Cómo siempre que me siento a escribir sobre la última tecnología en motores, me sorprendo del grado de refinamiento y de la cantidad de sabiduría que hay en cada milímetro cuadrado del motor. Lo cierto es que son temas tan apasionantes que siempre acabo recortando el artículo porque no cabe todo lo que me gustaría contar. Si tuviese que decir cuál es la palabra clave sobre las piezas a las que me refiero en este artículo ésta sería sin duda, rozamiento. En un entorno tan hostil como es un motor estas piezas deben moverse con unos esfuerzos enormes, procurando unas fuerzas de fricción mínimas a la vez que un ajuste óptimo. Está claro que aquí hablamos de lubricación. Vamos a meternos dentro de un cilindro a ver qué es lo que ocurre.
No hace falta explicar la importancia de tener unos buenos segmentos en un motor de carreras. Igual de importante es tener un buen cilindro. Y más importante aún es tener un cilindro y un segmento que trabajen bien juntos. Está claro, al existir tal variedad de segmentos en el mercado, es muy importante seleccionar uno que se adapte exactamente a las exigencias de la categoría en la que vamos a correr.
Un segmento soporta aceleraciones de 0 a 20 metros por segundo (72 Km/h) y vuelta a 0 unas 36.000 veces por segundo. Es absolutamente de locos. Mientras viaja rozando con el pistón debe evitar que se escapen los gases de combustión, soportar los esfuerzos laterales que produce la biela intentando deformarlo y debe luchar contra el aceite que viene bombeado en contra de su movimiento. Todo esto a temperaturas por encima de los 300 grados y, por supuesto, con mínimo rozamiento. Por tanto la vida de un segmento a estos regímenes dependerá de su diseño y fabricación de una manera dramática. Para poder lidiar con tantos condicionantes se reparten los papeles. Actualmente la mayoría de los pistones tienen tres segmentos, aunque los pistones con solo dos ya tienen muchos adeptos.
Existen distintas formas de segmento, siendo probablemente los de sección rectangular los más conocidos. Pero probablemente, cuando nos centramos en el segmento superior, la forma que mejor funcione es la que tiene una forma curvada (tipo barril) en la cara de contacto con el cilindro. El segundo segmento complementa las funciones del superior y el inferior. Por un lado, mantiene la presión en el cilindro al sellar los gases que hayan podido atravesar la primera barrera, y por otro lado, barren el exceso de aceite que haya podido atravesar la barrera inferior. Suele tener una sección rectangular, ligeramente afilada en el borde inferior, con el fin de propiciar un contacto puntual con el cilindro y a la vez rebañar el máximo aceite posible adherido a las paredes para, permitiendo un mínimo que asegure la lubricación, evitar un consumo excesivo.
El diseño del segmento inferior suele ser el más exótico de todos. Su misión es la de controlar el flujo de aceite que asciende. Si al principio del artículo hablaba de fricción, aquí está su máximo exponente. Nada en un motor fricciona tanto como este segmento. Se lleva la mitad de los esfuerzos de rozamiento del pistón. Además, si te paras a pensar en el resto de piezas de un motor verás que por la forma en que se mueve tiene un modo de fricción mucho peor que el de una pieza que simplemente gira dentro de otra. Aquí el continuo vaivén provoca una fluidodinámica complicada. Por eso también su diseño es complicado, existiendo diseños en una dos o tres piezas. Los de tres piezas suelen ser dos anillos planos muy delgados con un anillo corrugado entre ellos, pero eso lo veremos más adelante.
Si nos centramos en el segmento superior verás que el diseño es muy complejo con tal de garantizar máxima estanqueidad y mínima fricción. Para empezar el diseño de la cara de contacto con el cilindro, como comentábamos antes, tiene forma de barril. Pero esta forma muchas veces es imperceptible para la vista. Deben ajustar con precisión de milésimas de milímetro. Para conseguir mínima fricción se utilizan diversas estrategias. Para empezar, las fuerzas en el segmento son distintas dependiendo de cómo se oriente cada zona con respecto a la biela. Por eso, los diseños más avanzados varían la forma barril de su pared a lo largo de su cara de contacto con el cilindro. La siguiente estrategia, y desde mi punto de vista la más interesante, es la de aprovechar los propios gases para garantizar el sellado. Existe una holgura (axial) entre la parte superior del segmento y la cara inferior de la ranura donde se aloja. Además existe una holgura radial entre segmento y alojamiento. Al aumentar la presión en el cilindro se produce una presión de tipo hidrostático con una fuerza resultante que empuja al segmento a pegarse a la pared del cilindro. Así garantizamos sellado en el momento crítico y reducimos rozamiento cuando no tenemos esta presión porque la fuerza del segmento contra el cilindro se reduce.
Algunas veces incluso se crean agujeros para comunicar la ranura del pistón con la cámara de combustión para aumentar este efecto. Esto se hace solo en motores que se desmonten muy a menudo porque se pueden obstruir y hace falta limpiarlos. También hay que prestar atención a cuánto forzamos este efecto. Si nos pasamos podemos producir demasiados esfuerzos en el segmento, provocando rozamiento indeseado hasta el punto de que pueda acabar cediendo la pieza. Si además de jugar con esto, jugamos con el diseño de barril subiendo o bajando el punto de contacto con la pared podemos conseguir resultados óptimos.
La nueva tendencia parece ser que son los segmentos sin holgura (gapless piston rings). Aquí se lleva el fenómeno anterior al extremo. El anillo superior se divide en dos anillos con el corte desplazado entre ellos consiguiendo un sellado óptimo. Los segmentos son libres de girar entre ellos pero incluso cuando sus cortes se alinean (el peor de los casos) consiguen un comportamiento igual que un segmento convencional.
Y si bajamos un escalón llegamos al segmento intermedio. Sus condiciones son más favorables que las del segmento superior. Esto permite utilizar materiales más variados. Pero tampoco hay que despreciar sus funciones que son dos: frenar los pocos gases que hayan escapado al primer anillo y eliminar el aceite sobrante de las paredes que ha permitido pasar el inferior.
Y por fin el complejo segmento inferior. Como te comentaba antes, tiene diseños muy particulares. Actualmente se encuentran principalmente diseños en una pieza o en tres piezas.
El concepto de las dos opciones es el mismo. Tienen un anillo muy plano arriba y otro abajo, unidos por un anillo corrugado elástico entre ambos. En el de tres piezas la tensión tanto axial como radial la produce el anillo elástico sobre los otros dos. El caso del de una pieza es distinto y muy interesante. Al ser todo él elástico se fabrica una preforma con un diámetro superior al nominal del cilindro. Cuando lo pides eliges qué fuerza quieres que haga contra la pared del cilindro, dependiendo si quieres que dure o que dé altas prestaciones. Esto se consigue haciendo el diámetro inicial más o menos grande. O, si ya está construida la pieza, se consigue forzándola a abrirse un poco más antes de instalarla. Como si montásemos un muelle ajustando la precarga.
Aunque pueda parecer que se me olvidaba, también llevamos nuestra ración de tratamientos superficiales en este número, donde reina la fricción y donde una pieza es obligada a frotarse contra otra millones de veces. Es verdad que la zona está lubricada, pero si queremos alto rendimiento hace falta un plus. Si cuando tratábamos otras partes del motor poníamos énfasis en el material y los tratamientos superficiales, imagínate aquí la importancia que tiene. Cosas tan aparentemente absurdas como que un tratamiento superficial de máxima calidad de un pistón y otro también óptimo aplicado al cilindro sean incompatibles pueden arruinar un motor en cuestión de segundos. La química y la metalurgia imponen su ley donde las condiciones son tan extremas.
Si nos fijamos en los materiales base que componen normalmente los segmentos, encontramos pocas sorpresas. El hierro y el acero siempre están cuando se les necesita. Aunque la fundición gris dominó durante años en la producción de estos elementos, actualmente de suele limitar a los anillos inferiores. A pesar de ser buenos materiales y absorber muy bien las vibraciones, tienen un problema debido a que son quebradizos. Por eso el siguiente material que se aplica el hierro dúctil o fundición nodular que presenta un comportamiento más parecido al acero, más flexible y resistente. Lo que no consigue ni de lejos es absorber las vibraciones de la misma manera que la fundición gris. Y cuando el hierro no se basta por sí solo es el momento del acero. Éste presenta como principal ventaja una mayor resistencia. Así, con menor altura de segmento se consigue el mismo efecto, eliminando además mucho peso y permitiendo un sellado óptimo. Los aceros además mantienen bastante sus propiedades a altas temperaturas.
Hasta hace no tanto, el cromo duro era el tratamiento más habitual pero en la actualidad con tratamientos con plasma y deposición de vapor (PVD) se ha avanzado bastante. El molibdeno se ha aplicado también al segmento superior por su resistencia y porque retenía muy bien el lubricante. El fosfato de manganeso y zinc también se ha aplicado para prevenir la corrosión. Como se desean superficies muy duras y que resistan el desgaste, vuelven a aparecer nuestros clásicos: Nitruro de cromo, de titanio y por supuesto el Diamond Like Carbon, o DLC, como recubrimiento más de moda. Pero como te comentaba antes hay incompatibilidades. El DLC parece no llevarse demasiado bien con los recubrimientos cerámicos de base níquel de los cilindros, siendo preferibles por esto las demás opciones.
Espero que después de leer estas líneas mires a ese insignificante segmento con otra cara porque realmente es uno de los componentes más Hi-tech.
