Mecanismo de biela-manivela: principio de funcionamiento, diseño, mecanizado CNC y aplicaciones.

Casi todas las máquinas que nos rodean funcionan con una fuente de energía. El tipo de movimiento que genera dicha fuente puede no ser útil tal cual. Por ejemplo, un motor de corriente continua (CC) produce un movimiento rotatorio. Sin embargo, un compresor necesita un movimiento lineal alternativo. Por lo tanto, debe existir un mecanismo que convierta el movimiento rotatorio en movimiento lineal y viceversa. ¡El mecanismo de biela-manivela es ese mecanismo!  

¿Qué es un mecanismo de biela-manivela?

El mecanismo de biela-manivela se utiliza en diversas máquinas a nuestro alrededor. Convierte un movimiento lineal alternativo en movimiento rotatorio y viceversa. Consta de varios componentes, como la manivela, la biela y el deslizador. El movimiento se transmite de la manivela al deslizador o viceversa a través de la biela. Algunos ejemplos comunes de mecanismos de biela-manivela son los motores de combustión interna, las bombas de pistón y los compresores de aire.

Términos como biela-manivela, cadena de biela-manivela, mecanismo de yugo escocés y mecanismo de biela-manivela suelen confundirse. Sin embargo, existen algunas diferencias sutiles. Las tablas a continuación comparan estos términos.

Biela-manivela deslizante frente a cadena de manivela deslizante

Mecanismo de yugo escocés frente a mecanismo de biela-manivela deslizante

¿Cuáles son las partes de un mecanismo de biela-manivela?

Las partes principales de un mecanismo de biela-manivela son la manivela, la biela, el deslizador y el bastidor. Otros componentes auxiliares incluyen cojinetes, casquillos, pasadores, juntas y guías. El mecanismo de biela-manivela se acciona mediante el montaje completo de estos componentes, colocados en posiciones precisas.

Partes básicas de un mecanismo de biela-manivela

Manivela

La manivela es un componente giratorio del mecanismo de biela-manivela. Posee un pasador de manivela desplazado del centro del eje. De esta forma, al girar, se genera un movimiento angular en la biela conectada, y viceversa. Este movimiento constituye la base para convertir el movimiento rotatorio en movimiento lineal alternativo.

Biela

En un mecanismo de biela-manivela, la biela conecta la manivela con el deslizador, transfiriendo el movimiento de la manivela al deslizador. Lo contrario también es cierto. Por lo tanto, esta transmisión de movimiento también convierte el movimiento rotatorio en movimiento lineal y viceversa.

Control deslizante

El deslizador se mueve hacia adelante y hacia atrás dentro del marco. O bien se mueve y transmite el movimiento a la biela, o bien es movido por el movimiento transmitido a través de la biela.

Marco

Es la estructura rígida que soporta los componentes de un mecanismo de biela-manivela. Cuenta con puntos de montaje fijos para los pivotes y una trayectoria lineal para el deslizador.

Otras piezas auxiliares

Pasadores y uniones

Los pasadores y las articulaciones conectan la manivela, la biela y el deslizador. Forman pivotes alrededor de los cuales giran las piezas. El movimiento se transmite de una pieza a otra a través de estas articulaciones.

Rodamientos

Los cojinetes ayudan a reducir la fricción entre superficies que giran de forma relativa. Normalmente, se instalan entre los pasadores y sus alojamientos. Algunos puntos experimentan únicamente cargas radiales, en cuyo caso se utilizan cojinetes de bolas de ranura profunda. Por otro lado, en zonas como las bielas o las juntas deslizantes también se producen cargas axiales. Por ello, se pueden utilizar cojinetes de rodillos o de agujas.

Componentes de la guía

Los componentes de guía, como rieles guía, guías, cilindros, bujes o superficies mecanizadas, ayudan a guiar las piezas móviles durante el movimiento.

Componentes de sellado

Las juntas mantienen las piezas selladas. Por un lado, protegen contra el polvo y los productos químicos. Por otro lado, evitan las fugas de lubricantes en zonas cerradas, como los cilindros o pistones de un motor de automóvil.

¿Cómo funciona un mecanismo de biela-manivela?

Como se describió anteriormente, la función principal de un mecanismo de biela-manivela es convertir el movimiento rotacional en movimiento lineal alternativo y viceversa. A continuación, se explica paso a paso cómo funciona este mecanismo.

La manivela comienza a girar.

Una fuente externa, como un motor, acciona la manivela. Esta comienza a girar sobre su eje, lo que inicia el movimiento en la biela. Los elementos clave, como la geometría de la manivela, la ubicación del muñón y el orificio para el cojinete, determinan la eficacia de su funcionamiento.

La biela transfiere el movimiento.

El muñón del cigüeñal está desplazado del centro de rotación de la manivela. La biela se une a la manivela en el muñón. A medida que el muñón se mueve, también lo hace la biela, lo que provoca movimientos angulares. En esta etapa, los orificios de conexión, los alojamientos del muñón y las superficies de contacto son importantes. Es fundamental mantener las tolerancias correctas. De lo contrario, una holgura excesiva en las juntas puede provocar una carga desigual y un desgaste prematuro.

El control deslizante se mueve a lo largo de la guía.

Mientras la biela se mueve, transmite el movimiento a la articulación biela-corredera. Dado que la corredera está unida a la biela, debe moverse junto con ella. Sin embargo, la guía limita su movimiento, por lo que solo puede seguir una trayectoria lineal fija. En este caso, es necesario mantener una holgura calculada entre las superficies de contacto para evitar desplazamientos laterales y rotacionales no deseados.

El deslizador alcanza una posición justo en el centro.

Cuando la manivela completa una rotación, el deslizador alcanza su punto más alejado dentro del marco. Se detiene momentáneamente antes de invertir su dirección. Este movimiento es análogo a un ciclo de empuje y tracción. Los componentes involucrados experimentan cargas cíclicas, por lo que las piezas críticas deben ser capaces de soportar la fatiga. La alineación de las articulaciones también es importante.

La manivela sigue girando y el deslizador regresa a su posición original.

La manivela sigue girando. Sin embargo, debido al desplazamiento del muñón de la manivela con respecto a su centro, el movimiento del deslizador se invierte. Esta distancia de desplazamiento determina la longitud de la carrera. Normalmente, la longitud de la carrera es el doble de esta distancia.

¿Cuáles son los principales tipos de mecanismos de biela-manivela?

Las categorías principales incluyen dos tipos: mecanismo de biela-manivela en línea y mecanismo de biela-manivela descentrado. La principal diferencia radica en la posición del recorrido del deslizador. Debido a esta diferencia, se producen variaciones en el movimiento. Dependiendo de la aplicación, se puede utilizar el tipo de mecanismo de biela-manivela más adecuado.

Mecanismo de manivela deslizante en línea

Como su nombre indica, en un mecanismo de biela-manivela en línea, el eje central del deslizador pasa por el eje del cigüeñal. Por lo tanto, el deslizador se mueve hacia adelante y hacia atrás a lo largo del mismo eje central. Esta disposición simétrica produce un movimiento alternativo predecible. Las carreras de avance y retroceso tienen la misma velocidad y movimiento.

Mecanismo de manivela deslizante descentrado

En un mecanismo de biela-manivela descentrada, el eje central de la corredera se encuentra desplazado con respecto al eje del cigüeñal. Debido a este desplazamiento, existe una diferencia en el movimiento entre las carreras de avance y retroceso. Esta diferencia puede aprovecharse. Por ejemplo, en la industria del embalaje, la carrera de avance puede ser constante, mientras que se requiere una retracción rápida en la carrera de retroceso. En un mecanismo de biela-manivela descentrada, la magnitud de las fuerzas laterales puede ser elevada. Por lo tanto, es necesario un alineamiento preciso y un ajuste adecuado.

¿Qué factores de calidad de las piezas afectan al funcionamiento de la biela-manivela?

Garantizar la calidad de cada componente del mecanismo de biela-manivela es fundamental. Incluso las fallas menores pueden causar grandes problemas en el funcionamiento de este mecanismo. Algunas fallas pueden incluso provocar daños permanentes. Por lo tanto, es imprescindible verificar la calidad de las piezas críticas.

Ajuste de pasador y orificio

La holgura entre el pasador y el orificio determina el ajuste correcto. Si la holgura es excesiva, provocará vibraciones, aflojamiento o cargas de impacto. Si la holgura es insuficiente, el movimiento del pasador se verá restringido. Por lo tanto, se necesita una holgura óptima para un ajuste adecuado.

Posición y alineación de los orificios

La precisión en la posición de los orificios es fundamental para una correcta alineación. Si la posición de los orificios es incorrecta, el ángulo de la biela podría desajustarse. Esto puede provocar cargas laterales excesivas y un desgaste prematuro.

Ajuste del deslizador y la guía

El ajuste entre el deslizador y la guía garantiza un movimiento suave. Si el ajuste no es correcto, se generarán tensiones laterales indeseadas. Estas tensiones no solo interrumpen la suavidad del movimiento, sino que también pueden dañar las piezas móviles.

Alineación de ejes y cojinetes

Una alineación incorrecta del eje y el cojinete altera la distribución de la carga. Las cargas desiguales pueden dañar el cojinete. En algunos casos, incluso la circularidad del asiento del cojinete puede verse afectada. Sobre todo, esta desalineación puede comprometer la funcionalidad misma del mecanismo de biela-manivela.

Calidad de la superficie y los bordes

Las rebabas en los bordes mecanizados alteran las dimensiones. Por ejemplo, un orificio puede parecer de menor diámetro del que realmente tiene. Esto modifica la holgura entre las superficies. Otras irregularidades superficiales también dificultan el funcionamiento del mecanismo de biela-manivela.

¿Cómo garantiza el mecanizado CNC un funcionamiento fiable de la biela-manivela?

Las piezas mecanizadas por CNC se caracterizan por su excelente precisión y exactitud. Al requerir muy poca intervención humana, se minimizan las posibilidades de errores. Cada pieza se fabrica a partir del mismo diseño CAD con el mismo proceso, lo que garantiza una calidad uniforme.

Pasador de control y ajuste del orificio

El mecanizado CNC permite producir pasadores y orificios con una precisión muy alta. La exactitud dimensional que ofrece es superior a la de otros procesos de fabricación. Características como el diámetro, la redondez y la tolerancia son cruciales para que el diseño se ajuste correctamente. Una holgura y concentricidad adecuadas contribuyen a una rotación suave y evitan un juego excesivo.

Alinear agujeros y ejes

Los orificios y ejes creados mediante mecanizado CNC alcanzan precisión dimensional, posicionamiento exacto, concentricidad y perpendicularidad. Al reducirse los errores de posicionamiento, se espera que el mecanismo de biela-manivela funcione de manera eficiente.

Geometría del deslizador y la guía de la máquina

El deslizador y la guía deben mantener la rectitud y el paralelismo. La holgura entre el deslizador y la guía debe ser óptima y constante. El fresado CNC crea deslizadores y guías con una precisión muy alta, lo que permite evitar movimientos laterales no deseados.

Acabado de superficies y bordes en contacto con el suelo

La rugosidad controlada y los bordes limpios son fundamentales para optimizar el comportamiento de fricción de las piezas móviles. Una fricción excesiva puede provocar desgaste, mientras que una fricción muy baja puede causar deslizamiento. Por lo tanto, es necesario preparar adecuadamente la superficie de contacto. Para ello, se pueden utilizar procesos de desbarbado, rectificado, bruñido o pulido.

Características de lubricación de la máquina correctamente

Las características como los conductos de lubricación, los orificios, las ranuras y las cavidades están diseñadas para facilitar el flujo del lubricante. Sin embargo, es necesario diseñarlas y fabricarlas correctamente. El mecanizado CNC produce estas características con una excelente precisión dimensional. Por lo tanto, el flujo de lubricante se mantiene constante durante el funcionamiento.

¿Dónde se utilizan los mecanismos de biela-manivela?

Los mecanismos de biela-manivela se utilizan en diversas aplicaciones a nuestro alrededor. Desde la automoción hasta la maquinaria industrial, pasando por la construcción y el conformado de metales, este mecanismo tiene un uso muy extendido. Veamos brevemente algunas de sus aplicaciones.

Fabricación de automóviles y motores

El ejemplo más destacado de un mecanismo de biela-manivela en motores de automóviles es el motor de combustión interna. El movimiento alternativo de los pistones se convierte en movimiento rotatorio mediante la manivela. Esto acciona la dinamo para generar corriente eléctrica.

Automatización industrial y embalaje

Muchos sistemas de automatización industrial utilizan el mecanismo de biela-manivela. Tomemos como ejemplo el envasado de productos. Los brazos oscilantes pueden cortar el embalaje, alimentar las bolsas y prensar los paquetes.

Maquinaria agrícola y de construcción

Si alguna vez ha observado cómo se hincan los cimientos en una obra, sabrá que se utiliza una herramienta de hincado alternativo. La herramienta avanza para golpear el suelo, luego retrocede y vuelve a golpearlo. Este ciclo se repite continuamente.

Industria de conformado y prensado de metales

El conformado de metales requiere un movimiento lineal alternativo para dar forma, perforar, estampar y troquelar láminas de metal. Un motor impulsa el deslizador hacia adelante y hacia atrás para esta operación.

¿Cómo admite Tuofa los proyectos personalizados de manivelas deslizantes?

En Tuofa ofrecemos todo tipo de personalización para componentes de biela-manivela. Podemos fabricar piezas con un pedido mínimo bajo. Solo se necesita un archivo CAD. Nuestro equipo de ingeniería ofrece asistencia en tiempo real para el diseño y fabricación (DFM).

Piezas de manivela deslizante simple personalizadas

Las piezas individuales se pueden fabricar mediante mecanizado CNC. Por ejemplo, si solo se necesitan reemplazar los deslizadores, podemos suministrarlos. Lo mismo aplica para otras piezas. Las piezas se pueden fabricar según el diseño del cliente.

En un mecanismo de biela-manivela, es posible que sea necesario reemplazar componentes individuales por diversas razones, como por ejemplo:

• daños a una pieza existente
• mejoras de diseño
• prueba funcional
• la necesidad de un pequeño lote de componentes de repuesto

Para piezas de repuesto a medida, Tuofa fabrica componentes según los planos del cliente, prestando especial atención a las dimensiones y tolerancias críticas. Desde el punto de vista de la fabricación y los costes, también podemos revisar los planos y sugerir ajustes de diseño que mejoren la maquinabilidad y reduzcan los costes de producción sin comprometer la funcionalidad prevista de la pieza.

También ofrecemos servicios de creación de prototipos. Los clientes pueden comenzar con una pequeña cantidad de piezas de muestra para verificar el ajuste, el ensamblaje y la funcionalidad general antes de proceder con la producción en serie.

Conjuntos completos de componentes de manivela deslizante personalizados

Es posible fabricar conjuntos completos de todos los componentes de un mecanismo de biela-manivela. Este método ofrece la ventaja de que permite comprobar el ajuste de los componentes y, si es necesario, modificar las dimensiones según las especificaciones del cliente.

Cuando varios componentes personalizados de un mecanismo de biela-manivela deben funcionar juntos como un conjunto, que sean fabricados por el mismo proveedor ayuda a mantener un mejor control sobre las interfaces críticas y las condiciones de acoplamiento. Esto incluye:

• Ajuste de pasador a orificio
• Alineación del orificio de la biela
• Espacio libre entre el deslizador y la guía
• Ajuste del eje al cojinete
• Alineación del orificio del cojinete
• Dimensiones de acoplamiento
• Previsiones para tratamientos superficiales

Los clientes suelen proporcionar modelos 3D o dibujos de las piezas individuales, junto con planos de montaje u otra documentación que defina las relaciones necesarias entre los componentes que se acoplan.

Gracias a su experiencia en mecanizado de precisión y ensamblaje, Tuofa puede gestionar tanto la fabricación de piezas como el ensamblaje final dentro del mismo proyecto. Esto permite abordar posibles problemas de ajuste, tolerancia o ensamblaje en un solo lugar, reduciendo la necesidad de coordinar con un proveedor de ensamblaje externo o de realizar el ensamblaje internamente. Además, simplifica la comunicación, acorta el flujo de trabajo general del proyecto y reduce el tiempo y el esfuerzo necesarios para transformar el mecanismo de piezas individuales en un ensamblaje completo.

Inspección de ajustes y características críticas para el movimiento.

Tuofa cuenta con un departamento de control y aseguramiento de la calidad (QA/QC) altamente desarrollado. Nuestros laboratorios están equipados con herramientas y equipos modernos para inspeccionar características de calidad como dimensiones, rugosidad superficial y dureza. Evaluamos no solo la calidad de cada componente individual, sino también el ajuste y la interacción entre las piezas durante el ensamblaje. Esto garantiza que el conjunto final funcione correctamente y esté listo para su uso.

Consejos prácticos de diseño para mecanismos de biela-manivela

Un diseño CAD puede parecer viable, pero es fundamental considerar su viabilidad de fabricación. Características como un radio interno reducido o cavidades profundas son difíciles de fabricar y, además, pueden resultar totalmente innecesarias. Por lo tanto, conviene consultar con la fábrica de mecanizado sobre el diseño con antelación.

Utilice referencias comunes para las características de apareamiento.

Garantiza la alineación y reduce los errores de posición. En el mecanizado CNC se pueden utilizar referencias como el eje del cigüeñal y la superficie de la guía deslizante.

Evite características difíciles, profundas y estrechas.

Las características profundas requieren herramientas de mayor longitud. La probabilidad de desviación de la herramienta y los consiguientes errores dimensionales es alta. Del mismo modo, las características estrechas requieren un posicionamiento preciso de herramientas pequeñas. Si las características profundas y estrechas no son necesarias, deben evitarse.

Utilice radios de esquina internos prácticos

En el diseño se debe tener en cuenta la facilidad de fabricación de las piezas. Los radios de esquina internos pequeños suelen ser muy difíciles de fabricar. Esto no solo aumenta el tiempo de entrega, sino que también genera una mayor tasa de rechazo. Todo esto puede incrementar considerablemente el costo de las piezas.

Conclusión

El mecanismo de biela-manivela se utiliza en muchas máquinas comunes. La conversión de movimiento rotatorio a movimiento lineal alternativo, y viceversa, es de suma importancia en motores, bombas, compresores, equipos de embalaje y prensas. Para lograr una alta eficiencia, las piezas del mecanismo de biela-manivela deben ser muy precisas. El mecanizado CNC es un proceso de fabricación común para la creación de estas piezas.

Preguntas Frecuentes

¿Cómo diseñar un mecanismo de biela-manivela?

En primer lugar, es necesario definir el objetivo. A continuación, se define la posición de la fuente de alimentación. Posteriormente, se gestionan parámetros de salida como la longitud de carrera, la velocidad de carrera y la fuerza, modificando la geometría y la alineación de las piezas.

¿Por qué se atasca un mecanismo de manivela deslizante?

La fricción excesiva, la desalineación, las tensiones desiguales y la poca holgura son las causas principales.

¿Por qué hace ruido un mecanismo de biela-manivela?

El ruido excesivo puede deberse al roce indeseado de las piezas entre sí.

¿Qué archivos se requieren para fabricar piezas personalizadas para manivelas deslizantes?

Los archivos CAD y CAM son necesarios para la fabricación.