Los altibajos

Este documento proporciona una descripción de los elementos esenciales que intervienen en el diseño de una biela de aluminio de 2 tiempos. Comenzamos describiendo qué es una biela, los problemas históricos asociados con el diseño de una biela de 2 tiempos y por qué esta biela es de relevancia. Se presenta al lector los componentes principales del diseño de una biela, desde los procesos de mecanizado hasta las nuevas tecnologías disponibles, incluida la selección de materiales, las consideraciones de lubricación, los avances en el revestimiento y los tratamientos de los materiales. Además, a lo largo del documento escuchará a expertos en el campo que expresan sus opiniones sobre si esta varilla se puede construir y utilizar con los avances actuales.

Los altibajos del diseño de una biela de 2 tiempos

Era la carrera por el campeonato, una carrera que otorgaria el reconocimiento del titulo mundial y un dia de pago de un mi116n de d6lares al ganador. Rodney Steele estaba listo y tenia un arma secreta: una revolucionaria biela de aleaci6n de aluminio MSV Racing que se habia instalado en su bicicleta de carreras CR5OOR de 2 tiempos. Esta innovadora tecnologia permitiria a su motor revolucionar mas rapidamente, producir mas potencia debido a un peso menos reciproco , asi como reducir las vibraciones, ralentizando la fatiga de Steele mientras corria.
Los pilotos estaban en la linea de comienzo, acelerando sus motores – ” braap braaaaapp!”
Steele se sentia confiado en sus habilidades y con su maquina. jLa bandera verde cay6 y la carrera estaba en pie! Steele fue capaz de entrar en la banda de potencia al instante, superando a su enemigo a la primera vuelta, tomando el tiro de agujero. Los pilotos redondearon la primera curva y, de nuevo, fue capaz de superar a la competici6n. A medida que avanzaba la carrera continua aumentando su ventaja.
En la ultima vuelta de la carrera, Steele tenia una ventaja de media vuelta sabre sus compafieros de carrera . Cruz6 la linea de meta, levantando el pufio en la victoria . En la conferencia de prensa del ganador, Steele agradeci6 a la federaci6n, a sus entrenadores, patrocinadores y, sabre todo, a MSV Racing, por construir su motocicleta dominante en el mundo.
Avidos fanaticos de las motocicletas, especialmente de las motocicletas de 2 tiempos, siempre estan buscando formas de personalizar, actualizar y mejorar el rendimiento de sus bicicletas. Hace aproximadamente 10 afios, este escritor se preguntaba por que nadie estaba hacienda bielas de aluminio para motores de 2 tiempos de tamafio completo .
Mientras investigaba el tema en linea y hacia consultas a amigos y conocidos en la industria, el consenso era que no se podia hacer en ese momenta. Como afirma Ensign (2015), “la fricci6n, la expansion termica y la resistencia del extrema de la varilla son las mayores consideraciones
…” Pasaron muchos afios y el conocimiento estuvo disponible sabre los avances recientes en aleaciones de aluminio, recubrimientos y procesos de tratamiento de metales. Esto plante6 la vieja pregunta: l,Puede una persona disefiar una biela de aluminio de 2 tiempos que funcionaria de una cantidad especifica de tiempo? Millar (2015) afirma, “recubrimientos, aleaciones y tratamientos criogenicos estan avanzando rapidamente, sin duda hay una buena probabilidad de que con estos procesos avanzados sea alcanzable”. Ensign (2015) esta de acuerdo, afirmando: “Si, creo que la ciencia de los materiales esta progresando a diario, hay muchas aleaciones de aluminio de muy alta resistencia disponibles para el publico en general, asi coma opciones de tratamiento de materiales secundarios. Parece una combinaci6n de moderno

materiales, recubrimientos y/o acabados darian coma resultado una varilla de aluminio utilizable de 2 tiempos”. Debido a que este conocimiento ya esta disponible, la idea de crear esta varilla ahora se puede llevar a buen termino.

lQue es una biela? En un motor de piston de combustion interna, una biela es el enlace que transfiere el movimiento de ida y vuelta del piston a un movimiento reciproco en la manivela. Este movimiento giratorio luego se transfiere de la manivela al embrague y luego se multiplica en la caja de cambios. Finalmente, este movimiento se mueve fuera del motor a las ruedas traseras a traves de la cadena y pifiones. Dependiendo del peso de la biela, la forma en que reacciona el motor puede verse alterada drasticamente. Worbes (2015) afirma, “el peso es obviamente la mayor ventaja de usar una varilla de aluminio”. Millar (2015) cree que “las caracteristicas de rendimiento del motor serian el beneficio de la barra de Al. Aligerar el peso de la sacudida reduciria la inercia y el armonico del motor. La varilla tambien puede amortiguar el efecto de detonacion”. Ensign (2015) esta de acuerdo y sen.ala: “No creo que seria razonable esperar algunas mejoras en la respuesta del acelerador, asi coma un aumento en la potencia del motor debido a una menor masa reciproca”. Una varilla mas ligera reduce el peso reciproco, lo que permite que el motor acelere mas rapidamente y absorbe menos potencia para girar el conjunto de la manivela. Esto permite que el motor haga mas caballos de fuerza mas rapidamente sin otros cambios.

La mayoria de las bielas estan hechas de acero endurecido por caja. En aplicaciones de muy alto rendimiento y rpm, se necesita una reducci6n de peso, por lo que aluminio (Al), titanio (Ti) o compuesto de matriz metalica (MMC) son los materiales de referencia. Al es el metal preferido en muchos casos. Es fuerte mas ligero y mucho menos costoso que Ti y MMC, ademas de mucho mas facil de mecanizar. Al es 60% mas ligero que el acero, 40% ligero luego Ti, y 15% mas ligero que MMC. Este enorme ahorro de peso reduce en gran medida el peso reciproco, lo que puede conducir a una conduccion mas rapida y eficiente.

Sin embargo, tambien hay problemas con al puro Al. Se considera un metal blando y no se puede utilizar en aplicaciones sin que se le agreguen otros metales coma el cobre, el magnesia y el zinc, por nombrar algunas aleaciones de Al que se crean. Con aleaciones de Al no ser tan fuerte coma el acero, generalmente se necesita mas aleaci6n de Al para compensar la resistencia y consideraciones especiales toman cuando se requiere dureza. Esto todavia permite una varilla dramaticamente mas ligera, pero ocupa mas espacio .

La mayoria de las bielas de aleaci6n de Al estan hechas de 7075-T6511. Esta es una aleacion de Al muy duradera utilizada en muchas aplicaciones de transporte, desde carros de alto rendimiento, motocicletas y aviones, hasta aeroespacial, donde se necesita peso ligero y alta resistencia. Cuando se utiliza la aleacion de Al para bielas, se necesita un tratamiento termico especial para agregar resistencia, y generalmente se instalan inserciones para proteger el Al donde se une al piston y la manivela. Tambien es comun con las bielas de aleaci6n de Al para tratar criogenicamente la varilla. Este proceso hace que la varilla baje lentamente a menos 300 grados Fahrenheit usando nitr6geno liquido durante una cantidad especifica de tiempo, luego lentamente llevada de vuelta a la temperatura ambiente. Este proceso alinea las moleculas de Al en un marco molecular mucho mas apretado, anadiendo dramaticamente mas fuerza y dureza. Roger (2015) afirma, “el tipo criogenico de tratamiento de la varilla que hago hara que el recubrimiento, la varilla y otras partes sean mas duros y mejore la resistencia de la varilla”.

Para la varilla Al de Rodney Steele, se utilizo un tipo mas nuevo de aleacion al-7068-T65 l l. Esta aleacion de Al es considerablemente mas fuerte y dura que 7075-T65 l. Publicidad de Kaiser Aluminio (2000) informa a los posibles usuarios que, “datos de la industria demuestran que 7068-T65 ll tiene una resistencia a la traccion final tipica de 103 ksi frente a un producto similar producido a partir de 7075-T6511 que tendria una resistencia a la traccion final tipica de 93 ksi”. Y debido a que 7068-T651 l necesita menos material para la resistencia y la durabilidad, la varilla es a(m mas pequefia y ligera que una varilla 7075-T65 l l comparable. Steele’ la barra de s tambien fue tratada cryo geneticamente.

Para que el 7068-T65 l l viva como una biela de 2 tiempos, necesita tener sus orificios de rodamiento recubiertos con Carbono como Diamante (DLC). DLC es un material de carbono que muestra algunas de las caracteristicas del diamante. Los principales factores del DLC son la dureza, y la resistencia al desgaste. No todos los recubrimientos DLC son iguales y la varilla de aleacion Al de Steele tenia una version especial. Bikram (2015) explica que, “los DLC (recubrimientos muy duros) en general no son buenos para sustratos blandos como Al, el DLC especial de Richter fue disefiado para minimizar las tensiones internas y mejorar la adhesion a los sustratos como AL”.

Las varillas de AL aleacion conectores se han utilizado durante muchos afios en aplicaciones de 4 tiempos. La bicicleta de carreras de Steele fue la primera vez que se utilizo con exito en una aplicacion de carreras de 2 tiempos. Este nuevo disefio de varilla de 2 tiempos de Al tiene la capacidad de mejorar en gran medida el rendimiento de cualquier aplicacion de 2-stroke, incluyendo, pero no limitado a Supermoto, Motocross, Sand Drags, Ice Racing, Circle Track, Karting y Carreras de Motos de Nieve.

Hay muchos obstaculos que superar al diseii.ar una biela Al de 2 tiempos. En primer lugar, es necesario entender como un sistema de engrase del motor de 2 tiempos funciona. Un motor de 2 tiempos no tiene aceite de motor en una sarten que se fuerza a traves del motor con una bomba de aceite como un motor de 4 tiempos. Como sefiala Ensign (2015), “el carter no tiene un sistema de galera de aceite presurizado”. Los aros de piston, el diametro del cilindro, los cojinetes de varilla y los cojinetes de manivela de un 2 tiempo se lubrican con aceite mezclado en el combustible. 2-Stroke Tuner’s Handbook (1973) proporciona informacion sobre la mejora del engrasamiento de cojinetes de varillas afirmando, “… a veces se puede mejorar la fiabilidad de los rodamientos abriendo ligeramente los canales de aceite en los extremos de la biela y achaflanando los hordes del canal de aceite”.

Una varilla normal de 2 tiempos esta hecha de acero endurecido de la caja y tiene cojinetes de agujas en el extremo de fijacion del piston (pasador de muii.eca) y el accesorio de manivela en (pasador de manivela). Millar (2015) afirma, “la resistencia del material para apoyar los rodamientos de estilo aguja dentro del aluminio tambien puede plantear un problema”. La biela de Steele se descolgo de estos rodamientos utilizando un recubrimiento DLC especial en los orificios de los rodamientos de la varilla, el pasador del ST de la escritura y el pasador de la manivela, lo que hace que la varilla sea mas fuerte y pueda lidiar con el 11,000 rpm que veria su motor. 7068T65 l l tuvo que ser utilizado debido a su gran resistencia y era lo suficientemente duro despues de su tratamiento criogenico para ser el material de apoyo a la extremidad es duro, pero quebradizo DLC.
El siguiente obstaculo por considerar es la construccion de la varilla. lDebe ser fundido, tocho o forjado? Con la fundicion fundido Al se vierte en un molde, se deja enfriar, y luego se mecanizo a las especificaciones. Este sistema funciona

bien para la construccion de una gran cantidad de componentes de Al en un presupuesto. Sin embargo, el inconveniente es que tienden a no ser tan fuertes como forjados o palanca. Forjado es cuando un pedazo de Al calentado es golpeado en la forma deseada por un dado de forja que utiliza 100 de 1000 libras de fuerza . Este metodo crea piezas muy fuertes manteniendo intacta la estructura de grano de Al, pero es muy caro. La varilla de Steele es la palanca. La barra de Al de palanca se mecanizo a partir de un bloque solido de 7068-T6511. Este proceso permite un mecanizado extremadamente preciso y detallado.

Otro obstaculo para crear una biela Al de 2 tiempos es la falta de espacio para la varilla en el motor. Ensign (2015) explica que “el espacio muy reducido podria ser un problema”. En un motor de 2 tiempos, el espacio entre el baton de la biela y la caja del motor en el centro muerto inferior(BDC), (donde el piston esta mas lejos de la bujia) es de solo unos pocos milimetros. Esta es otra razon por la que es muy dificil utilizar Al y es la razon principal para eliminar la necesidad de los rodamientos. Esto permite que los orificios de los rodamientos de la varilla se hagan mas pequefios, lo que permite que se agregue mas material de Al aumentando la resistencia.

Por ultimo, pero no menos importante, esta el crecimiento de Al rodo. Maley (2015) afirma que “las tasas de expansion seran un gran problema”. A medida que la aleacion Al se calienta, se expande mucho mas que el acero. Se tiene muy en cuenta para garantizar que la varilla al pasador del piston, la varilla al pasador de la manivela y la holgura total de la longitud de la varilla sea suficiente para no crear un ajuste fuera de especificacion, y el piston no se acerque demasiado a la culata. Una ventaja de la de 2 tiempos es que la varilla no se calentara tanto como una de 4 tiempos porque no esta tocando el aceite caliente del motor y se enfria por la mezcla de aire fresco / combustible que se produce con cada otra carrera de piston.

La tasa calculada para Al 7068-T65 l 1 expansion termica, para encontrar el crecimiento total de la varilla en longitud es de 0.000014 pulgadas (A la expansion termica) / pulgada (centro de longitud de la varilla de centro a centro) F.(temperatura promedio de la varilla). Por lo general, este calculo utiliza 200*F para una varilla de 4 tiempos se debe calcular, pero para un 2 tiempo se utiliza 160 *F. Eso significa que para el calculo de la varilla de Steele .000014 ” x 5.67 “x 160*F = .012” de crecimiento general de la varilla. Esto se verifico ademas poniendo la varilla de aleacion AL de Steele en un homo a 160 * F durante 1 hora y tomando medidas de la longitud total de la varilla y el crecimiento de los orificios del rodamiento. Esto permitio a MSV Racing calcular y disefiar de cerca la varilla para que funcione en su mejor momenta, asegurando una larga vida util y el maxima rendimiento. Worbes (2015) tambien sefiala, “… Creo que el aluminio es de nuevo una ventaja porque disipa el calor mas rapido. No creo que vea las altas temperaturas como un motor de 4 stoke”.

El disefio y la construccion de la biela MSV Racing Al de Steele se realizo en Solid Works, un programa de modelado y dibujo asistido por computadora (CAD) que permite que la varilla se construya y pruebe a traves de un software de simulacion. Con el software de simulacion llamado Analisis de Elementos Finitos(FEA), las tensiones programadas se pueden poner en la varilla virtual, y la computadora ejecuta simulaciones para encontrar los puntos debiles. Esto permite que la varilla sea disefiada y probada antes de que se mecanizar e instalar en el motor, reduciendo en gran medida la posibilidad de fallo. Ensign (2015) da una idea de su proceso de disefio de una varilla afirmando: “Pasaria mucho tiempo trabajando en cualquier resultado de disefio que de el disefio mas fuerte en el extrema del cigilefial de la varilla”.

La victoria de Rodney Steel con la innovadora biela de aleacion AL de 2 tiempos de MSV Racing demostro que es posible agregar un rendimiento inmejorable a un motor de 2 tiempos. Se presentaran patentes, se explorara la comercializacion y MSV Racing vendera este producto a las masas creando un negocio multimillonario. Con todos los obstaculos asociados con la construccion de la biela de aleacion Al de 2 tiempos de tamafio completo de esta manera, es posible que con el nuevo avance en la tecnologia, esta biela new llegara a buen termino.

Referencias

• Alferez, J. (2015, 29 dejulio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista por correo electronico].
  Jacob Ensign, propietario de Rogue Energies, es ingeniero mecanico, maquinista , propietario de un taller de maquinas y especialista en l+D. Estuvo en el equipo de Formula SAE de los Institutos de Tecnologias de Oregon y fue capitan del equipo de motores. Ensign disefia y construye casi cualquier cosa, desde piezas de motocicletas especializadas, incluidas ruedas de carreras de carretera personalizadas, brazos oscilantes y sistemas de refrigeracion especializados hasta cestas de embrague de palanquilla ponderadas y aligeradas y volantes de ruedas de mano, por no mencionar las motocicletas electricas y los vehiculos todo terreno. Tambien esta involucrado en el disefio de deportes de motor y la construccion de muchas piezas personalizadas, incluyendo brazos basculantes de palanca para motores de carreras altamente especializad a la construccion de vehiculos Diesel hibridos.
• Jennings, G. (1973). El tren de la manivela. In Two-Stroke Tuner’s Handbook (1st ed., Vol. 1, p. 29). Tucson, Arizona: H.P. Books.
  Este libro del mundialmente famoso guru de 2 tiempos Gordon Jennings es la biblia definitiva para cualquiera que quiera aprender, asi como como afinar sus 2 tiempos para obtener el maxima rendimiento. Fue escrito en 1973, pero gran parte de la informacion es muy relevante hoy en dia.
  Kaiser Aluminio. (2000). Aleacion de alta resistencia y peso ligero 7068. Con sedes en Foothill Ranch, California, Kaiser tiene 12 instalaciones de fabricacion en America del Norte, mas de 2,000 empleados, envia mas de 500 millones de libras de producto anualmente y tuvo mas de $1.3 mil millones en ingresos en 2012.
• Kamboj, B. (2015, 28 de julio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista por correo electronico].
• Bikram Kimboj, P.Eng es Vicepresidente de Operaciones (Richter Precision Inc.). Richter Precision comenzo en 1978 y es lider de la industria en recubrimientos de deposicion quimica de vapor (CVD) y deposicion fisica de vapor(PVD). Richter tiene muchos recubrimientos DLC especiales disponibles yes la unica compafiia de recubrimientos DLC con un recubrimiento DLC que se puede usar con exito en orificios de rodamientos de aluminio.
• Maley, J. (2015, 28 de julio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista por correo electronico].
• Justin Maley tiene una serie de campeonatos estatales y nacionales de motociclismo en muchas disciplinas diferentes, y mas de 14 afios como corredor profesional. Maley adquirio la experiencia para probar motocicletas y motores al mas alto nivel para muchas compafiias OEM y del mercado de accesorios. En el pasado ha trabajado con fabricantes de equipos originales como KTM NA y KTM Sport Motorcycle AG, HRC en Europa, Yamaha Motor Co, American Suzuki y Suzuki Canada, asi como con empresas de posventa como Akrapovic en Eslovenia, Escape de cohetes, Race Tech, Tric Carbon y cascos Bell. Maley tambien trabajo con MTV y Canal Discovery en varios programas y construyo artilugios para Nitro Circus y Nitro Circus Live. Ha pasado muchos afios construyendo y afinando motores para algunos de las mejores equipos de carreras del mundo. Maley es actualmente el Director de Desarrollo de Productos de American Motorsports Company (A.R.M.)y propietario de Maley Motorsports.
• Millar, A. (2015, 28 de julio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista par correo electronica].
• Adam Millar, de Millar Auto Machine Company, crecio alrededor de motores de carreras, especificamente tiradores de tractores. Muchos de las motores fueron soplados grandes bloque Chevrolet. La empresa familiar habia hecho un trabajo directamente con las fabricantes de las componentes del motor que habian hecho enormes ganancias en potencia y durabilidad, lo que significa una cantidad sustancial de investigacion y desarrollo. Al estar involucrado no solo con partes, sino hablando de teoria con su padre y otros involucrados, obtuvo una gran comprension de lo que funciona. A traves de su trabajo de servicio de deportes de potencia y la participacion en el desarrollo de motores de 2 tiempos en rapido aumento, las clientes vienen a el despues de haber sido golpeado par despues de haber sido testigo de sus motores en uso. Adam ha hecho motores basados en Honda CR500 para las carreras de velocidad maxima en las salinas, las arrastres de playa en Australia, bicicletas de conversion Timbersled en Canada y las EE.UU., supermoto, MX, Hillclimb, carreras de resistencia, carreras de madera y un sinnumero de otros clientes en todo el mundo.
• Schiradelly, R. (2015, 28 de julio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista par correo electronico].
• Roger Schiradelly de Controlled Thermal Processing, Inc., es un especialista en tecnologia de carreras, con mas de cuarenta y cinco aiios de experiencia en carreras . Tiene muchas innovaciones en las carreras en su haber y mas de 20 afios de experiencia en el procesamiento criogenico. Ha construido y disefiado muchos motores de varilla de aluminio sobrealimentado (combustible superior) , y tambien ha trabajado con pequefios motores de carreras, motores de 2 y 4 tiempos con varios tipos diferentes de varillas de aluminio y acero. Tambien es un fabricante certificado de herramientas y troqueles.
• Worbes, M. (2015, 27 de julio). Los altibajos del disefio de una biela de aluminio de 2 tiempos [Entrevista par correo electronico].
  Matt Worbes, propietario de M-Tech, tiene muchos afios en el campo de las deportes de potencia y produce un curriculum impresionante. Es facil ver par que se consulto a Worbes para este documento. Estuvo involucrado en muchos de las mejores equipos de carreras, incluyendo coma mecanico de carreras Yamaha de fabrica; lnvestigacion y Desarrollo de dos tiempos y tecnologia de suspension; Pro-Tee Performance Products, 1992-1996 Mecanico para Chris MacCluggage, Watercraft Racing con multiples victorias; mecanico de carreras de fabrica de Kawasaki, 1999 para Doug Chandler con tres victorias y segundo en el barco campe6n de AMA; Jefe de equipo de Eric Bostrom (Kawasaki Factory Team) 2001, 2002 multiples victorias y podios, segundo lugar AMA 7505B, Primer lugar titulo 600SS y muchas Rondas Mundiales de Superbikes; director de investigacion y desarrollo para el programa de motos de arrastre NHRA de Muzzy; Tecnologia de desarrollo y desarrollo para el desarrollo de motores de MotoGP de cuatro tiempos del Proton Team KR VS; consultor para Rockwall Honda Race Team 2008 en Electronica y Motores con Aaron Gobert, obteniendo las diez primeros puestos en AMA Formula Extreme, y 600 Supersport. Matt construyo el motor de la 2008 Honda CBR 1000 montado par Leslie Porterfield. La Honda CBR 1000 de Porterfield establecio un nuevo record mundial para la motocicleta de produccion mas rapida.