Lubricación

Automóviles. Objetivos. Engrase. Bomba de aceite. Filtro. Naturaleza química. Consumo

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LUBRICACIÓN

Objeto de la lubricación

Si dos cuerpos metálicos rozan uno con el otro se calientan y sus moléculas tienen tendencia a soldarse dando origen a un fenómeno llamado "agarre". Este fenómeno se produce con mayor intensidad si ambos cuerpos reciben calor desde una fuente externa ya que se alcanza más rápidamente el calor de fusión de uno de los metales.

La lubricación del motor tiene por objeto evitar el agarre del motor y disminuir el trabajo perdido por rozamiento interponiendo entre dos cuerpos una película de fluido lubricante que sustituye el rozamiento entre los metales por el rozamiento del deslizamiento interno del fluido lubricante que es muy inferior a los de los metales y produce menor cantidad de calor.

Los objetivos de la lubricación son:

1) Impedir el contacto entre dos metales.

2) Refrigerar las partes lubricadas.

3) Ayudar a la estanqueidad del sistema.

Los factores principales que influyen sobre la lubricación, además de las características de los lubricantes son:

A) Acabado de las superficies de contacto.

B) Naturaleza y dureza de los materiales que componen las partes.

C) Espacio o huelgo entre las partes.

Una lubricación deficiente, que no cause agarre es más que suficiente para producir gran desgaste, con deformación de la superficie del deslizamiento originando un huelgo excesivo entre las partes lo que dificulta el funcionamiento.

El exceso de aceite es capaz de provocar desperfectos en el encendido por suciedad en la bujía y además excesos de depósitos carbonosos.

La dilución del aceite con el combustible no quemado que pasa a través del espacio pistón-cilindro puede ser causado por aros rascadores poco eficaces o mal montados, cámara de combustión incorrecta y por lo general defectos de conducción, excesivos arranques en frío, aceleración con el vehículo parado, o al detener el vehículo, excesivo desgaste de los aros, regulación inadecuada de la carburación o inyección.

En 1687, Newton estableció la primera ley de lubricación. Tomó dos placas horizontales separadas por una película de fluido incomprensible de altura "h". Sea "u" la velocidad relativa de la chapa móvil con respecto a la fija. Se supone además que la chapa móvil no lleva carga y su peso es despreciable de manera que no hay presión de fluido dentro de la película que puede ser considerada como una serie de láminas superpuestas.

Si se aplica una fuerza "F" sobre la lámina móvil ésta se va a mover con una velocidad "U", en éstas condiciones la película formará un gradiente de velocidad "R" entre sus láminas, entre lámina y lámina se va a desarrollar un esfuerzo S=u x R donde "R" es el gradiente que está dado por R=U:h. Si tomáramos una distancia "y" cualquiera tendríamos una velocidad U´ que también cumple la condición del gradiente R=U´:h. El esfuerzo "S" está dado por la fuerza sobre el área (S=F:A). El coeficiente "u" se lo denomina viscosidad absoluta: u=S:R= dinas/cm2: cm/seg/cm= dina x seg/cm2= Poise

En la práctica se utiliza la viscosidad relativa que es el tiempo de escurrimiento a través de un orificio calibrado de 60cm3 de aceite a determinada presión y temperatura siendo la unidad de medida en "Segundo Universal Saybolt" (S.U.S.). Y SAE "Sociedad Americana de Ingenieros", toma su clasificación de esta viscosidad relativa.

La instalación de engrase

Sistema de engrase: el lubricante, o se mezcla con el combustible (engrase por mezcla) o se lleva por tuberías especiales a los puntos de rozamiento (engrase por circulación).

Engrase por mezcla (en los motores de dos tiempos): el aceite de engrase, mezclado con el combustible, se dispara contra las paredes del cilindro mediante el movimiento del eje cigüeñal y engrasa todas las partes móviles del motor (figura 1), pero arde junto con el combustible y por ello hay que aportarlo siempre de nuevo. Las superficies de deslizamiento reciben, pues, siempre aceite fresco y se desgastan menos. El combustible se mezcla con el aceite lubricante en la estación de servicio en la mayoría de los casos, y la proporción de mezcla depende de la carga de los motores, correspondiendo a 1 litro de lubricante aproximadamente 25 a 40 litros de combustible. Lo mejor es hacer la mezcla con ayuda de una jarra o con una bomba mezcladora. En algunos vehículos se mezcla el combustible con el aceite de engrase llenando un depósito de mezcla especial (figura 2), y durante el servicio, un filtro retiene el resto del aceite y evita un engrasado de los motores.

A bajo número de revoluciones, los motores reciben demasiado aceite de engrase frecuentemente, y el exceso de aceite se reúne en los canales y forma en el escape una estela inoportuna de humos, por lo que las instalaciones de escape de los motores de dos tiempos tienen que limpiarse periódicamente.

En muchos motores de dos tiempos, una bomba de aceite impulsada por el motor suministra

forzadamente la cantidad de aceite necesaria tomándola de un depósito (figura 3), mezclándose primero en el carburador con el combustible y regulándose la cantidad de suministro mediante una mariposa. Un contactor controla la presión del aceite, y en caso de peligro conecta una lámpara de señalización, con lo que el motor recibe en cada carga la cantidad correcta de aceite y el consumo de lubricante es pequeño.

Engrase por circulación (en los motores de cuatro tiempos): El aceite de engrase se encuentra en la parte inferior de la carcasa del cigüeñal (figura 4), y una bomba lo aspira impulsándolo por las tuberías, limpiándose simultáneamente a través del filtro. De esta forma se engrasan los cojinetes del eje cigüeñal y del eje de levas, así como las piezas de la propulsión del ventilador.

Las paredes del cilindro y los bulones del cigüeñal reciben suficiente aceite por medio del efecto centrífugo del eje cigüeñal, pero algunas barras de biela tienen también una tubería a los bulones del cigüeñal.

El aceite de engrase se recoge en el cárter y se suministra de nuevo a las tuberías por medio de la bomba, circulando, por tanto, continuamente, y este circuito de aceite se controla por medio de aparatos especiales, regulándose la presión del mismo mediante una válvula que protege la instalación en caso de falta de suministro.

En los motores de los coches, una bomba doble suministra el aceite primero a un depósito y desde aquí a las tuberías, quedando el cárter casi seco. La instalación de engrase se designa de engrase a circulación seca (Figura 5).

Además del engrase por circulación se agrega algunas veces algo de aceite al combustible, y este engrase adicional se ha acreditado en la puesta en marcha de los motores, engrasándose las paredes de los cilindros desde arriba y desgastándose mucho menos.

Aparatos

Para vencer la resistencia de las tuberías se necesita una determinada presión de aceite, la cual se produce por medio de una bomba y se regula mediante una válvula, habiendo otros aparatos que retienen las materias extrañas y regulan la temperatura del aceite.

Bomba de aceite: El tubo de aspiración de la bomba de aceite tiene que estar colocado en el punto más bajo del cárter y se impulsa desde el árbol de levas (figura 6), para lo cual se llenan los huecos de los dientes con aceite de engrase y lo impulsan a otro sitio. Después de medio giro de la rueda los dientes expulsan de nuevo el aceite y lo impulsan en la tubería. Todo el aceite de engrase se suministra a través de todas las tuberías hasta cuatro veces por minuto.

Las bombas de ruedas dentadas duran en general mucho tiempo y su potencia de suministro disminuye sólo al sobrepasar las tolerancias admisibles en las medidas. Entonces lo mejor es poner nuevas ruedas dentadas, las cuales, sin embargo, tienen que poderse girar fácilmente a mano.

Las bombas de aceite, como ya se ha dicho, pueden ser de engranajes o de lóbulos o bien de paletas. Las bombas de engranajes son, con gran diferencia, las más empleadas por ser más simples y de funcionamiento más seguro. Son también muy usadas en los motores de automóviles las bombas de lóbulos.

Manómetro: La presión se extiende uniformemente en un sistema de tubos cerrados, pudiéndose medir la presión en cada sitio y reconocer la circulación del aceite.

Un manómetro consta de un tubo curvado, que se estira bajo la influencia de la presión y transmite su movimiento a un indicador cuya posición varía con el estado del aceite y con el número de revoluciones del motor (figura 7).

Un contactor de presión de aceite, que se encuentra en muchos vehículos, se abre sólo con una determinada presión de aceite (0,3 a 0,6 atmósferas) e indica la falta de presión mediante una lámpara de señalización (figura 8).

La caída de presión se origina en la mayor parte de los casos por la falta de aceite, pero éste puede salirse también por sitios no herméticos y afluir de nuevo a la carcasa del cigüeñal. Algunas veces ya no pasa suficiente aceite por el filtro o las tuberías, en cuyo caso hay que parar inmediatamente el motor y comprobar detenidamente la instalación de engrase en un taller.

Las tuberías pueden destruirse al taponarse la instalación y entonces se abre una válvula de seguridad y el aceite va de nuevo al cárter. La presión de aceite puede ajustarse a un determinado valor y hay que cumplir exactamente las correspondientes normas de servicio (figura 9).

Filtro de aceite: El aceite de engrase absorbe materias extrañas durante su circulación, las cuales forman con el aceite una pasta análoga al esmeril y que poco a poco puede destruir las superficies de deslizamiento (figura 10). Los residuos taponan también las tuberías y ya no dejan pasar suficiente aceite, por lo que en cada circulación debe limpiarse el aceite de lubricación.

Para la limpieza se utilizan diferentes filtros, que separan los cuerpos extraños y mantienen el poder lubricante del aceite.

Los que se emplean más frecuentemente son los filtros de ranuras (figura 11), los cuales, a través de su conjunto, retienen los cuerpos extraños mayores (>0,05 mm de diámetro), que se reúnen en la abertura anular, y para poder quitarlos mediante un rastrillo se le da al conjunto un giro parcial de la carcasa. En la mayor parte de los casos se gira el conjunto desembragando el motor o accionando el freno de mano. Las materias extrañas se juntan debajo y pueden quitarse más tarde a través del orificio de purga. El filtro de ranuras tiene una vida casi ilimitada y sólo ocasionalmente se lava con gasolina. Los filtros cambiables están provistos de un conjunto de papel en forma de estrella (figura 12), cuyo papel tiene una gran superficie y retienen los pequeños cuerpos extraños (>0,005 mm), pero pronto pierden su efecto y tienen que cambiarse oportunamente, conociéndose el momento para el cambio por el creciente calentamiento de la carcasa del filtro.

En grandes motores se han acreditado los filtros centrífugos (figura 13), en los que el conjunto de filtro giratorio se impulsa por la presión de aceite, y a causa del elevado número de revoluciones (5000 rev/min) las gruesas partículas extrañas se expulsan hacia fuera, reuniéndose en la pared interior y no llegando ya al circuito de aceite.

Las partículas de hierro rozadas se retienen algunas veces mediante un imán, el cual se coloca en la mayoría de los casos en el tornillo de purga de aceite y se limpia cuando se cambia este último.

Los filtros están colocados en la corriente principal o en el circuito secundario de la instalación de engrase (figura 14). El aceite de engrase tiene que vencer la resistencia en el filtro, la cual, naturalmente, aumenta con la suciedad y puede llegar a interrumpir el circuito, por lo que los filtros de la corriente principal tienen una válvula de cortocircuito, que se abre cuando se obtura el filtro y conduce el aceite por delante de éste.

Los filtros de corriente secundaria abarcan sólo una parte del aceite de engrase e impiden menos la circulación, pero, sin embargo, toda la cantidad de aceite se filtra por completo una vez en un trayecto de 100 a 200 km.

Muchos motores tienen tanto un filtro de corriente principal como uno de corriente secundaria, los cuales están colocados en una carcasa y se complementan en su acción.

Enfriador de aceite: Las elevadas temperaturas en los motores calientan también el aceite de engrase (figura 15), con lo cual se vuelve más ligero, pero pierde viscosidad y ya no forma película sólida de engrase.

Por esto, durante la circulación se enfría de nuevo a la temperatura de trabajo prescrita (70 a 90°), en la mayor parte de los casos en el cárter, que por ello se hace de plancha fina de hierro o de aluminio y lleva además numerosos nervios para enfriamiento.

Puesto que los residuos del aceite de engrase y del polvo de las calles influyen sobre el flujo de calor, el cárter hay que limpiarlo periódicamente por dentro y por fuera.

Sin embargo, el viento de la marcha no basta frecuentemente para el enfriamiento del aceite, por lo que en los motores enfriados por aire se hace pasar el aceite de engrase por un enfriador especial e incluso a través de muchos canales colocados en la corriente de aire del ventilador, habiendo una válvula que regula el flujo de aceite y con ello la temperatura del mismo (figura 16). En motores fríos está descartado el enfriador y el aceite puede calentarse rápidamente y afluir inmediatamente a los sitios de engrase.

En grandes motores hay colocado un intercambiador de calor (figura 17) en el circuito de agua de refrigeración, cuya agua se calienta más rápidamente y toma su calor del aceite de refrigeración. Durante el funcionamiento, el aceite caliente se enfría de nuevo suficientemente por medio del agua de refrigeración, y tiene lugar, por tanto, un constante intercambio de calor, teniendo el aceite de engrase la temperatura correcta de servicio.

Naturaleza química de los lubricantes:

Existen tres tipos de aceites:

a)Minerales

b)Grasos o fijos (origen animal y vegetal)

c)Sintéticos

Los aceites minerales químicamente difieren por la presencia de oxígeno de los aceites grasos también llamados fijos porque no pueden ser destilados y se descomponen.

Los aceites fijos al intentar destilarlos se descomponen, los aceites minerales comienzan a evaporizar a 400°C y los sintéticos a mayor temperatura.

Dos condiciones definen la calidad de un aceite:

a)Estabilidad física

b)Estabilidad química

a)Se define por medio de la variación de su viscosidad absoluta al variar la presión y la temperatura. Cuanto mayor sean estas variaciones y conserve la viscosidad absoluta mayor será la estabilidad física.

Los aceites minerales tienen menos estabilidad física que los grasos, pero estos últimos tienen el inconveniente que se solidifican a bajar demasiado la temperatura o si aumenta la presión.

La estabilidad física tiene gran importancia porque si al calentarse el motor disminuye demasiado la viscosidad del aceite existe el peligro de agarre.

b)La estabilidad química está dada por la resistencia de los aceites a la descomposición química debida a la alta temperatura.

La estabilidad química es grande en los aceites minerales y sintéticos y menor en los grasos, y se pueden mejorar mediante el agregado de aditivos.

El envejecimiento de los aceites lubricantes es muy grande en los motores nuevos debido a la acción catalítica de los motores y la presencia de limaduras que se incorporan a la masa del aceite, a medida que el aceite se incorpora a la superficie metálica debido al uso del motor la acción catalítica disminuye y la vida útil aumenta.

El índice de envejecimiento de un aceite se mide por el número de neutralización que mide los ácidos orgánicos.

Propiedades del aceite de engrase: El aceite de engrase se obtiene principalmente del aceite natural por medio de destilación por vacío, limpiándose y preparándose especialmente para el motor. Por medio de esto, el aceite recibe propiedades especiales y llegan al comercio como aceites de marca.

Igualmente se puede fabricar un buen aceite de engrase con materias vegetales y animales, pero tales aceites no soportan altas temperaturas y son poco apropiados para los motores de combustión.

Viscosidad: El aceite de engrase debe formar una película suficiente de engrase en las superficies de deslizamiento de los cuerpos en movimiento, y esta capacidad de engrase depende de la viscosidad (viscosus = tenaz, adherente) del aceite, la cual se mide con un viscosímetro (figura 18).

Se compara el tiempo de salida del aceite con el de salida del agua a una determinada temperatura, y de la diferencia entre ambos valores resulta la fluidez del aceite de engrase. La viscosidad se mide en grados Engler, y según esto, una fluidez triple a 50°C se designa como 3°E/50°C. Otros procedimientos dan la viscosidad en Centistokes (cSt).

La viscosidad varía con la temperatura del aceite, el cual, se vuelve cada vez más ligero con temperatura creciente y ya no queda adherido a las superficies de deslizamiento, pero, en cambio, con temperatura decreciente se vuelve cada vez más espeso y ya no forma suficiente película de engrase alguna. Los motores arrancan también mal y consumen en ello demasiada corriente.

El comportamiento del aceite a diferentes temperaturas se puede reconocer en un diagrama. En un buen aceite de engrase la viscosidad varía poco dentro de las temperaturas de trabajo que aparecen.

Adiciones: Los aceites normales se mejoran frecuentemente mediante adiciones químicas, y estos llamados aditivos rodean las distintas partículas de aceite y retardan su descomposición. Las partículas de hollín se aíslan y ya no pueden aglomerarse en un sitio, quedando en equilibrio en el líquido y se quitan en el siguiente cambio de aceite, con lo que el motor queda siempre limpio y tiene una mayor vida.

Otros materiales fijan de nuevo el oxígeno e impiden una corrosión de las superficies de deslizamiento. El aceite tiene también una mayor resistencia y puede cargarse ahora más fuertemente. Estos aceites aparecen en el mercado como aceites de alto rendimiento. (Heavy Duty = HD).

Para el engrase de mezcla se han descubierto aceites que se mezclan bien con el combustible y se queman en el motor casi sin dejar residuos.

Al aceite de engrase se le añaden también algunas veces sustancias cristalinas como grafito y bisulfito de molibdeno (MoS2) cuyos materiales rellenan los finos poros en el material y alisan simultáneamente la superficie, formándose un delgado recubrimiento que soporta tanto altas temperaturas como elevadas presiones y que protege las superficies de deslizamiento de la destrucción por falta de engrase. Los materiales cristalinos se adaptan bien para el rodaje de los motores, pero se agregan al aceite de engrase sólo en pequeñas cantidades (10 a 20 cm3 por litro de aceite).

Designaciones: Los aceites de engrase llegan al comercio con diferentes designaciones, que en general se ajustan a la carga de los motores, y así, por ejemplo, hay aceites de engrase para cargas ligeras (ML), medias (MM) y pesadas (MS). Para los motores diesel hay en cambio un aceite para esfuerzos normales (DG) o pesados (DS).

Los aceites de transmisiones se ajustan según la presión de las piezas de los motores y se dividen en aceites de alta y muy alta presión.

Los ingenieros americanos de automóviles (Society of Automotive Engineers = SAE) han dividido además los aceites de engrase según su zona de temperatura, en diferentes clases (figura 19).

Sin embargo, estas designaciones indican sólo una determinada viscosidad básica y los aceites de engrase de una clase pueden comportarse, pues, de manera completamente distinta durante el trabajo (figura 20). Un aceite ligero puede reconocerse en el número bajo y uno espeso en el número elevado, pero los aceites resistentes al frío están designados además con (w).

Los aceites de varias zonas abarcan varias clases, adaptándose bien a grandes oscilaciones de temperatura y evitan así un cambio de la marca de aceite.

Los aceites de rodaje y de lavado son muy fluidos y después de breve tiempo tienen que cambiarse por el aceite normal.

Conservación de la instalación: en el engrase por circulación se emplea siempre de nuevo el mismo aceite, con lo que no sólo se disminuye la provisión de aceite, sino que éste se vuelve poco a poco cada vez peor y ya no tiene el efecto de engrase deseado. El nivel de aceite tiene que controlarse periódicamente.

Consumo de aceite: el consumo de aceite depende, en esencia, del estado de ajuste de los motores, pues los segmentos y las guías de válvulas, al correr del tiempo, dejan pasar demasiado aceite, que se quema con el combustible y se fija como carbonilla en la cámara de combustión. Algunas veces se forma en el escape una bandera oscura de aceite (figura 21), y cuando hay una junta defectuosa de las piezas del motor, salen al exterior algunas gotas y en el trayecto dejan detrás de sí una huella de aceite.

Como mejor se comprueba el consumo de aceite es con una varilla graduada, que indica el nivel de aceite en el bloque del cigüeñal, cuyo nivel debe estar situado siempre dentro de ambas marcas hechas sobre la varilla, y en caso contrario hay que rellenar la cantidad correspondiente del mismo aceite.

Los motores consumen, en general, aproximadamente 0,1 a 0,2 litros de aceite por 100 km. de trayecto, y si hay un consumo más elevado, en casos dados, hay que poner segmentos nuevos y guías de válvulas, así como estancar mejor los sitios de salida.

Sin embargo, el consumo de aceite no se puede disminuir mediante aceite más pesado o adiciones especiales, pues éstas sólo impiden la circulación del aceite y aceleran el desgaste de las piezas de los motores.

Cambio de aceite: bajo la influencia del calor, el aceite de engrase se une fácilmente con el oxígeno del aire, absorbiendo, además, en la combustión, los materiales liberados, como hidrógeno y azufre. Algunas veces llegan también partículas líquidas del combustible al bloque del cigüeñal y simulan un menor consumo de combustible (figura 22), pero además de esto, están las partículas de polvo y de la abrasión. El grado de suciedad se puede reconocer ya por los residuos que dejan algunas gotas de aceite sobre un trozo de papel de filtro (figura 23).

Puesto que el filtro no sólo retiene todos los cuerpos extraños, sino que poco a poco influye en el efecto de engrase del aceite, hay que cambiar todo el aceite del motor después de un cierto tiempo.

Lo mejor es ajustarse a la carga de los motores (figura 24), siendo necesario el cambio de aceite antes con trayectos cortos que con trayectos largos, y en invierno es igualmente recomendable cambiar antes el aceite.

Lo mejor es cambiar el aceite después de un largo recorrido, pues, entonces está lo suficientemente batido y no queda colgado en el motor. Éste se puede enjuagar también con aceite ligero de la misma calidad, pero hay que quitarlo después de algunos minutos y reemplazarlo con el aceite de motores prescrito.

El siguiente cambio de aceite y la calidad del mismo se anota en un apéndice.

En lugar del aceite normal no se puede poner sin más un aceite de alto rendimiento (HD), pues las materias eficaces en este aceite dejan poco a poco residuos en el motor y se ponen en circulación obturando entonces todos los filtros y canales. El aceite de alto rendimiento hay que cambiarlo después de una marcha mucho más corta, e invertir así poco a poco el motor a este aceite.

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