La biela: partes, tipos y funcionamiento

La biela es el elemento del motor encargado de transmitir la presión de los gases que actúan sobre el pistón al cigüeñal. O lo que es lo mismo, es un eslabón de la cadena que transforma el desplazamiento alternativo de los pistones en la rotación del cigüeñal.

Como te podrás imaginar, los esfuerzos que tienen que soportar las bielas y el resto de componentes del motor son muy altos, para poder mover un coche de una, dos o incluso más toneladas. Además, las bielas son un elemento difícil de lubricar, por eso son una parte crítica del motor y su diseño y fabricación son muy importantes.

Partes de una biela

Pie (anillo pequeño)

La biela está dividida en tres partes, la primera es el pie, que es el extremo que va unido al pistón. Para anclarse y recibir la lubricación adecuada al mismo tiempo, necesita de varios componentes:

• Casquillo: va dentro del agujero del pie de la biela. Tiene agujeros para que entre el aceite y lubrique bien la zona.
• Tubo o cilindro: atraviesa el pistón (que tiene dos agujeros en el cuerpo) y el pie de la biela (que va alojado dentro del pistón por debajo). Solo está en contacto con el casquillo de la biela porque, como te hemos dicho antes está colocado en el agujero del pie. Este tubo puede ser también puede llamarse bulón.

Cuerpo (barra que une ambos anillos)

El cuerpo es la zona central de la biela, que debe soportar la mayor parte de los esfuerzos, pero al estar en continuo movimiento también debe de ser ligero. Se suelen construir con una sección en forma de doble T o H en los motores de alto rendimiento. Aunque en los motores más convencionales también pueden estar construidos en forma de I.

La sección hace referencia a la forma que se podría ver en el cuerpo de la biela si dividiese por la mitad y se mirase el corte. Si es una H, quiere decir que sus bordes son más anchos para maximizar su resistencia y el centro más fino, para aligerarla. Si tiene forma de I, quiere decir que es igual de ancha en todas partes, porque no necesita la resistencia extra de los bordes gruesos.

Cabeza de biela (anillo grande)

La cabeza es la parte que va unida al cigüeñal y que por lo tanto es el agujero más ancho. A diferencia del pie, la cabeza se divide en dos mitades, una de ellas es la prolongación del cuerpo, y la otra va unida a la otra mediante dos tornillos. Una disposición que permite su fácil desmontado.

• Sombrerete: mitad desmontable de la cabeza de la biela
• Pernos: tornillos que unen el sombrerete
• Casquillo: cilindro de metal que va encajado a presión dentro de la cabeza de la biela. Tiene unos pequeños agujeros por donde entra el aceite para lubricarlo porque es lo está en contacto con el cigüeñal que va a hacer girar. También se llama cojinete o rodamiento.

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Tipos de bielas

Como una biela no es un elemento exclusivo de la automoción, existen muchos tipos en función de las necesidades de cada máquina. Sin embargo, si hablamos de vehículos con motor de combustión, hay algunos tipos de bielas especiales, que difieren ligeramente de la descripción que te hemos hasta ahora:

Biela enteriza

Son las que tienen la cabeza hecha de una sola pieza, en lugar de dos unidas por pernos. Por eso, para desmontarlas el motor tiene que tener otro sistema alternativo de desacople. Por ejemplo, que sea el cigüeñal el que se pueda descomponer en partes. Normalmente en las muñequillas, que es donde van acopladas las bielas.

Biela de goteo de aceite

Son bielas que en la cabeza tienen una punta por la que gotea el aceite. Se trata de una forma de dirigir y tener un mayor control de la caída del aceite una vez que ha pasado por todos los componentes que necesitaban lubricación.

Biela aligerada

La descripción técnica de este tipo de bielas es algo árida: “Se trata de una biela aligerada si el plano que divide la cabeza de la biela en dos mitades y el plano que pasa por los ejes del pie y la cabeza (plano medio), no forman un ángulo recto”. En la imagen puedes ver claramente a qué se refiere esto.

Bielas ‘Fork-and-blade’ (de tenedor y cuchillo)

Estas bielas van en parejas y enganchadas a la misma muñequilla del cigüeñal. Una de ellas tiene dos cabezas y la otra tiene solo una que va insertada entre ellas, de tal forma que hacen un conjunto similar a una bisagra o a un tenedor de dos puntas y un cuchillo insertado entre ellas. El casquillo va dentro de el agujero que forman las tres cabezas.

Muchas veces, para acoplar dos bielas a la misma muñequilla del cigüeñal simplemente se usan dos bielas sencillas una al lado de la otra. De tal manera que solo se necesita una muñequilla algo más larga para que quepan las dos. En el siguiente vídeo puedes ver como es la solución que usan en los motores V8 y V12 de las animaciones.

Biela articulada

Dependiendo de la configuración se puede necesitar que sus bielas tengan más de un agujero en las cabezas. Así podrán recibir el movimiento de dos o más bielas. Éste es el caso de las bielas maestro y esclavo en la que hay una biela principal y otra u otras acopladas a agujeros secundarios más pequeños.

El número de bielas esclavas puede ser muy elevado. Por ejemplo las que usan un motor radial como el de algunos aviones. Aunque también existen motores de este tipo en los que no existe biela maestra y todas las bielas esclavas van conectadas a un disco con agujeros dispuestos en círculo.

Otro ejemplo especial de bielas articuladas son las que usan los motores VC-Turbo de Nissan. Para poder variar la relación de compresión en cualquier momento, sus bielas tienen un cuerpo anclado en un lado y otro cuerpo en el otro.Así pueden hacer en juego de balancín que empuje el pistón más arriba o más abajo según sea necesario. En este vídeo puedes verla en acción:

También existen tipos de bielas con propiedades especiales, como son las patentadas por Toyota para su motor de compresión variable. En este caso, la biela tiene unos pistones hidráulicos que varían su longitud.

Materiales para fabricar bielas

Por lo general las bielas se fabrican de acero templado en forja, aunque en motores de altas prestaciones se suelen utilizar bielas de alguna aleación de aluminio ó incluso de titanio. Para darles al acabado final que ves en las imágenes se suele emplear el mecanizado (maquinado en algunos países de latinoamérica). Que consiste en el tallado de las formas precisas que se necesitan.

Las bielas de titanio y algunas aleaciones de aluminio, suelen estar fabricadas directamente con el proceso de mecanizado, ya que el método de la forja se puede complicar algo más con estos materiales. Lo cual encarece su fabricación, más allá del precio de estos materiales, que ya de por si son más costosos.

Funcionamiento

Como te hemos dicho, la biela es la que permite el paso del movimiento ascendente y descendente del pistón al movimiento circular del cigüeñal. Lo que no es más que principio de funcionamiento del mecanismo biela / manivela, que ya usaban las máquinas de vapor mucho antes.

Para los que no estén familiarizados con los componentes que hemos mencionado, se puede hacer una comparación con el funcionamiento de una bicicleta. En realidad, cuando se monta en bici, se efectúan unos movimientos muy parecidos a los de un motor. El ciclista es el que aporta la fuerza de una forma similar a los pistones, que son empujados hacia abajo por los gases del motor. Las piernas del ciclista son el equivalente a las bielas de las que hablamos en este artículo. Por último, los pedales de la bicicleta son el cigüeñal que mueven dichas piernas.

Motores sin bielas

Existen motores de combustión interna sin bielas, como es el caso del motor INNEngine, que puedes ver en el vídeo. En él, la conversión del movimiento alterno de los pistones se convierte en movimiento de rotación gracias a unos platos de levas. Los pistones tienen unos ruedines que se deslizan por las rampas de estos platos, forzándolos a girar.

También existen motores de pistón libre, que funcionan como un motor de dos tiempos pero en la que el movimiento del pistón arriba y abajo se produce solo por presión del gas. Se usaron en un principio para la compresión de aire o cualquier otro gas, pero con el tiempo varias marchas de coches se han ido sumando al desarrollo de motores de pistón libre para mover vehículos o cargar baterías.

General Motor y Ford fueron las primeras invertir recursos en este tipo de motores (años 40) y en 2104 fue Toyota la que apostó por ellos para usarlo como generadores. Su principal ventaja es cuentan con muchos menos elemento móviles, lo que facilita mucho su fabricación y mantenimiento.