Luego de haber ilustrado la estructura del buje (aquí la primera parte), me enfoco en particular en un evento crítico que ocurre en este tipo de acoplamientos lubricados cuando se crean condiciones de lubricación inadecuadas. O las condiciones de operación, las fuerzas en acción y las velocidades de rotación son muy altas y no previstas a priori para el dimensionamiento de los casquillos. Este evento o mal funcionamiento se llama: cavitación.
La criticidad de los bushings
En general y también en mi experiencia como diseñador de motores de competición con velocidades medias de pistón elevadas (superiores a 24 m/seg y hasta 27 m/seg), los casquillos más delicados y críticos en su funcionamiento son los del muñón. o simplemente llamar a los cojinetes de biela (montados en los cojinetes de cabeza de biela, en inglés big end bearings). Para asegurar que los cojinetes de biela estén constantemente lubricados, en todas las condiciones de funcionamiento, arranque, RPM mínimas (revoluciones del motor) y RPM máximas, la presión de envío de la bomba de aceite debe ser superior a la suma de las pérdidas de carga (entendida como presión) prevista en el motor.
Fuerza centrífuga
Además de estas pérdidas, hay que tener en cuenta que la fuerza centrífuga actúa como una caída de presión importante especialmente a altas RPM y por tanto a altas velocidades medias del pistón. De hecho, cuando el suministro de aceite a las bielas se produce a través del diámetro del muñón principal, podemos encontrarnos en condiciones de presión cercanas a cero «0» o muy bajas en el centro del cigüeñal como consecuencia de haber superado el fuerza centrífuga que actúa sobre el aceite a lo largo del canal dentro de este pasador del cigüeñal. Incluso si la presión en cuestión se evalúa como positiva, siempre es necesario considerar efectos como el Ra del canal de aceite, la presencia de imperfecciones de mecanizado en el mandrinado, la desalineación del cojinete principal y su canal circunferencial con respecto al agujero en el eje y todas las condiciones térmicas que pueden conducir al empeoramiento de las holguras de funcionamiento que ciertamente aumentan a la temperatura de funcionamiento.
fluido neutroniano
Además, en las simulaciones de cálculo, el aceite se considera como un fluido newtoniano, no comprimible, de estructura homogénea y sin impurezas debidas a residuos de desgaste metálico, denominado «escombros«. Además, los residuos de la combustión, como los gases no quemados, la presencia de porcentajes de gasolina no quemada y cualquier residuo de base acuosa, pueden reducir en gran medida las características de lubricación del aceite. Incluso la presencia de burbujas de aire puede hacer que la densidad del aceite disminuya localmente en los acoplamientos en cuestión, empeorando las condiciones de contorno en el meato de aceite que estimamos cuando el cálculo es intacto y regular a lo largo del ancho del buje.
la temperatura del aceite
Cuando la temperatura en el interior del cárter o depósito de aceite, de donde aspira la bomba, supera los 100 °C, el bajo porcentaje de agua del aceite se evapora, liberando oxígeno que, si no se separa con separadores aceite/aire adecuados como centrífugas o similares instrumentos, llega a los bujes reduciendo la capacidad portante del meato. Luego habrá fases de contacto entre el metal y el recubrimiento (tercera capa indicada anteriormente) con desgaste y laminación metálica. El aire también puede estar presente por falta de “tiro” cuando las aceleraciones del vehículo hacen que la masa de aceite en el cárter se mueva desordenadamente y se descubra el área de succión de la bomba.
Cavitación
Como es sabido, el espesor de la película de aceite y por lo tanto la distribución de presión también es generado por el efecto de bombeo debido a la rotación excéntrica del muñón principal o manivela dentro del buje. Entonces es inmediato pensar que hay una zona de alta presión y otra de baja presión. En la zona divergente, la presión cae rápidamente y, si este cambio es muy brusco, hace que la gasolina o el aceite se disuelva. La presión en el meato superará la presión de saturación y tendremos el fenómeno denominado: cavitación.
Por qué ocurre la cavitación
Por lo tanto, se presentaron dos fenómenos que conducen a la cavitación. El primero está relacionado con el aire o el gas (residuos de la combustión) presentes en el aceite que ya se encuentra en el sumidero o en el tanque de succión. Este tipo de cavitación es menos problemática para los bushings ya que parte de los gases presentes en el aceite son eliminados cuando la bomba, al comprimir la mezcla de aceite, (llamada así porque no sólo llega aceite de densidad nominal a la bomba) elimina una parte de exceso de mezcla en la válvula de recirculación de presión. En promedio, la recirculación es del 20% – 30% con respecto al caudal de admisión.
Vaporización
El segundo está ligado a un fenómeno operativo y en detalle está ligado a la vaporización. Al ser un fenómeno que hace que el estado físico del fluido cambie de líquido a gas y viceversa, ciertamente es más peligroso y genera daños mecánicos importantes, especialmente en un acoplamiento como el de la muñequilla en el que las fuerzas cambian considerablemente ligadas a las cargas de combustión e inercia. A altas revoluciones, como las de los motores de carreras, la frecuencia con la que se produce este cambio de fase es muy alta y la duración tan breve que la presión del aceite cae rápidamente y la gasolina disuelta puede evaporarse rápidamente. A medida que la presión vuelve a subir, las burbujas provocadas por la evaporación colapsarán y volverás a la etapa inicial. Esta naturaleza cíclica da como resultado fatiga por desgaste de las superficies de apoyo.
La dificultad de la simulación.
Las anomalías en los cojinetes de biela son uno de los temas más difíciles de simular en su funcionamiento y también de traducir en acciones de diseño. De hecho, muchas veces cuando hay una anomalía importante, los bujes desgastados están muy dañados y son difíciles de analizar. Sin embargo, existen métodos de comparación que los fabricantes de bujes brindan a los diseñadores y experimentadores de motores, para cuestionar la visión de un efecto o daño en estos componentes.
La primera parte de la lección se publica aquí.