Motor de pistones axiales

Un motor de pistones axiales es un motor de desplazamiento utilizado en hidráulica, en el que los pistones están dispuestos en paralelo al eje de rotación. Convierte la energía hidráulica procedente de la presión y el caudal en energía mecánica de rotación. La disposición axial de los pistones y un plano de apoyo inclinado generan un movimiento de carrera que provoca la rotación del eje de salida. Los motores de pistones axiales se caracterizan por una alta densidad de potencia, velocidades de giro de más de 10.000 rpm y presiones de servicio de hasta 450 bar.

Fundamentos y funcionamiento del motor de pistones axiales

El motor de pistones axiales pertenece a la familia de las máquinas de pistones y funciona como máquina de desplazamiento según el principio del desplazamiento de volumen. El aceite a presión se conduce a través de un disco de control hacia los orificios de los cilindros de un bloque de cilindros giratorio. Los pistones se apoyan en un plano inclinado, lo que convierte la fuerza lineal del pistón en un par motor. Dependiendo de la posición de los pistones respecto al canal de presión o de aspiración del disco de control, se genera un accionamiento rotativo continuo.

Estructura y componentes principales

El corazón de un motor de pistones axiales lo constituye el bloque de cilindros, también denominado tambor de cilindros, con varios orificios axiales en los que se guían los pistones. En la práctica, el número de pistones suele oscilar entre siete y once, aunque se prefiere un número impar de pistones para lograr una curva de par más uniforme. Otros componentes esenciales son el disco de control para regular el flujo de aceite, el eje de salida y el plano de apoyo inclinado, que se realiza como disco inclinado o mediante un ángulo de eje inclinado.

Los pistones transmiten la fuerza hidráulica al plano inclinado. Dado que la fuerza no actúa en la dirección del eje de rotación, se genera una componente tangencial que pone en rotación el bloque de cilindros. El disco de control garantiza que cada cilindro reciba aceite a presión en el momento adecuado y evacúe el aceite de retorno.

Par y velocidad

El par de salida de un motor de pistones axiales depende de la presión aplicada y del volumen de admisión. El volumen de admisión describe el volumen de líquido hidráulico que el motor admite por cada revolución. Cuanto mayor sea el volumen de admisión y mayor la presión de servicio, mayor será el par disponible en el eje de salida. La velocidad es proporcional al caudal suministrado: un mayor caudal da lugar a una mayor velocidad del motor. Los motores de pistones axiales modernos alcanzan rendimientos totales del 90 al 95 %, lo que los convierte en uno de los motores hidráulicos más eficientes.

Tipos de construcción del motor de pistones axiales

Los motores de pistones axiales se dividen en dos tipos principales según el tipo de transmisión de fuerza: el tipo de disco inclinado y el tipo de eje inclinado. Ambos principios se diferencian en la estructura constructiva del plano inclinado y presentan ventajas y desventajas específicas.

Tipo de disco inclinado (principio del disco oscilante)

En el tipo de disco inclinado, el bloque de cilindros gira, mientras que el disco inclinado permanece fijo en la carcasa. Los pistones se apoyan en el disco inclinado mediante patines deslizantes. El ángulo de inclinación del disco inclinado determina la carrera del pistón y, por lo tanto, el volumen de aspiración. En los motores regulables, este ángulo se puede modificar durante el funcionamiento, lo que permite un ajuste continuo del par y la velocidad.

El diseño de disco inclinado se caracteriza por una estructura compacta y tiempos de ajuste cortos. Debido a su diseño, el ángulo de giro está limitado a unos 15-20 grados, lo que restringe la carrera máxima y, por lo tanto, el volumen de aspiración máximo. A cambio, este diseño destaca por su reducido volumen y resulta especialmente adecuado para aplicaciones en las que el espacio de montaje y el peso son factores importantes.

Diseño de eje inclinado

En el diseño de eje inclinado, el bloque de cilindros y el eje de salida están dispuestos en ángulo entre sí. Los pistones se conectan al eje de salida mediante bielas. El ángulo del eje inclinado determina la carrera del pistón y, en los motores de velocidad constante, suele situarse entre 25 y 40 grados; en los motores variables, se puede ajustar de forma continua.

El diseño de eje inclinado permite ángulos de giro mayores que el diseño de discos inclinados, lo que permite alcanzar un mayor volumen de aspiración y pares más elevados. Además, este diseño soporta presiones de funcionamiento más altas, ya que la transmisión de fuerza a través de las bielas es más favorable. Sin embargo, el esfuerzo de diseño es mayor, lo que se traduce en mayores costes y un volumen de construcción algo mayor.

Comparación de los tipos de construcción

Motor de pistones axiales como motor de cilindrada variable y motor de cilindrada fija

Los motores de pistones axiales se ofrecen tanto como motores de caudal constante con volumen de aspiración fijo como motores de caudal variable con volumen de aspiración variable. Los motores de caudal constante se utilizan cuando los requisitos del accionamiento se mantienen constantes. Tienen una estructura más sencilla, son más económicos y requieren menos mantenimiento.

Los motores de caudal variable, por el contrario, permiten adaptar la velocidad y el par a condiciones de carga variables durante el funcionamiento. Con un caudal constante, una reducción del volumen de aspiración da lugar a una mayor velocidad de giro con un par más bajo, mientras que un aumento del volumen de aspiración incrementa el par y reduce la velocidad de giro. Esta flexibilidad hace que los motores de caudal variable resulten especialmente atractivos para transmisiones de marcha hidrostáticas y aplicaciones con perfiles de carga muy variables.

La regulación puede realizarse de forma puramente hidráulica mediante presión de control o de forma electrohidráulica mediante válvulas proporcionales. Los sistemas electrohidráulicos ofrecen una resolución más precisa y pueden integrarse en arquitecturas de control digital, lo que está cobrando cada vez más importancia.

Motor de pistones axiales en comparación con el motor de pistones radiales

Además del motor de pistones axiales, el motor de pistones radiales es el segundo tipo importante entre los motores de pistones en la hidráulica. Ambos tipos tienen sus puntos fuertes en diferentes ámbitos de aplicación.

Los motores de pistones axiales destacan por sus altas velocidades, su diseño compacto y su excelente rendimiento. Son adecuados para aplicaciones que requieren movimientos rápidos y una regulación precisa. Los motores de pistones radiales, por su parte, proporcionan pares de giro significativamente más altos a bajas velocidades y no necesitan una transmisión adicional, mientras que los motores de pistones axiales a menudo deben reducirse. A cambio, los motores de pistones radiales son más grandes, más pesados y, por lo general, no alcanzan las velocidades del tipo axial.

La elección entre ambos tipos depende de los requisitos de la aplicación: la velocidad, la eficiencia y la compacidad favorecen al motor de pistones axiales, mientras que el par elevado a bajas revoluciones y la robustez hacen que se prefiera el motor de pistones radiales.

Ámbitos de aplicación de los motores de pistones axiales

Los motores de pistones axiales se utilizan en una amplia gama de aplicaciones hidráulicas. En el sector móvil, predominan en los sistemas de propulsión hidrostática de excavadoras, cargadoras sobre ruedas, grúas telescópicas y vehículos sobre orugas. En estos casos, garantizan velocidades de desplazamiento regulables de forma continua y elevadas fuerzas de tracción. Los motores de pistones axiales también se utilizan en los sistemas de giro de grúas y excavadoras.

En aplicaciones industriales fijas, los motores de pistones axiales accionan prensas, máquinas de moldeo por inyección y máquinas herramienta. En los aerogeneradores se utilizan para el ajuste de las palas del rotor y la rotación de la góndola. Además, funcionan en unidades de potencia hidráulicas que suministran aceite a presión a varios consumidores.

Otro campo de aplicación es el circuito cerrado, en el que el aceite de retorno se devuelve directamente a la bomba. Debido a su diseño, los motores de pistones axiales son especialmente adecuados para este modo de funcionamiento, muy extendido en los accionamientos de desplazamiento y los cabrestantes.

Mantenimiento y conservación

La fiabilidad y la vida útil de un motor de pistones axiales dependen en gran medida de la calidad del fluido hidráulico y del cumplimiento de los intervalos de mantenimiento. El desgaste se produce principalmente en las superficies de deslizamiento de los pistones y del disco inclinado, en los cojinetes del eje de salida y en las juntas.

Calidad del aceite y filtrado

La pureza del aceite hidráulico es un factor decisivo. Según la norma ISO 4406, debe respetarse como mínimo la clase de pureza 20/18/15; en caso de temperaturas de funcionamiento elevadas, incluso 19/17/14. Las partículas presentes en el aceite provocan un mayor desgaste en las superficies de deslizamiento, fabricadas con precisión, y pueden dañar el disco de control. Por ello, el cambio periódico de filtros y los análisis de aceite se encuentran entre las medidas de mantenimiento más importantes.

Síntomas típicos de desgaste

• Aumento de la pérdida de presión interna debido al desgaste del pistón y del cilindro
• Fugas en los anillos de sellado del eje y las juntas tóricas
• Cambios en el ruido debido a daños en los cojinetes
• Pérdida de rendimiento debido al desgaste del disco de control

La detección precoz de estos síntomas mediante controles periódicos de la presión, la temperatura y el comportamiento acústico evita costosos daños posteriores.

Normas y estándares

Los motores de pistones axiales están sujetos a varias normas y estándares que regulan la seguridad, la compatibilidad y la evaluación del rendimiento. La norma DIN ISO 4413 establece los requisitos técnicos de seguridad para los sistemas hidráulicos. La norma ISO 4406 clasifica la contaminación por partículas en el aceite hidráulico, lo cual es decisivo para la vida útil del motor. La norma DIN 51524 define los requisitos para los fluidos hidráulicos, y las normas DIN 9611 y DIN 6885 regulan el diseño de ejes y chavetas.

Fabricantes como Bosch Rexroth, Parker, Liebherr y Hawe ofrecen motores de pistones axiales en diferentes tamaños y tipos de construcción que cumplen estas normas y están diseñados para su uso en sistemas hidráulicos exigentes.