Loe raamatut: «Mantenimiento del sistema de arranque del motor del vehículo. TMVG0209»

Capítulo 1
Motor de arranque
1. Introducción

Los motores térmicos de combustión interna tienen la capacidad de mantenerse en funcionamiento de forma autónoma, a régimen de ralentí o a régimen variable según la carga, debido a la energía generada dentro de sus cilindros, pero precisan de una fuente de energía externa para alcanzar un régimen mínimo de funcionamiento desde el estado de parada del motor. Esta fuente de energía la proporciona en los vehículos automóviles un motor eléctrico conocido por motor de arranque, el cual transforma la energía eléctrica que le proporciona la batería en energía mecánica a través de su eje, que mueve el motor térmico mediante un sistema de engranajes piñón-corona.

El motor de arranque, muy parecido a la dinamo en su construcción, tiene que vencer la resistencia que le ofrecen los elementos móviles del motor, como por ejemplo pistones, bielas, cigüeñal, etc., y sobre todo la presión que se genera dentro de los cilindros en la fase de compresión. La velocidad de rotación que debe alcanzar el motor térmico para obtener un funcionamiento regular es de 100 rpm para los motores de explosión y 150 rpm para los motores de combustión.

El consumo eléctrico del motor de arranque es máximo al inicio de su funcionamiento y va disminuyendo a medida que el motor térmico va realizando explosiones o combustiones que le ayudan a alcanzar las revoluciones necesarias para el arranque. Es evidente que en frío el consumo eléctrico es superior que con el motor en caliente.

Los fabricantes diseñan motores de arranque cuya relación peso/potencia proporcionen un par suficiente (para turismos hasta 30 Nm), sin que sean demasiado caros y que consuman el mínimo de corriente eléctrica.

En este capítulo se verá la misión que cumple el motor de arranque, los distintos tipos utilizados en los vehículos, su funcionamiento y los distintos sistemas de accionamiento, sus características eléctricas y las averías que pueden darse en estos motores eléctricos.

2. Principio de funcionamiento del motor de arranque

El principio de funcionamiento del motor de arranque de corriente continua se basa en las fuerzas de atracción y repulsión de dos campos magnéticos generados por una corriente eléctrica. Los imanes tienen la propiedad de atraer y ser atraídos al colocarse uno dentro del campo magnético del otro (fuerzas de atracción y repulsión) de forma que los polos del mismo nombre se repelen y polos contrarios se atraen.

Motor de arranque

Si se hace circular una corriente eléctrica continua por una espira, en ella se crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza son perpendiculares al plano de la espira, el campo se polariza en ambas caras de la espira determinando los polos norte (N) y sur (S). Si se coloca esta espira dentro de otro campo magnético, tenderá a ubicarse de manera que las líneas de fuerza del campo entren por su cara sur y salgan por su cara norte, originándose un par de rotación (polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen como se ha mencionado anteriormente).

Definición

Se conoce como espira a un conductor cerrado plano.

Si esta espira es colocada sobre un núcleo magnético giratorio, llamado rotor, y a su vez este campo magnético es introducido en un campo magnético estático, llamado estátor, el polo sur del rotor es atraído por el polo norte del estátor y al revés, generándose un par de rotación que origina el movimiento del rotor. Si se coloca una espira desfasada con respecto a la primera y conectadas ambas a delgas opuestas del colector, por las que se les proporciona corriente eléctrica continua, al orientarse la primera espira deja de alimentarse, pasa a alimentarse la segunda creando un nuevo campo magnético y un nuevo par de rotación, consiguiendo el movimiento giratorio del rotor.

Rotor

En los motores de arranque se colocan el número de espiras necesarias para conseguir un movimiento suave y continuo ocupando las ranuras del rotor y uniendo el extremo de cada espira a una delga en el colector, desfasada un ángulo determinado.

Los extremos de la espira pueden unirse a unos semianillos, aislados entre sí, sobre los cuales rozan dos escobillas fijas a través de las cuales circula la corriente de la espira.

Actividades

1. Buscar información sobre cómo conocer el sentido de la fuerza que actúa sobre el conductor por la regla de la mano derecha.

Recuerde

Si se ubica una espira dentro de un campo magnético, se colocará de forma que las líneas de fuerza del campo entren por su cara sur y salgan por su cara norte. Polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen.

3. Fuerza contraelectromotriz en los motores de arranque

Cuando circula la corriente por las espiras del rotor se produce un campo magnético que tiende a orientarse con el campo estático del estátor, pero al girar las espiras dentro de un campo magnético se produce una variación de flujo magnético y por lo tanto se genera en ellas por inducción una fuerza electromotriz inducida y de sentido contrario que se opone a la tensión aplicada en el colector llamada fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.). De acuerdo con la ley de Lenz, la fuerza electromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera, es decir, que tenderá a frenar al rotor. El valor de la f.c.e.m. depende de las revoluciones del inducido o rotor:

Donde:

1 E’ = fuerza contraelectromotriz en V.

2 V = tensión aplicada en bornes en V

3 Ia= intensidad de la corriente absorbida en A.

4 Ri = resistencia circuito interno, arrollamientos inducido e inductor en Ω.

5 2p = polos del motor.

Definición

Wb = wéber Es la unidad de flujo magnético en el SI, equivalente al flujo magnético que al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 voltio si se anula dicho flujo en 1 segundo por decrecimiento uniforme.

La fuerza contraelectromotriz hace que la corriente absorbida sea menor al aumentar las revoluciones del motor, efectuando una autorregulación de su velocidad.

Donde:

1 E’= fuerza contraelectromotriz en V.

2 V = tensión aplicada en bornes en V.

3 Ia = intensidad de la corriente absorbida en A.

4 Ri = resistencia circuito interno, arrollamientos inducido e inductor en Ω.

La intensidad y la potencia absorbida en el arranque serán máximas para E’= 0, o sea, en el momento inicial del arranque.

Donde

1 Imáx = intensidad de corriente máxima en A.

2 Wmáx = potencia máxima en W.

Aplicación práctica

La tensión aplicada en bornes a un motor de arranque mediante un acumulador es de 11,50 V. Teniendo en cuenta la caída de tensión exterior, la resistencia interior del motor de arranque es de 0,06 Ω. ¿Cuál será la intensidad máxima absorbida por el motor y la potencia absorbida?

SOLUCIÓN

La intensidad máxima y la potencia absorbida se obtendrán de las siguientes expresiones:

Recuerde

La fuerza contraelectromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera; tenderá a frenar al rotor, depende de las revoluciones del inducido.

4. Componentes del motor de arranque

Una de las principales limitaciones del motor de arranque es su tamaño; deberá ser lo más pequeño y compacto posible, robusto y de poco peso. Para cumplir con estas características es apropiado el motor eléctrico de corriente continua, que se acopla en el arranque a la corona del volante motor para hacer funcionar el motor térmico.

Las partes de que debe estar compuesto un motor de arranque son básicamente:

1 Un motor eléctrico de corriente continua.

2 Rotor o inducido.

3 Sistema de activación o interruptor.

4 Relé.

5 Dispositivo de engrane y desengrane a la corona del volante de inercia.

6 Piñón de engrane.

Actividades

2. Explicar brevemente a qué tipo de esfuerzo está sometido el resorte que hace que la escobilla esté en contacto permanente con las delgas del colector en el inducido.

4.1. Carcasa o cuerpo del motor

El estátor está constituido por una carcasa metálica de acero de bajo contenido en carbono a través de la cual se cierra el circuito magnético del campo inductor formado por las expansiones polares y creado por las bobinas inductoras, también llamadas zapatas, dentro del cual se mueve el inducido o rotor.

Estátor del motor de arranque

Recuerde

La velocidad de rotación que debe alcanzar el motor térmico para obtener un funcionamiento regular es de 100 rpm para los motores de explosión y 150 rpm para los motores de combustión.

Las expansiones o masas polares son núcleos de acero suave donde se forman los polos magnéticos del estátor; están alojados en el interior de la carcasa y sujetos mediante unión atornillada. Alrededor de los núcleos se colocan las bobinas inductoras, que están formadas de conductor de cobre de gran sección y aisladas entre sí con respecto a masa; al ser recorridas por la corriente eléctrica crean el campo magnético en las masas polares. Las bobinas inductoras se conectan eléctricamente en serie o en paralelo dos a dos, un extremo forma el borne de entrada al motor y el otro se une a la escobilla positiva.

Las masas polares adquieren la curvatura necesaria para que todos los puntos de su superficie queden a igual distancia del tambor del rotor, alojado en su interior.

La distancia que queda entre las masas polares y el tambor del rotor recibe el nombre de entrehierro (< 1 mm).

4.2. Rotor o inducido

El rotor o inducido está formado por un eje de acero sobre el que se monta el tambor, en el que se alojan los arrollamientos inducidos o espiras, y un colector en el cual se conectan los arrollamientos mediante soldadura blanda a sus respectivas delgas.

Las espiras son de gran sección y están formadas de pletinas de cobre aisladas entre sí y con respecto al cilindro.

El tambor está formado por la unión de chapas magnéticas ranuradas normalmente en forma de estrella.

El colector, en un lado del eje, está formado por laminillas de cobre aisladas que constituyen las delgas del mismo y sobre las que rozan las escobillas que alimentan el motor. Al otro lado del eje existen unas estrías sobre las cuales se desliza el mecanismo de arrastre; también puede llevar un piñón en los motores con reductora adecuado al par que se exige para ese motor.

Como se puede ver en la figura del rotor, en las espiras colocadas frente al polo norte la corriente circula en el mismo sentido, por lo tanto el empuje en todas ellas tiene el mismo sentido; todo lo contrario ocurre en las espiras situadas en el polo sur. Este efecto genera un par de giro en el rotor.

4.3. Soporte lado colector

Este elemento llamado tapa o soporte sirve para cerrar al conjunto del motor de arranque por uno de sus extremos; además, sirve de soporte al eje del inducido mediante un cojinete de bronce sintetizados.

Soporte lado colector

Definición

Sinterización Es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas.

Como se puede ver en la figura anterior, en la tapa soporte van los portaescobillas, uno de ellos aislado respecto a masa y el otro va conectado a masa. Dentro de los portaescobillas se montan las escobillas de carbón grafitado, las cuales se pueden desplazar longitudinalmente a medida que se van desgastando gracias al empuje de sus respectivos resortes, que ejercerán la presión necesaria para un buen contacto escobillas-colector del inducido.

4.4. Aplicación práctica

Al accionar el motor de arranque de un vehículo de pequeña cilindrada se escucha engranar el piñón en la corona, pero el motor térmico no gira. ¿Por qué puede ocurrir esto?

Solución

Al tratarse de un motor de pequeña cilindrada se refiere a un motor de arranque por horquilla, con o sin reductora.

En primer lugar hay que extraer el motor de su alojamiento en el vehículo para desmontarlo y comprobar sus componentes mecánicos y eléctricos. Se seguirá el siguiente procedimiento:

1 Desconectar el borne negativo de la batería.

2 Desconectar el cableado del motor de arranque, cables de alimentación y señal.

3 Quitar la tornillería de unión al motor térmico o a la caja de cambios.

4 Sacar el motor de arranque de su alojamiento.

5 Colocar en el banco de trabajo.

6 Desmontar completamente el motor de arranque.

7 Revisar el juego que existe entre los extremos del inducido y los casquillos antifricción de bronce de las carcasas; si se observa que el rotor o inducido ha rozado en las masas polares, el problema es que los casquillos tienen mucho juego.

8 Sustituir casquillos.

9 Limpiar y secar todas las piezas del motor de arranque.

10 Montar en orden inverso al desmontaje.

11 Montar en el motor térmico.

12 Apretar toda la tornillería a par recomendado por el fabricante.

13 Conectar cableado y borne negativo de la batería.

14 Arrancar y probar.

Nota

Si existe algún elemento defectuoso, como por ejemplo escobillas, debe ser sustituido.

Actividades

3. ¿Afectan las vibraciones del inducido al buen funcionamiento del motor de arranque?

4.5. Soporte lado delantero o de accionamiento

Este elemento se fabrica de fundición en acero o en aluminio, es la pieza que cierra el motor de arranque por el otro extremo. Al igual que la tapa anterior, dispone de un casquillo de bronce sinterizado para que se apoye el eje del inducido y pueda girar libremente.

Su diseño va a estar condicionado por el tipo de motor que lo incorpore, ya que es el elemento de unión al motor por lo que su forma y cogidas son muy diversas, pero todas incorporan un alojamiento para acoplar en ellas el contactor o relé de mando. En los motores de arranque con reductor el soporte dispone de un alojamiento para el conjunto reductor.

Tipos de soportes delanteros

Sabía que...

Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba “relevadores”. De ahí “relé”.

4.6. Mecanismo de arrastre

La función del mecanismo de arrastre es la de transmitir el movimiento del motor de arranque al motor térmico y evitar que este, una vez arrancado, arrastre al motor de arranque.

El conjunto lo forman los siguientes elementos:

1 Piñón de mando. El piñón está montado sobre las estrías del eje del inducido y unido a una palanca de accionamiento comandada por el núcleo móvil del relé de mando; cuando el núcleo acciona la palanca, el piñón ataca la corona del volante motor y transmite el movimiento giratorio; en el momento en que la palanca retrocede, el piñón se desacopla de la corona del volante motor.Nota: la relación entre piñón y corona del volante motor es de 1/10 a 1/16, para unas 200 rpm mínimas del motor; para iniciar su funcionamiento el motor de arranque debe girar de 2.000 a 3.000 rpm aproximadamente.

2 Mecanismo de arrastre. Si el piñón no se desengrana, cuando se pone en marcha el motor podría alcanzar velocidades que destruirían el motor de arranque, por lo que un sistema de rueda libre incorporado en el piñón evita el arrastre del rotor.

El mecanismo de rueda libre se utiliza con objeto de permitir que el eje motriz mueva al eje resistente y no al contrario; cuando el eje resistente gira a más revoluciones que el eje motriz, se desacopla.

El mecanismo funciona de la siguiente forma: el conjunto tiene dos ruedas, una de ellas con una serie de ranuras donde se introduce una serie de rodillos o bolas con unos muelles. Cuando la rueda motriz arrastra a la rueda conducida, los rodillos o bolas se enclavan entre ambas haciéndolas solidarias. De lo contrario, si la rueda conducida gira más deprisa, arrastra a los rodillos o bolas hacia la parte ancha de la ranura, produciendo un giro libre entre las ruedas.

Nota

Este sistema se utiliza en mecanismos que giran siempre en un mismo sentido.

4.7. Relé de arranque o interruptor

El relé de arranque, también conocido como interruptor, está incorporado al circuito eléctrico del motor de arranque, va intercalado entre la batería y el motor de arranque. Su misión es la de cerrar el circuito del motor para su funcionamiento.

Relé de arranque

Actividades

4. Para que engrane el piñón y la corona del volante, los módulos de los engranajes deben ser iguales. ¿Qué es el módulo de un engranaje? ¿Cómo se obtiene?