debido a que la superficie activa es más reducida debajo del vértice (Fig. 4). El segmento rasca entonces una cantidad consider able de aceite y éste retorna al cárter del cigüeñal. Los segmentos asimétricos abombados sirven por eso para controlar el consumo de aceite especialmente en los casos en que las condiciones de funcionamiento de los motores diesel sean desfavor ables. Esto ocurre, p.ej. durante las fases prolongadas de marcha en ralentí y después de un funcionamiento a plena carga que provocan con frecuencia la expulsión de aceite en el sistema de gases de escape y la producción de humo azul al volver a acelerar. Fig. 3 Fig Tratamiento de superficies Las superficies de los segmentos de los pistones pueden ser pulidas, fosfatadas o cobreadas dependiendo de la versión. Esto sólo influye en el comportamiento corrosivo de los segmentos. Los segmentos pulidos brillan cuando son nuevos pero están totalmente desprotegidos respecto a la corrosión. Los segmentos fosfatados tienen una superficie negra y mate y la capa de fosfato los protege contra la corrosión. Los segmentos cobreados están resguar- dados también contra la corrosión y cuentan con una leve protección contra las huellas de quemaduras durante la fase del primer rodaje. El cobre surte un cierto efecto de lubrica ción seca y por eso sus propiedades de funcionamiento son mínimas para los casos de emergencia durante el primer rodaje. Los tratamientos de las superficies no influyen sin embargo en el funciona miento de los segmentos. Desde el punto de vista de la calidad da lo mismo el color que tengan los segmentos. Segmentos de pistones 25

26 1.6 Funciones y propiedades Tensión tangencial El diámetro de los segmentos de los pistones es mayor cuando están en posición destensada que cuando están montados. Esto es necesario para alcanzar la presión polidireccional requerida para el apriete cuando ellos estén montados en el interior del agujero del cilindro. F t F t Es difícil medir en la práctica la presión de apriete en el interior del agujero del cilindro. Por ese motivo se calcula la fuerza diametral que presiona el segmento en la pared del cilindro con la ayuda de una fórmula determinada a partir de la fuerza tangencial. La fuerza tangencial es la que se necesita para apretar las puntas de las junturas en la holgura (Fig. 1). Dicha fuerza se mide con una banda flexible de acero coloca da en la circunferencia del segmento. La banda es tensada entonces hasta alcanzar la holgura prescrita para la juntura del pistón. La fuerza puede ser leída en un dinamómetro. La medición de los segmentos rascadores de aceite se realiza básicamente con un resorte expansor montado. La disposición de la medida para que el muelle expansor adopte su forma natural detrás del cuerpo del segmento es sometida a vibraciones a fin de lograr mediciones exactas. En el caso de los segmentos rascadores de láminas de acero de tres piezas se necesita una fijación axial adicional debido a las características de su construcción porque las láminas de acero se ladearían y entonces sería imposible efectuar la medición. La figura 2 muestra la representación esquemática de la medición de la fuerza tangencial. Fig. 1 Fig. 2 Nota importante: Los segmentos de los pistones pierden la tensión tangencial debido al desgaste radial causado por la fricción mixta o por un período prolongado de funcionamiento. Sólo tiene sentido medir la tensión en los segmentos nuevos cuya sección transversal esté todavía completa. F 26 Segmentos de pistones

27 Funciones y propiedades Distribución de la presión radial La presión radial depende del módulo de elasticidad del material, de la abertura del segmento cuando está desten sado y de la sección transversal del segmento. Hay dos métodos principales para diferenciar la distribución radial de la presión. El más sencillo es la distri bución de la presión radial y simétrica (Fig. 3). Ésta se manifiesta sobre todo en los segmentos rascadores de aceite de varias piezas compuestos de un portasegmento flexible o de láminas de acero con una tensión interna relativamente baja. El resorte expansor colocado detrás de él comprime el portasegmentos o las láminas de acero contra la pared del cilindro. La presión radial actúa simétricamente gracias al resorte expansor que se apoya en el lado trasero del portasegmento o en las láminas de acero cuando está comprimido (situación de montaje). FIg. 3 Distribución simétrica de la presión radial En el caso de los motores de cuatro tiempos se ha abandonado el uso de la distribución simétrica de la presión radial en los segmentos de compresión. En su lugar se emplea una distribución piriforme (oval positiva) a fin de evitar la tendencia al bamboleo de las puntas de las junturas a altas revoluciones (Fig. 4). El bamboleo comienza siempre en las puntas de las junturas y éstas lo transmiten a todo el perímetro del segmento. El aumento de la fuerza de apriete en las puntas lo contrarresta en este sector porque los segmentos están más comprimidos contra la pared del cilindro y eso reduce con efectividad la oscilación o la impide. Fig. 4 Distribución de la presión radial oval positiva Segmentos de pistones 27

28 1.6 Funciones y propiedades Intensificación de la presión de apriete con la presión de combustión Mucho más importante que la tensión propia de los segmentos es la intensificación de la presión de apriete producida por la presión de combustión que reciben los segmentos de compresión mientras el motor esté funcionando. La presión del gas en el segundo segmento del pistón puede ajustarse variando la holgura del primer segmento de compresión. A través de un intersticio un poco más amplio llega más presión de combustión al lado trasero del segundo segmento de compresión e intensifica ahí la presión de apriete. En el caso de que haya más cantidad de segmentos de compresión, la presión del gas proveniente de la combustión no refuerza la presión de apriete a partir del segundo segmento de compresión. La distribución de la fuerza en el segmento del pistón depende además de la conformación de su superficie. En el caso de los segmentos de periferia cónica y en el de los segmentos de compresión abombados y rectificados, la presión del gas llega también al inter sticio obturador situado entre la superficie de fricción del segmento y la pared del cilindro que actúa ahora a la inversa de la presión de gas ejercida detrás del segmento (lea el capítulo Segmentos de compresión). La presión de combustión genera hasta un 90 % de la fuerza de apriete total del primer segmento de compresión durante el ciclo de trabajo. La presión concentrada detrás de los segmentos de compresión los comprime con más fuerza contra la pared del cilindro de la manera como está ilustrada en la figura 1. El impacto de la presión de apriete intensificada actúa principalmente en el primer segmento de compresión y sigue apretando el segundo segmento pero con menos fuerza. Los verdaderos segmentos rascadores de aceite funcionan debido a su propia tensión. En este caso la presión del gas no puede obrar como un reforzador de apriete debido a la forma especial de los segmentos. La fuerza de apriete axial que actúa en el flanco inferior de la ranura es producida por la presión de gas. La tensión propia de los segmentos no surte efecto alguno en la dirección axial. Nota importante: Debido a que las cámaras de compresión condicionadas por el principio de funcionamiento se llenan mal en ralentí, la presión del gas intensifica menos la fuerza de apriete de los segmentos. Ese fenómeno se percibe particularmente en los motores diesel. Los motores que marchan en ralentí durante un tiempo prolongado consumen más aceite porque el efecto rascador no recibe el apoyo de la presión del gas. Los motores expulsan entonces a menudo nubes azules de aceite a través del tubo de escape al acelerar después de una fase prolongada de marcha en ralentí pues el lubricante que ha podido acumularse en la cámara de combustión y en el sistema de los gases de escape se quemará tan sólo al acelerar. Fig Segmentos de pistones

29 Funciones y propiedades Presión específica de apriete Esta presión depende de la tensión del segmento y de la superficie de apoyo del segmento en la pared del cilindro (F A). Si es necesario duplicar la fuerza específica de apriete, hay dos posibilidades para hacerlo: duplicar la tensión del segmento, o bien reducir a la mitad la superficie de apoyo del segmento en el cilindro. En la figura aparece indicada la fuerza resultante (fuerza específica de apriete = fuerza superficie) que actúa en la pared del cilindro es siempre igual aunque la tensión del segmento haya sido duplicada o reducida a la mitad. En los motores nuevos la tendencia está orientada al uso de segmentos más planos, pues lo que se pretende es disminuir la fricción interna en el motor. Pero eso sólo se logra reduciendo la superficie de contacto activa del segmento en la pared del cilindro. Al dividir la altura del segmento en dos, se reduce también la mitad de la tensión del segmento y por lo tanto la fricción. Ya que la fuerza remanente actúa en una superficie más pequeña, la presión específica de apriete en la pared del cilindro (fuerza superficie) se man tiene tan constante con la mitad de la superficie y la mitad de la tensión como con el doble de la superficie y el doble de la tensión. Fig. 2 Fig. 3 F F Advertencia La sola tensión del segmento no puede ser tomada en consideración para evaluar la presión de apriete y el comportamiento de selladura. Por ese motivo es necesario que fijarse siempre en el tamaño de la superficie al comparar los segmentos de los pistones. Segmentos de pistones 29