Árbol de levas

En muchos artículos hemos hablado sobre las válvulas y sobre los árboles de levas, en las fichas técnicas de los autos dice que tiene doble árbol de levas y se plantea la duda al respecto, es uno de los mecanismos que da vida al funcionamiento del motor.

¿Qué es el árbol de levas?

Una leva es un elemento mecánico que está sujeto a un eje por un punto que no es su centro geométrico, sino un alzado de centro. En la mayoría de los casos es de forma ovoide. El giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte con una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores: de traslación y de rotación.

Mecanismo leva seguidor

La unión de estas dos piezas es el mecanismo leva seguidor descubierto por Herón de Alejandría en el siglo (I a.C) es uno de los mecanismos más antiguos y básicos de la mecánica. Transforma un movimiento lineal en uno giratorio y viceversa. El movimiento lo efectúa la leva, que está diseñada de acuerdo a un determinado perfil y el seguidor se encuentra en contacto permanente con ésta, reproduce linealmente el contorno de la leva. Este mecanismo no es reversible, el movimiento motriz siempre lo efectúa la leva.

La forma de diseñar el perfil de una leva es la siguiente: conocido el tiempo que he de tardar la leva en efectuar un ciclo y el desplazamiento, se construye una gráfica, situando en el eje abscisas los tiempos y en el de ordenadas los desplazamientos.

Árbol de levas

El árbol de levas es un eje que tiene las levas mecanizadas en un tramo curvilíneo, denominado cresta que es el que actúa sobre el seguidor que en la aplicación automotriz seria la válvula. Además de las levas, el árbol lleva mecanizados también unos muñones de apoyo sobre los cuales gira, el número varía de acuerdo al esfuerzo.

El árbol gira sobre cojinetes de fricción que están ubicados en la culata. Estos se lubrican mediante el circuito de lubricación del motor, a través de conductos que llegan a estos apoyos. Los árboles son fabricados en una sola pieza de hierro fundido o acero forjado, debe ser resistente a la torsión y al desgaste, para tener esta propiedad se realiza un proceso de templado.

Aplicación

Los usos de los árboles de levas son muy variados, como en molinos, telares, sistemas de distribución de agua o martillos hidráulicos, aunque su aplicación más desarrollada es la relacionada con el motor de combustión interna alternativo, en los que se encarga de regular tanto la carrera de apertura y el cierre de las válvulas, como la duración de esta fase de apertura, permitiendo la renovación de la carga en las fases de admisión y escape de gases en los cilindros.

Funcionamiento del árbol de levas

Dependiendo de la ubicación del árbol de levas y la distribución de estas, accionarán directamente las válvulas a través de varillas, impulsadores o balancines. El funcionamiento varía de acuerdo a la ubicación o disposición del árbol de levas, que puede estar en el bloque del motor o en la culata.

Su función principal es la de abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape. Para hacer esto solo necesita girar de una forma sincronizada con el cigüeñal. El árbol de levas está diseñado de tal forma que al girar empuja las válvulas en contra de la resistencia de sus resortes.

La conexión del árbol de levas con el cigüeñal se hace por medio de engranes, piñones, correa dentada o correa de repartición  y cadenilla. A este tipo de conexión se le llama sincronización. Dado que también se sincroniza con el distribuidor y ahora con el computador para la generación y salto de la chispa. De esta forma se habla del tiempo y de allí que se conoce a estas piezas como piñón de tiempo, cadena de tiempo, correa de tiempo etc.

Para que un árbol de levas pueda hacer su trabajo de abrir y cerrar válvulas, necesita la ayuda de los botadores, varillas, alzadores, lifter, balancines, etc. O lo que se conoce como el seguidor que completa el mecanismo leva seguidor.

Cuando una válvula se abre, rebaza la superficie de la cabeza, dando por hecho, que el pistón está más abajo del máximo de su recorrido hacia arriba. Si la válvula abre, y el pistón se encuentra en el máximo de su recorrido hacia arriba, el impacto daría lugar a una perforación del pistón, con doblada de válvula, lo que genera una ruptura de motor.

Averías en el árbol de levas

El árbol de levas es el componente más importante del sistema de distribución en un motor de combustión interna ya sea gasolina o diésel. De él dependen los procesos que dan lugar a la obtención de la potencia ayudando a transformar la energía del combustible en trabajo mecánico.

El mayor riesgo al que se expone como cualquier eje que gire de forma continua, es la falta de lubricación, una lubricación deficiente puede forzar el desgaste en los apoyos y cojinetes. Este fallo se puede presentar porque se está trabajando por debajo del nivel de aceite recomendado o existe una falla en la bomba de aceite o la presión es deficiente.

Al ser además el último paso del circuito de engrase, queda expuesto a que cualquier cojinete defectuoso impida que el lubricante complete el proceso.

Otra de las principales causas de avería en el árbol de levas es el uso y los continuos giros del sistema provocan una holgura axial en el alojamiento, situación que podemos solventar colocando una arandela calibrada entre el árbol y los apoyos para que se quede suficientemente ajustado.

¿Dónde se encuentra el árbol de levas?

Esto depende del tipo de árbol de levas del motor, aunque hoy en día se suele utilizar un sistema de árbol de levas en cabeza:

Sistema SV: llamado "sistema de válvulas laterales" porque los componentes están situados a un lado del cilindro, dentro del bloque motor. Esta solución se utilizó hace muchos años, pero luego se abandonó porque se necesitaba una cámara de compresión más grande y el tamaño de los lóbulos de las válvulas estaba limitado por razones de espacio.

Sistema OHV: de nuevo, el árbol de levas se encuentra en el bloque motor y las válvulas en la culata. Esto significa que el cigüeñal acciona el árbol de levas mediante engranajes o una cadena, lo que requiere poco mantenimiento. La desventaja, sin embargo, es que se utilizan más piezas para alinear la distancia entre el árbol de levas y las válvulas, por lo que pueden producirse holguras en las varillas de empuje (elementos deslizantes entre las válvulas y el árbol de levas) a altas velocidades y temperaturas.

Sistema OHC: El sistema de árbol de levas en cabeza es actualmente el más común, en el que el árbol de levas y las válvulas están integrados en la culata. Esto reduce el número de piezas y permite una apertura y cierre más precisos, lo que permite a los motores alcanzar velocidades más altas. La desventaja es que el accionamiento del cigüeñal es más complicado y requiere correas o cadenas de distribución más largas, que requieren más mantenimiento. Hay dos tipos de variantes de culata: SOHC con un solo árbol de levas que controla las válvulas de admisión y escape y DOHC con dos árboles de levas - admisión y escape.

¿Por qué se rompe el árbol de levas?

La principal causa de los problemas del árbol de levas es la falta de lubricación, que provoca un mayor desgaste de los cojinetes. Si se daña o se rompe, hay que sustituir toda la pieza, que es realmente una de las averías más caras que le pueden ocurrir a un vehículo.

¿Cuánto cuesta reemplazar un árbol de levas?

Sustituir un árbol de levas puede costar hasta 540 dólares, con un coste mínimo a partir de 200 dólares. La complejidad de la sustitución de la pieza exige un flujo de trabajo delicado que requiere herramientas de precisión y conocimiento del sistema. En muchos casos, es necesario desmontar el tren de válvulas para sustituirlo y determinar la causa del daño, lo que puede acarrear costes adicionales.

Partes del árbol de levas

El árbol de levas es un sistema de distribución mecánica cíclica, responsable del accionamiento de los distintos componentes de la transmisión. Estas piezas incluyen:

Eje: es la parte central del mecanismo. Las demás piezas descansan sobre él y su movimiento facilita el funcionamiento de la transmisión. En función de las necesidades y del número de levas montadas en el eje, puede tener distintas dimensiones.

Levas: también llamadas excéntricas, están dispuestas en el eje en forma de salientes. Tienen una parte redondeada de mayor diámetro, llamada núcleo, que hace contacto con las varillas de empuje y las pone en movimiento.

Cojinetes de fricción: no todos los árboles de levas están equipados con cojinetes de casquillo, pero la mayoría sí. Esto permite que el eje se mueva por sí solo. Otros modelos tienen orificios rectos en lugar de cojinetes.

Circuito de lubricación: El uso de aceite mejora el rendimiento del árbol de levas, por lo que se instalan sistemas de lubricación para garantizar el flujo de aceite a cada cojinete.

Síntomas para detectar averías en el árbol de levas

• Traqueteo: este sonido puede estar relacionado con un mal acople de los engranajes o un desgaste excesivo de  cojinetes o soportes que estén afectando al juego axial del árbol de levas. Si además afecta a la potencia del vehículo podríamos estar hablando del gripaje de algún apoyo del eje.

Este ruido se presenta en motores con impulsadores hidráulicos, a veces en la mañana después de un periodo prolongado sin encender el motor, mientras el sistema de lubricación llena completamente los impulsadores, es un fenómeno normal.

• Chirrido estridente: Suele se indicador de que el árbol de levas está a punto de griparse, por lo que se recomienda comprobar el estado de los apoyos por si alguno estuviera defectuoso. Si además notamos que desciende el rendimiento del motor, es probable que se haya llegado a romper alguna de las levas o que entre ellas haya una holgura o juego excesivo.