ELECCIÓN DEL ÁRBOL DE LEVAS Y PUESTA A PUNTO

Para la elección de un árbol de levas no solo hay que fijarse en los grados de apertura y alzada, hay holguras entre piezas del motor que pueden limitar su elección, eso y algunos conceptos básicos se van a tratar en este articulo. También se estudiara como poner a punto una distribución sin ningún tipo de marca entre el cigüeñal y las poleas, solo se necesita un reloj comparador con base magnética, un disco graduado, practica y un poco de lógica, veamos algunos conceptos muy básicos que ayudaran a comprender mejor el proceso y las limitaciones mecánicas que podemos encontrarnos.

-Leva.

Una de las partes mas importantes es la forma de la leva, su forma puede hacer que la válvula abra antes o después, más rápido o más despacio y que tenga más o menos alzada, en la imagen 1 se ven las partes de una leva.

Imagen 1

Demos una vuelta por la leva de la imagen 1 para ver mejor sus partes, el circulo base corresponde a la zona donde la válvula esta cerrada, cuantos más grados tenga el circulo base entre las dos rampas más tiempo estará la válvula cerrada, siguiendo el sentido de giro llegamos a la rampa de apertura que tiene una especie de escalón (exagerado en la imagen para verlo claramente),sirve para recuperar la holgura que pueda haber entre el taque y la leva, evitando así golpes al abrir y cerrar la válvula, después llegaría el flanco de subida que hace abrir la válvula, de su pendiente y radio  depende que la válvula abra más rápido o más despacio y por tanto su aceleración, siguiendo el sentido de giro llegamos a la cresta, punto en el que la válvula dejar de abrir, se queda unos grados en una apertura fija y empieza a cerrar por el flanco descendente, al igual que con el ascendente su pendiente y radio controla la velocidad de cierre de la válvula y su aceleración, después pasamos por la rampa de cierre y otra vez el circulo base donde la válvula esta cerrada por completo. Las levas que tienen los flancos iguales se llaman simétricas y las que tiene flancos diferentes se llaman asimétricas.

Para saber la alzada máxima de la leva basta con medir el diámetro del circulo base y restarle la medida que hay entre la base del circulo y la cresta, como se ve en la imagen 2.

Imagen 2

En caso de que la leva actúe directamente sobre el taque, la medida calculada es la alzada de válvula, cuando la leva actúa por balancín, bien directamente o bien por varilla, el balancín bascula por el eje del agujero y abre la válvula, si el agujero no esta centrado con los empujadores la válvula se abre más o menos de la alzada de leva, en la imagen 3 entre el empujador de válvula y el agujero hay 25 mm y entre el empujador de leva y el agujero hay 20 mm, la desmultiplicación del balancín hace que la válvula abra 25 / 20 = 1,25 veces mas que la alzada de leva, si la alzada de leva fuera de 10 mm, con esta desmultiplicación la válvula abre 12,5 mm, descentrando el agujero se puede variar la alzada de válvula y lo rápido que se abre y cierra, provocando mas o menos aceleración también.

Imagen 3

La medida tomada es la máxima alzada, pero para comprobar una leva con otra o para calar unas levas sin ningún dato hay que hacer un diagrama de alzadas, se trata de medir cada pocos grados de giro la alzada, como se ve en la gráfica 1:

Gráfica 1

Para hacer esta medición se pone el árbol de levas en su bancada de culata sin taques ni balancines, o en dos soportes en V para poder girar libremente, se coloca un disco graduado en un extremo del árbol de levas para leer los grados de giro y el palpador del reloj comparador se apoya en el circulo base de la leva, se gira despacio el árbol de levas hasta que se mueva la aguja del reloj y cuando la aguja empieza a moverse se pone un alambre marcando 0º en el disco graduado, a partir de ese punto se gira a mano el árbol de levas siempre los mismos grados, por ejemplo de 5º en 5º, y se apunta la medida del reloj comparador en cada 5º, al finalizar este procedimiento se tendrá la alzada de leva cada 5º. Las medidas se pueden introducir en una hoja de Excel y hacer una gráfica para comparar dos levas diferentes, como el ejemplo, en ella se puede ver que la alzada máxima de las dos levas es muy parecida, pero que la azul abre la válvula mas tarde y la cierra mas pronto, lo que nos indica que funcionara mejor en bajas RPM.

El elegir una leva por la máxima alzada no implica que sea mejor que otra con menos, en verdad lo que interesa es que abra y cierre las válvulas lo mas rápido que pueda soportar el sistema de distribución, la alzada de válvula deja de ser un impedimento para el paso de aire a entre 0,25 a 0,30 veces su diámetro, pasar de esos valores solo sirve para sobrecargar los muelles, las levas y los taques, lo que sucede es que para hacer que abra antes y cierre después se necesita que tenga mas alzada por fiabilidad.

-Alzada de válvulas en PMS.

Esta medida sirve para saber que alzadas tienen las válvulas con el pistón numero 1 en PMS y cruce de válvulas, normalmente se da el valor de alzada de cada válvula por separado, por ejemplo, 1,9 mm admisión, 1,7 mm escape. Al poner el pistón numero 1 en PMS y en cruce de válvulas, estas medidas corresponden a lo que debe estar abierta cada válvula.

-Holgura de válvula.

Los metales al calentarse se dilatan (aumentan de tamaño), esto también sucede con las válvulas, por eso se deja una distancia desde el taque hasta el balancín o leva, para que al calentarse y dilatarse no se queden las válvulas abiertas, la holgura en admisión es menor que en escape, debido a que por la admisión entra aire frió y por el escape salen gases muy calientes.

-Diagrama de distribución.

Ya se ha visto que las válvulas deben abrir antes y cerrar después, el diagrama dice cuantos grados abre y cuantos grados cierran las válvulas antes y después de PMS y PMI. Por ejemplo, un diagrama de 20-60-60-20 siguiendo el orden, la válvula de admisión abre 20º antes de PMS y cierra 60º después de PMI, la válvula de escape abre 60º antes de PMI y cierra 20º después PMS.

Los diagramas se pueden medir de dos maneras diferentes, por la norma SAE que considera que la válvula esta abierta o cerrada cuando la alzada es superior a 0,15mm, normalmente se usa 0,1mm, o como indican algunos fabricantes de árboles de levas que miden los diagramas a partir de 1mm de alzada, las diferencias en los diagramas midiendo de una forma o de otra son grandes y hay que tenerlo en cuenta cuando se comparan levas.

-Cruce de válvulas.

Hay un tiempo en el que las dos válvulas están abiertas a la vez, cuando termina la admisión y empieza el escape, es el cruce de válvulas y en el ejemplo anterior son 20º que abre la válvula de admisión antes de PMS y 20º que cierra la válvula de escape después de PMS, en total 40º de cruce de válvulas, se suele pensar que mucho cruce de válvulas es mejor a altas revoluciones, en parte es así por que para hacer que las válvulas abran antes y cierren después no queda otro remedio que aumentar el cruce, pero es una característica inevitable y que empeora el funcionamiento a bajas revoluciones, si se pudiera evitar se evitaría.

-Eje de simetría o centro de lóbulos.

Son los grados medidos desde la máxima apertura de la válvula de escape a PMS y de PMS a la máxima abertura de la válvula de admisión, suele estar entre 105 a 115 grados de giro del cigueñal para cada válvula, la mitad si se mide en las levas directamente.

Imagen 4

Si no se tiene ningún dato de los árboles de levas, esta será la mejor ayuda, se puede medir directamente de la leva, sólo hay que tener en cuenta que en la leva serán la mitad de grados que en el cigüeñal, o desde el taque si esta montado en el motor. En caso de medirlo con el motor montado primero es necesario eliminar toda holgura, si la hay, a continuación se busca un punto en que una de las válvulas estén cerradas, por ejemplo, supongamos que esta cerrada la válvula de escape, se coloca el palpador del reloj comparador en el taque marcando 0 mm, después se busca la máxima alzada de la leva haciendo girar el cigüeñal en el sentido de giro del motor y se coloca el disco graduado en el cigüeñal con un alambre marcando 0º, se sigue girando el cigüeñal hasta PMS anotando los grados que a recorrido desde la máxima alzada de la leva de escape hasta PMS, supongamos que han sido 110º, esos grados serán el eje de simetría de la leva de escape con PMS. Con la válvula de admisión se hace igual, pero en este caso hay que medir desde PMS a la máxima alzada de la leva de admisión, supongamos que han sido 110º, esos serán los grados del eje de simetría de la válvula de admisión con PMS. Se hace la media de las dos medidas y el resultado es el ángulo de apertura de la leva, en este caso:

(110º + 110º) / 2 = 110º

Una distribución esta adelantada cuando en PMS la válvula de admisión esta más abierta que la de escape y retrasada cuando es la de escape la que esta más abierta que la de admisión, esto es cierto en levas que sean simétricas, pero no tiene por que serlo en levas asimétricas, si fueran simétricas la distribución estaría centrada y las válvulas deberían estar abiertas por igual en PMS, pero si fueran asimétricas lo que de verdad dirá si están adelantadas o retrasadas es el ángulo de apertura, si el eje de simetría de la leva de admisión es mayor que el ángulo de apertura, esta retrasada y la diferencia en grados es el retraso. Una distribución adelantada hace que el motor funcione mejor en revoluciones bajas y medias, una retrasada hace funcionar mejor el motor en medias y altas revoluciones, se puede modificar un poco el comportamiento del motor adelantando o retrasando, si se juega con dos árboles de levas en vez de uno, se puede hacer un ajuste más fino.

-PMS del motor.

Lo normal es que el motor tenga alguna marca que nos indique cuando el pistón numero 1 esta en PMS y algún tipo de bloqueo para inmovilizar el cigüeñal en ese punto, de no ser así o simplemente si se quiere comprobar la exactitud de la marca de origen, se puede localizar de la siguiente forma.

Primero se hace descender el pistón del cilindro numero 1 hasta cerca de mitad de recorrido o más para no causar ninguna avería, se rosca un tornillo en el lugar de la bujía, debe entrar lo suficiente para que el pistón haga tope con él antes de PMS, , se pone el disco graduado en un extremo del cigüeñal y se gira hacia un lado el cigüeñal hasta que el pistón haga tope con el tornillo, con cuidado y despacio, no se trata de golpear el tornillo con el pistón, se trata de ver a que grados toca el pistón el tornillo, se apuntan los grados y se gira el cigüeñal en el sentido contrario hasta que el pistón haga tope con el tornillo otra vez y se apuntan los grados. La mitad de los grados que no a recorrido el cigüeñal, debe coincidir con la marca del motor para PMS, de no ser así, se debería hacer una marca en algún lugar visible para poder calar perfectamente la distribución.

-Holgura entre válvula y pistón.

Antes de elegir unos árboles de levas hay que comprobar si existe la holgura necesaria entre la válvula y el pistón en PMS, hay que tener en cuenta que un árbol de levas con más grados de apertura tendrá más abiertas las válvulas en PMS, antes de comprarlos se puede, o mejor dicho, se debe medir la holgura, sobre todo si se a rebajado la culata o el bloque. Para ello  se colocando el cilindro numero 1 en PMS con cruce de válvulas y se quita la correa o cadena, girando el árbol levas se hace que se cierre una de las válvulas de ese cilindro, hay que hacerlo por separado en admisión y escape, se pone un reloj comparador en el taque marcando 0 y se gira el árbol de levas hasta que la válvula toque en el pistón, la medida tomada es la holgura entre la válvula y el pistón. No se puede dar por sentado que las válvulas de admisión y escape tengan la misma holgura, pueden tener diferentes ángulos y seguro que diferentes diámetros, la holgura será diferente en cada una. 

Si el motor esta desmontado es más sencillo, basta colocar la culata con la junta sobre el bloque y dejar caer la válvula sobre el pistón en PMS, medir con el reloj comparador la distancia que recorre la válvula desde que toca el pistón hasta se cierra en el asiento.

La holgura mínima recomendable es de 1,5mm, pero cuanta más holgura mejor, en la imagen 5 se puede ver la holgura de válvulas con el pistón en PMS en un motor montado. 

Imagen 5

En caso de querer poner unos árboles de levas que superen la máxima holgura entre válvula y pistón que se mida, se puede hacer algunas modificaciones en partes del motor para aumente la holgura, una de ellas es hacer un hueco en la cabeza del pistón para aumentar el recorrido de la válvula, como se ve en la imagen 6.

Imagen 6

Se pueden hacer bien con una fresadora o con la misma culata, soldando a una válvula vieja una cuchilla de corte y haciéndola girar por su misma guía a mano o con taladro, hasta darle la profundidad que se necesite, si es posible quitar tanto material, hay que tener en cuenta que se esta debilitando la cabeza del pistón, es buena idea poner un tope en la cola de válvula por encima de la guía para hacer todos los huecos igual de profundos, aunque este proceso pueda parecer rudo, es más fiable que hacerlo en una fresadora, ya que el hueco lo hace la válvula siguiendo su propio recorrido mientras que en la fresadora se puede ir un poco a un lado o dar mal el ángulo de inclinación.

Otra solución es quitar material a los asientos de válvula, haciendo que la válvula asiente más abajo,se tendrá que quitar de la cola la misma medida que se a hundido el asiento para que quede a la misma altura, ya que al hundir el asiento la cola quedara mas alta, también hay que suplementar los platillos de los muelles para que queden con la misma compresión que antes, los prisioneros ahora estarán mas altos y la cazoleta que es la que sujeta el muelle también.

-FLOTACIÓN O REBOTE DE VÁLVULAS.

Unos árboles de levas para competición normalmente tienen más alzada y levantan las válvulas más rápido, eso provocara más inercia en las válvulas y en todas las piezas unidas a ellas en su movimiento que pueden traer serias averías. De la ecuación F = M * A, se puede deducir que si se hace cualquier modificación que altere la aceleración de la válvula como un perfil de leva diferente, variar la desmultiplicación del balancín o cualquier otra cosa, la fuerza que ejercerá la válvula sobre el muelle puede sobrepasar la fuerza que ejerce el muelle en su contra, provocando que el taque se separe del perfil de la leva en la zona de la cresta y el flanco de cierre, esta situación se conoce como flotación de válvulas y produce un golpeteo entre el taque y la leva que provocara un desgaste prematuro. También puede darse el caso de flotación simplemente por aumentar las revoluciones de funcionamiento del motor, el muelle no se pensó para esas revoluciones y el aumento de la aceleración de la válvula hace que se ejerza más fuerza de la que puede controlar el muelle.

Si aumenta la aceleración se puede compensar disminuyendo la masa de todas las piezas que se mueven con la válvula y la propia válvula, cazoletas, prisioneros, taques, incluso si los muelles tienen una parte más pesada por cualquier razón colocar esa parte en la zona de apoyo de culata en vez de en la cazoleta, todas estas piezas añaden masa al conjunto, si se reduce la masa proporcionalmente a la aceleración, la fuerza es la misma y se podrán usar los mismos muelles. Una ultima puntualización en cuanto a la masa, al poner válvulas mas grandes estas pesaran mas y por tanto hay que compensar con los muelles.

-CALAR LA DISTRIBUCIÓN CON LOS DATOS DEL FABRICANTE.

Lo normal es comprar unos árboles de levas y que el fabricante nos de todos los datos necesarios, con ellos se podrán calar los árboles de levas, por ejemplo:

Estos son los datos elegidos al azar de un fabricante de árboles de levas para un motor, con lo explicado hasta aquí y estos datos podemos hacernos una idea bastante clara de cómo quiere el fabricante calar la distribución, revisemos los datos.

-La holgura es de 0,0mm, en un motor con taques hidráulicos se supone que la holgura siempre es 0, en caso de que fuera un motor con holgura entre el taque y el balancín o leva, el fabricante nos informaría de la holgura que el considera necesaria.

-Apertura total de la válvula medida con la norma SAE, en este caso 256º en la admisión y escape, no siempre coincidirán, se fabrican también con diferente tiempo de apertura en admisión y escape. 

-Apertura total de las válvulas medidas a 1 mm de alzada, en este caso 230º.

-Alzada máxima de válvula, 10 mm para las dos, no siempre es la misma alzada para las dos válvulas, se pueden fabricar con diferentes alzadas.

-Alzada de leva, en este caso el árbol de levas actúa directamente en los taques, por lo que no hay ninguna desmultiplicación del balancín y la alzada de leva y de válvula es la misma.

-Eje de simetría, 110º para la admisión y 106º para el escape.

-Diagrama medido a 1 mm de alzada de válvula, es bueno comparar los diagramas de distribución de 0,1 mm y 1 mm, esto nos puede dar una idea de lo rápido que abre la válvula sin tener en nuestras manos el árbol de levas, en este caso solo nos dan al diagrama medido a 1 mm y no se puede comparar.

-Alzada de válvulas en PMS, el dato más importante para el calado, nos indica que la holgura debe ser 0 mm y que la válvulas en PMS deben estar abiertas 1,55 mm en admisión y 2 mm en escape.

El procedimiento que se va a explicar es valido para un sólo árbol de levas o para dos arboles de levas, pero en el ejemplo se usan dos arboles de levas, lo primero es prepara el motor para el calado, quitando las bujías para que el motor no tenga compresión y sea mas fácil girarlo, se desmontan los árboles de levas de serie y se coloca el cigüeñal en un punto que los pistones se queden a mitad de carrera, así las válvulas no podrán tocar el pistón al colocar los árboles de levas nuevos, se pone el nuevo árbol de levas de admisión con la leva del cilindro numero 1 a punto de empezar a empujar el taque para abrir, pero sin que llegue a abrir, la alzada debe ser 0, el árbol de escape se coloca con la leva del cilindro numero 1 terminando de cerrar, también sin ninguna alzada Es importante el detalle de abrir y cerrar, la leva de admisión en el cruce de válvulas debe estar empezando a abrir y todavía tiene que abrir por completo la válvula, pero el escape en el cruce de válvulas esta terminando de cerrar, la válvula empezó a abrir antes de PMI y ahora en PMS esta casi cerrada.

Imagen 7

Con la levas en la posición que se ve en la imagen 7  los árboles están casi en cruce de válvulas pero sin ninguna alzada, ahora se coloca el palpador del reloj comparador tocando el taque de una de las válvulas, admisión por ejemplo, para hacerlo preciso se tendría que colocar el reloj comparador en el mismo ángulo que la válvula, si se colocara vertical la válvula quedaría menos abierta de lo que indica el reloj por el ángulo, como estamos con el de admisión hay que girar el árbol de levas en la dirección de giro del motor para que la leva empiece a abrir la válvula, cuando el reloj comparador marque 1,55 mm estará en posición el árbol de admisión. Después se coloca el reloj comparador en el taque de la válvula de escape, a poder ser con el mismo ángulo que la válvula, se gira el árbol de levas pero esta vez en sentido contrario al giro del motor, antes se había colocado el árbol terminando de cerrar y sin ninguna alzada, ahora se debe girar en sentido contrario para que la leva se coloque en la posición correcta, cuando el reloj nos marque 2 mm estará en posición. 

Sólo falta poner el pistón numero 1 en PMS, bien por las marcas de serie o bien por haberlo localizado por el proceso explicado antes, se inmoviliza todo y se monta la correa o cadena de distribución, en esta parte puede haber un problema, si se tienen las poleas o piñones de serie puede que la correa o cadena no coincida exactamente con los dientes, en ese caso habrá que acercarse lo máximo posible al calado que nos indica el fabricante moviendo las poleas, no quedara exacto pero estará muy cerca, la mejor opción es usar poleas regulables, con ellas se pueden girar ese poco que falta para que coincidan los dientes sin mover el árbol del sitio.

En principio debería estar bien, pero puede haberse movido algo durante el montaje de la correa o cadena, o podemos haber leído mal el reloj comparador, así que se volverá a comprobar las alzadas con el reloj comparador en las dos válvulas y para asegurarse del todo, se puede poner el disco graduado en el cigüeñal y se comprueban los diagramas de distribución.

-CALAR SIN NINGUNA INFORMACIÓN DE LOS ÁRBOLES DE LEVAS.

Puede suceder que se compren unos árboles de levas usados que no sepa nada de ellos, o que cojamos los árboles de algún otro modelo que nos interesa más, en ese caso costara más trabajo pero también se puede hacer. Se empieza haciendo los diagramas de alzada de leva por separado, admisión y escape y se introduce en una hoja de Excel para  hacer las gráficas, o se hace en una hoja de cuadricula, en las gráficas se busca el punto de máxima alzada de cada leva y usando el eje de simetría aproximado, por ejemplo 110º, se busca que apertura tendrán las válvulas en PMS, ese podría ser una medida para su calado, aunque se podrian atrasar o adelantar, sabiendo la alzada de válvulas en PMS se procede como en el caso anterior.