¿Por qué es difícil arrastrar las bielas?

tl dr: Arrastrar el motor es menos difícil para las bielas que para otras partes del motor.

Las partes del motor tienen su propia fuerza. Algunas partes son más fuertes que otras. Cada parte tiene su propio trabajo y su propia esperanza de vida. Cuando carga un motor, está desgastando prematuramente todas las partes del motor, pero ese desgaste no es igual entre las partes.

Arrastrar el motor es principalmente difícil para el conjunto giratorio del motor. Las partes que reciben los golpes más duros son las partes blandas del motor, sobre todo los cojinetes y los anillos.

• Los rodamientos pueden sufrir más. Cuando carga el motor, tiene RPM más bajas, lo que significa menos flujo de aceite. Dado que hay menos flujo de aceite, existe una tendencia a que el muñón del cigüeñal en las bielas aplaste todo el aceite disponible y que realmente entre en contacto con la superficie del cojinete. Cada vez que esto sucede, crea más desgaste. Si se arrastra durante un período prolongado de tiempo, lo empeora aún más. Una vez que se produce un desgaste antinatural como este, el rodamiento se deforma ligeramente, lo que permite que se escape más aceite, lo que hace que el arrastre sea más perjudicial, lo que... con suerte se hará una idea.
• Los anillos de pistón son los siguientes más afectados porque sellan el pistón en el cilindro. Los anillos son criaturas frágiles. En situaciones de abuso, pueden romperse. Esto normalmente ocurriría en los anillos de compresión superiores, pero si el arrastre fuera lo suficientemente severo, también podría ocurrir en los anillos de compresión secundarios. Cuando se rompe un anillo, se produce una pérdida de compresión en ese cilindro, lo que reduce el rendimiento. Cuando esto sucede en un solo cilindro, se produce un desequilibrio de potencia dentro del motor que crea sus propios problemas.

La siguiente parte del conjunto giratorio que recibe una paliza son los pistones. Si bien los pistones son fuertes, no son indestructibles. La mayoría de los motores más nuevos usan pistón hiperuetécticotecnología. Básicamente, el pistón está hecho de una aleación de aluminio, algo que se ha hecho durante muchos años. Los pistones de aluminio forjado fueron el pilar de la tecnología de carreras principalmente debido a su resistencia sobre los pistones de aluminio fundido. Su principal inconveniente era que incurrían en una expansión térmica a un ritmo mayor que los pistones fundidos. Para hacer funcionar el pistón forjado, tenía que dejar más espacio entre el pistón y las paredes del cilindro. Esto permitió más golpes de pistón hasta que el pistón se expandió a su tamaño de funcionamiento y las cosas se calmaron. Esto no era bueno para los automóviles de pasajeros, ya que los propietarios no podían lidiar con el ruido (en segundo lugar, el gasto también era mayor).

En algún momento, esos genios de la ingeniería descubrieron que al usar una aleación de aluminio hiperuetéctica, una con una mayor cantidad de silicio en el aluminio de la que el aluminio puede absorber, se crea una aleación mucho más fuerte. Los pistones hiperuetécticos se utilizan porque son más estables dimensionalmente que los pistones forjados y son mucho más resistentes que los pistones eutécticos o hipoeutécticos . La desventaja de tener una aleación más fuerte es que es más propensa a romperse cuando se encuentra bajo una carga de alto impacto. Esto es realmente evidente cuando se usa óxido nitroso (NO ₂ ) en aplicaciones de rendimiento. Por lo tanto, no se recomienda utilizar este tipo de pistón cuando se utiliza NO ₂ . En cuanto a arrastrar el motor, proporciona muchas de las mismas tensiones en el pistón que el NO ₂. Hay un efecto de martilleo distintivo en el pistón que puede causar fallas. En el libro de Carroll Smith Engieer to Win , afirma (pág. 101):

En pocas palabras, bajo estrés repetido (cíclico en lugar de continuo), la capacidad de un metal para soportar el estrés disminuye gradualmente y, en la mayoría de los casos, no se puede restaurar. Los metales que están sujetos a cargas fluctuantes pueden romperse después de un número finito de ciclos de carga (o, más exactamente, ciclos de tensión) en los que las cargas aplicadas y las tensiones resultantes impuestas están siempre por debajo de la resistencia última del metal. Este tipo de falla se denomina falla por fatiga .

(NOTA: detallo esto más en una respuesta sobre los elevadores de estrés )

Más adelante en el libro, Carroll Smith describe que las piezas que se fabrican para manejar la tensión pueden hacerlo casi indefinidamente si las tensiones que se les aplican están por debajo del umbral diseñado. Una vez que supera el umbral diseñado, la pieza normalmente no fallará de inmediato, pero las tensiones se sumarán con el tiempo. A medida que las cargas de tensión aumentan por encima de los valores de ingeniería, la acumulación de tensión se produce a un ritmo mayor hasta que la pieza llega a fallar. (es decir: una pieza puede soportar 10 000 ciclos de tensión con una carga dada, pero duplica esa tensión y puede que solo pueda soportar 10 ciclos de tensión). Además, recuerda que este es un efecto acumulativo: una parte sometida a abuso no se curará sola .

Aquí hay una escala que describe de qué está hablando Carroll Smith (copiada del libro, página 109, figura 93):

( NOTA: El gráfico anterior se usa específicamente para aleaciones de metales ferrosos específicos, pero las ideas generales que se presentan a través del gráfico se pueden usar para describir cómo se comportará cualquier metal bajo tensión).

¿Cómo se traduce esto en el pistón? Bueno, se traduce en todas las partes del motor en una situación de carga, pero afecta más al pistón porque no está construido para manejar las tensiones que crea la carga. No fallará de inmediato, pero tenga en cuenta que cada vez que carga un motor, acerca esa parte a la falla más rápido. El área principal de un pistón que podría fallar son las superficies de los segmentos. Esta es la parte del pistón que soporta los anillos. La siguiente parte que ve estas tensiones es el pasador, donde la biela se une al pistón. Esta es un área de menor preocupación, principalmente porque está diseñada para manejar mucho estrés. Las tierras del anillo son mucho más susceptibles principalmente porque no son tan gruesas.

Las siguientes dos áreas de preocupación son las bielas (o bielas para abreviar) y el cigüeñal. La razón por la que estos son preocupantes es porque son parte del conjunto giratorio. La razón por la que están más abajo en la lista de preocupaciones es porque estas piezas están diseñadas para soportar estas tensiones mejor que las piezas descritas anteriormente . Las varillas y el cigüeñal, aunque fuertes, también están diseñados para flexionarse . Esta flexión (llamada deformación elástica ) les permite deformarse ligeramente y volver a sus formas normales. Esto les ayuda a absorber las tensiones a las que están sometidos una y otra vez sin deformación plástica.. La deformación plástica de una biela generalmente ocurre porque las tensiones que se les imponen exceden su límite de ingeniería. Las varillas fallan principalmente por dos razones:

• Sus pernos de biela fallan a altas revoluciones
• La falta de lubricación en el rodamiento crea arrastre en la varilla, lo que la expone a fuerzas de torsión que causan deformación plástica.

Claro, si se produce suficiente carga, tendrá un efecto perjudicial. El problema es que otras partes van a fallar antes que la varilla . Estas otras fallas de las piezas (por lo general, los cojinetes) pueden inducir la falla de la varilla, pero esto es un subproducto de la falla de la pieza original y no debido al arrastre en sí.

El cigüeñal, al igual que las bielas, sufre mucho abuso, pero generalmente puede soportar el abuso debido a la forma en que está construido. Está destinado a tener una deformación elástica y recuperar su forma original. Si no fuera así, ganaría elevadores de estrés y moriría muy rápidamente.

Otras partes del motor que sufren desgaste debido a la carga son:

• Paredes del cilindro : durante el arrastre, se aplica una carga lateral adicional sobre el pistón, lo que lo fuerza contra las paredes del cilindro. Esto crea más desgaste y rozaduras, lo que puede hacer que los cilindros pierdan la forma redonda (también raya las faldas del pistón).
• Correa/cadena de distribución: el arrastre crea una sacudida adicional en la correa/cadena, lo que también tiene un efecto acumulativo general en estas partes.