Lo largo y lo corto de las bielas

Kevin Cameron ha escrito sobre motocicletas durante casi 50 años, primero para la <em>revista Cycle</em> y, desde 1992, para <em>Cycle World</em>.” data-has-syndication-rights=”1″ height=”900″ src=”https://www.cycleworld.com/resizer/0qzMBY3i8l-IhIlRkrIhYu4GbXQ=/cloudfront-us-east-1.images.arcpublishing.com/octane/VZP7EERSAG2T7RGZ2PJUAMHCM4.jpg” width=”2000″ /></p>
<caption>Kevin Cameron ha escrito sobre motocicletas durante casi 50 años, primero para la <em>revista Cycle</em> y, desde 1992, para <em>Cycle World</em>.  (Roberto Martín/)</caption>
<p>¿Alguna vez escuchó el término “proporción de varilla”?  Es el número que obtienes cuando divides la longitud ojo a ojo de una biela por la carrera del motor.  Las proporciones más comunes están en el rango de 2.0 a 2.2.  Si bien no es un tema candente para la mayoría de nosotros, la relación de varilla sigue siendo un tema de acalorado debate entre un pequeño grupo de fabricantes de motores.</p><div class='code-block code-block-1' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
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Este es el por qué. Cuando considera la relación entre la posición de rotación del cigüeñal y el movimiento del pistón, hay dos variables de control. Uno es la altura de la muñequilla sobre un horizontal plano dibujado a través de la línea central del cigüeñal. Su subida y bajada a medida que gira el cigüeñal es la clásica onda sinusoidal suave. Si la biela fuera infinitamente larga, la subida y bajada del pistón en el cilindro también estaría descrita por la onda sinusoidal clásica. Y el movimiento del pistón en el curioso mecanismo de “yugo escocés” es solo eso; más sobre esto en breve.

Dado que los motores prácticos no pueden ser infinitamente altos, ¿cómo decidimos cuánto tiempo hacer las bielas reales? Cuanto más corta es la varilla, mayor es el ángulo en el que gira; su extremo pequeño viaja en línea recta hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje del cilindro, mientras que su extremo grande gira con la muñequilla. Cuanto mayor sea el ángulo de este vástago, mayor será el empuje lateral que ejerce el pistón contra un lado del cilindro cuando la presión del gas de combustión actúa sobre la cabeza del pistón. En épocas anteriores, cuando los motores de las motocicletas se enfriaban con aire y sus piezas se calentaban, y cuando los aceites no eran tan buenos como hoy en día, una biela demasiado corta, que operaba en un ángulo demasiado grande y generaba demasiado empuje lateral, podría causar rayaduras en el pistón, el anillo y el cilindro.

¿Qué varilla es más larga? Esa gran barra maestra Pratt & Whitney R-2800 mide poco menos de 18 pulgadas y pesa más de 18 libras. Su relación de varilla es de 2,15, mientras que la pequeña pieza Briggs & Stratton de aluminio forjado pesa solo unas onzas y devuelve una relación de varilla de 1,94. (Mark Lindemann/)

Pero tratar de reducir o eliminar el empuje lateral haciendo que la biela fuera realmente larga requería un motor más alto y pesado. Además, hacer que la biela fuera más larga aumentó su peso, agregando una carga de inercia adicional al cojinete de muñequilla que ya trabajaba duro.

¿Resultado? Compromiso: las relaciones de varilla entre 2,0 y 2,2 demostraron ser lo suficientemente cortas para evitar que los motores fueran ridículamente altos y las varillas demasiado pesadas para sus cojinetes, pero fueron lo suficientemente largas para evitar las altas fuerzas de empuje lateral que marcan los cilindros.

Compensación del cilindro

Otra forma de reducir la fricción del empuje lateral de la biela es desplazar el cilindro de tal manera que la biela quede más recta durante la carrera de potencia. Esta técnica, originada a principios del siglo XX, fue utilizada más tarde por algunos constructores de motores Supersport y ahora se incorpora en muchos motores de producción. Si el motor de su bicicleta gira hacia adelante (en la misma dirección que las ruedas), entonces, en la carrera de potencia, la pared trasera del cilindro es la superficie de empuje, por lo que desplazaría el cilindro unos milímetros hacia el frente.

Altura del motor

En la década de 1920, cuando se estaban desarrollando grandes motores de aviones radiales enfriados por aire, una de las principales preocupaciones era el diámetro del motor, que aumentaba el área frontal y la resistencia aerodinámica. Pero cuando la Marina de los EE. UU. insistió en que su prototipo radial P-1 de 1923 tuviera varillas cortas de una relación de 1,6, el motor resultante fue excesivamente brusco.

¿Por qué? Como el extremo grande de la biela se balancea de lado a lado dos veces por revolución, impone una variación de altura en el pistón (cuanto más se balancea la biela, más baja es la posición del pistón en el cilindro). Esto crea un fuerza de sacudida secundariay fue esta vibración secundaria la que sacudió al P-1 de la Armada.

Esta experiencia hizo que a los radiales grandes posteriores se les dieran relaciones de varilla más grandes; por ejemplo, el P&W R-2800 de servicio prolongado tenía una relación de 2.15.

Sin embargo, hay muchos motores que funcionan con éxito con relaciones de varilla más pequeñas. Uno de la década de 1960 fue el 455 de bloque grande de Oldsmobile, un motor que impulsó al Olds 442 de la era de los “superdeportivos”. Sus varillas cortas (relación de varillas de 1,65) permitieron que este motor, por lo demás grande, encajara entre las torres de suspensión de los autos compactos. Como estaba refrigerado por agua y mejor lubricado, la rayadura de los cilindros no era un problema.

Los motores marinos que impulsan los buques portacontenedores ya son tremendamente grandes, por lo que para evitar perder demasiado espacio de carga valioso, se les asignan relaciones de varilla bastante cortas. Esto presenta pocos problemas porque la velocidad del motor es muy baja (¡típicamente 80 rpm!) y el empuje lateral no actúa sobre los pistones sino sobre una cruceta lubricada a presión como la de una locomotora de vapor.

Mientras esperaba mi turno para hablar con el difunto John Britten, quien de manera revolucionaria nos presentó a todos a los poderosos gemelos, observé y escuché mientras él y el difunto restaurador mecánico Homer Knapp sacaban cosas fascinantes de sus bolsillos y hablaban de ellas. Cuando Knapp preguntó cómo Britten había elegido su relación de biela, sacó una biela y dijo: “Aquí hay una biela de un motor Cosworth DFV y tiene una relación de biela de 1,8. Pensé que podría hacer algo peor que empezar allí.

Pero luego resultó ser una práctica común en la F1 usar varillas más cortas para hacer que los motores encajaran entre los túneles venturi debajo del chasis. Más tarde, en la era de los motores V-10 de 20 000 rpm, las proporciones de las bielas de la F1 se expandirían a 2,5, principalmente para permitir un espacio libre entre las faldas de los pistones y los contrapesos del cigüeñal en motores de carrera extremadamente corta.

¿Dónde está la controversia?

Hasta este punto, parece que la relación de varilla puede ser más una cuestión de conveniencia que una variable de rendimiento significativa. Entonces, ¿dónde está la controversia?

Algunos fabricantes de motores argumentan que el uso de bielas más cortas aumenta el tiempo que el pistón permanece cerca del BDC (el tiempo de permanencia BDC), proporcionando así más tiempo para completar el proceso de admisión.

Si la biela fuera infinitamente larga, la aceleración del pistón en TDC y BDC sería igual, y también lo serían los tiempos de permanencia alrededor de TDC y BDC. Pero con longitudes de vástago prácticas, la aceleración del pistón es mucho mayor en el TDC que en el BDC, con el resultado de que el pistón pasa más tiempo en la mitad inferior de su cilindro que en la mitad superior. Sin embargo, si extraemos una tabla estándar de recorrido del pistón versus grados de manivela para varias relaciones de varilla, no encontramos diferencias significativas en la cantidad de tiempo que pasa el pistón, por ejemplo, entre 20 grados BBDC y 20 grados ABDC. Comparando proporciones de varillas de 1,75 y 2,25, las diferencias son del orden de una décima parte del 1 por ciento.

Porque la controversia todavía hierve y burbujea, Pista circular magazine construyó dos V-8 de bloque pequeño, uno con varillas de longitud convencional, el segundo con varillas cortas, y mantuvo otras variables, como la relación de compresión, igual entre los dos. En las pruebas de dinamómetro, el motor de varilla larga superó al motor de varilla corta. Esto se atribuyó a la diferencia en el empuje lateral de la biela. Del mismo modo, cuando un amigo abrió el kit de carrera Superbike que había pedido para su Yamaha FZR750, contenía bielas más largas que las originales.

Aún así, debemos respetar a un fabricante de motores experimentado que confía en las varillas cortas para ciertas aplicaciones y el éxito que a menudo las acompaña.

El motor de yugo escocés

Ahora, como extremo, consideremos la venerable máquina de yugo escocés. En tal diseño, una sola varilla une los pistones de un bicilíndrico plano cuyos cilindros comparten el mismo eje. En el punto medio de la barra hay un bloque con una ranura transversal, fresado en ángulo recto con la barra. En este bloque se mueve un deslizador rectangular perforado para encajar sobre la muñequilla; los pistones se mueven hacia arriba y hacia abajo puramente a la altura de la muñequilla, en forma de onda sinusoidal verdadera, lo que proporciona aceleraciones de pistón iguales en el centro superior e inferior, así como tiempos de permanencia idénticos en el centro superior e inferior.

Los defensores de este diseño creen que debido a que sus pistones permanecen cerca del TDC por más tiempo, una mayor parte de la carga se quemará en la relación de compresión más alta, lo que aumentará la eficiencia térmica. Pero también se puede ver que pasar más tiempo cerca del TDC podría aumentar la pérdida de calor antes de que el movimiento del pistón pueda expandir significativamente el gas a alta presión en la carrera de potencia. Que yo sepa, nadie ha realizado pruebas consecutivas de alto rendimiento de motores similares, uno con bielas convencionales y el otro con el diseño de yugo escocés. Una razón probable es que el diseño de yugo escocés no es adecuado para operar a velocidades de motor más altas.

Los constructores de barras cortas creen que con los tiempos de leva apropiados hay una ganancia. A todos nos gustaría saber más.

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