Historia y diseño de los pistones

En los últimos 20 años los motores han sufrido grandes cambios, mayores a los de décadas anteriores. Los pistones antiguos se usaban principalmente en motores de aspiración normal, y su diseño se basó mucho en la experiencia y en diseños anteriores.

Los motores modernos están más propensos a sobrealimentarse con prestaciones de potencia específica más altas y esto muestra mayores demandas al pistón. Esas demandas se deben enfrentar en una multitud de frentes.

Para los desarrolladores de pistones,además de enfocarse en cualquier área específica de investigación, ahora tienen que pensar en el diseño, materiales, procesos de manufactura, reducción de la fricción, etc. Todo esto para el desarrollo de nuevas tecnologías que soporten las demandas del mercado.

Desarrollo del pistón

El desarrollo de los pistones es un reto para los fabricantes, el cambio en la reología de los lubricantes, el manejo del rendimiento térmico, el control de la fricción y un cambio total en la tribología.

Los motores actuales son motores diferentes, con mayor presión y calor, motores sobrealimentados, con un ambiente más hostil para el pistón y las piezas internas. El diseño debe luchar por mantenerse adelante en términos de composición y reducción de la fricción.

La mayoría de los materiales de pistón, los métodos de producción y las dimensiones en uso hoy en día han sido trabajadas por más de un siglo, pero la evolución del motor alrededor del pistón ha cambiado los materiales que utilizamos y cómo los utilizamos.

Los primeros Pistones

A través de la década de 1950, la mayoría de los motores utilizaron algún tipo de hierro fundido o de pistón de acero, esencialmente el mismo material que el bloque del motor. Los motores más antiguos utilizaron pistones de un  material duradero y de bajo costo pero pesado, ya que generalmente funcionan a bajas relaciones rpm y compresión.

El bajo número de revoluciones generaba menor estrés sobre las bielas, permitiendo que los ingenieros utilizaran pistones más pesados sin temor a que se rompieran las bielas.  Las relaciones de compresión bajas redujeron la presión en los cilindros, aunque las aceleraciones eran más débiles.

Los motores más antiguos tendían a utilizar ranuras de los segmentos más espaciadas en parte debido a las presiones de los cilindros inferiores y en parte por los materiales que se utilizaban en el momento, pero sobre todo porque el bajo peso al pistón no era una prioridad alta en el momento.

Los años 60 fueron, en su mayor parte, un período de refinamiento y la lenta evolución en lugar de revolución.

Algunos de los mayores cambios en el diseño y los materiales de pistón se produjeron durante los años 1970 y 1980 como resultado de las emisiones cada vez más estrictas y los mandatos de economía de combustible.

Los pistones de aluminio con un alto contenido de silicio debutaron en la década de 1970. Un mayor contenido de silicio reduce la expansión del pistón y la absorción del calor, lo que permite un ajuste mucho más estrecho entre el pistón y el orificio y un bache en potencia y eficiencia. La desventaja es que el silicio, siendo básicamente de vidrio, hace que el HTP más frágiles y propensos a dañarse cuando se someten a la detonación y la preignición.

Diseño del pistón

Los pistones tienen nueve partes y secciones. La parte superior del pistón técnicamente se llama la corona; por debajo de esto están las ranuras de los segmentos en los cuales se ubican los anillos de los pistones.

Las áreas elevadas entre las ranuras de los anillos se llaman las tierras. A continuación, el conjunto de anillos es el orificio del pasador de pistón. El pasador del pistón (llamado bulón) pasa a través de este agujero y pasa a través de la biela. Alrededor del pasador del pistón hay pines que soportan sus extremos. La parte inferior del pistón se llama la falda.

Hipereutéctica de Pistones

Todos los pistones que se encuentran en el mercado contienen un porcentaje de silicio en su composición para darles un mayor nivel de resistencia al calor.Estos pistones identificados con el prefijo “H” son manufacturados bajo una formulación metalúrgica especial que permite agregarle una mayor cantidad de silicio, logrando por este proceso una expansión molecular uniforme de estos elementos, posteriormente reciben un tratamiento térmico que les permite obtener características de fuerza, resistencia y control de la dilatación a temperaturas extremas.

Pistones fundidos

El pistón fundido se moldea a partir de una aleación de aluminio fundido, que es arrastrada por el vacío en moldes de acero; sólo un mecanizado mínimo es necesario para terminar el pistón resultante. El proceso se llama coquilla por gravedad. La forma y el espesor de la pared están completamente controlados, pero el proceso es caro.

Pistones forjados

Los pistones forjados, tras verter el aluminio en un molde especial se someten a presiones que en algunos casos superan las 2.000 toneladas, eliminando así poros e impurezas las cuales minimizan la fiabilidad y el rendimiento en los pistones normales.

Si lo miramos por un microscopio todas las partículas de metal de un pistón fundido se podría decir “están una al lado de otra”. Las partículas del metal de un pistón forjado están mucho más comprimidas. Esto es lo que hace que los pistones forjados sean tres veces más fuertes que los demás.

Pistones de aluminio

Los pistones de aluminio fundido son comunes porque su proceso de fabricación es más simple y económico. Se vierte la aleación molida en el molde de la forma casi final. Una vez pasados por las máquinas pueden tener aplicaciones con rendimiento estándar.

Los pistones de aluminio fundido son más ligeros que los de acero o hierro, y ofrecen una mejor disipación del calor, facilitando relaciones de compresión más altas. Existen dos opciones en su construcción, aluminio forjado y aluminio fundido,  y juntos existen en la actualidad.

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