Árbol de levas

Un árbol de levas es un mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaños y estar orientadas de diferente manera, siendo un programador mecánico. Los usos de los árboles de levas son muy variados, como en molinos, telares, sistemas de distribución de agua o martillos hidráulicos, aunque su aplicación más desarrollada es la relacionada con los motores de combustión interna, en los que se encarga de regular la apertura y el cierre de las válvulas, permitiendo la admisión y el escape de gases en los cilindros.

Descripción
Consiste en una barra cilíndrica que recorre la longitud del flanco de los cilindros con una serie de levas sobresaliendo de él, una por cada válvula de motor. Las levas fuerzan a las válvulas a abrirse por una presión ejercida por la leva mientras el árbol rota. Este giro es producido porque el árbol de levas está conectado con el cigüeñal, que es el eje motriz que sale del motor. La conexión entre cigüeñal y árbol de levas se puede realizar directamente mediante un mecanismo de engranajes o indirectamente mediante una correa o cadena, conocida como correa de distribución.


Funcionamiento
La relación entre la rotación del árbol de levas y la rotación del cigüeñal es de crítica importancia. Al ser las válvulas las que controlan el flujo de admisión de combustible y de gases que se expulsan en el motor, deben abrirse y cerrarse en el momento oportuno durante recorrido del pistón. En algunos casos el árbol de levas también controla la distribución de aceite y la bomba del combustible.

En los motores de dos tiempos que usan árbol de levas, cada válvula es abierta una vez por cada giro del cigüeñal; en este tipo de motores, el árbol de levas gira el mismo número de veces que el cigüeñal, es decir, la proporción de giro entre el árbol de levas y el cigüeñal es 1. En los motores de cuatro tiempos, las válvulas se abren una vez por cada dos giros del cigüeñal, la proporción de giro entre el árbol de levas y el cigüeñal es 1/2.

Dependiendo de la colocación del árbol de levas y la distribución de estas, accionarán directamente las válvulas o lo harán mediante un sistema de taqués y balancines. La primera forma requiere un simple mecanismo que suele tener menos fallos que el segundo sistema, pero requiere que el árbol de levas este colocado encima de los cilindros. En el pasado, cuando los motores no eran tan fiables como hoy, esto resultaba problemático, pero en los modernos motores de gasolina el sistema de levas "elevado", donde el árbol de levas está encima de los cilindros, es lo común. Algunos motores usan un árbol de levas por cada válvula de entrada-salida; esto es conocido como double o dual overhead camshaft (DOHC). Así, los motores en V pueden tener 4 árboles de levas.


Problemas de funcionamiento
El rozamiento entre la superficie de la leva y su seguidor es considerable y, para reducir el desgaste en este punto, la leva y el seguidor están endurecidos superficialmente con tratamientos térmicos. Además, los modernos aceites lubricantes de motor contienen aditivos especiales para reducir el rozamiento. Los lóbulos de los árboles de levas tienen, normalmente, una ligera estrechez, causando que los seguidores de las levas y los levantadores de las válvulas giren ligeramente con cada depresión, y así, ayuden a distribuir el desgaste por toda la superficie. Las superficies de las levas y los seguidores están diseñadas para que se desgasten a la vez, y por eso cuando una se cambia es conveniente cambiar la otra para evitar un desgaste excesivo y rápido

Además de la fricción, es necesaria una considerable fuerza para superar la elasticidad de la válvula y que esta se cierre. En una estimación esto puede suponer un 25% del total de la potencia de salida total del motor, reduciendo la eficiencia del conjunto. Dos líneas de investigación intentan recuperar esta pérdida de energía, pero son difíciles de llevar a cabo:

Válvulas inelásticas, como en los sistemas desmodrónicos empleados hoy por Ducati
Trenes de válvulas sin levas, con solenoides o sistemas magnéticos llevan tiempo siendo estudiados por BMW, y actualmente están sirviendo de prototipos en Valeo