La forma de la sección transversal de un segmento de pistón determina su comportamiento de sellado, rascado de aceite y disipación de calor. Este artículo explica los segmentos rectangulares (Rectangular), de cara cónica (Taper-faced), de cara abombada (Barrel-faced), torsionados (Twisted) y trapezoidales (Keystone), y dónde se emplea cada uno.
El diseño de la sección transversal de un segmento de pistón desempeña un papel clave en el rendimiento y la eficiencia del motor. Más allá de sus diferencias funcionales, cada forma de segmento tiene también un aspecto distintivo. A continuación examinamos, una por una, las características y el principio de funcionamiento de cada forma.
Su sección transversal es rectangular. Sus ventajas son una forma sencilla y un mecanizado fácil, sin curvas ni contornos especiales, por lo que tiene una mayor superficie de contacto con la pared del cilindro, lo que ayuda al pistón a disipar el calor. Sin embargo, su rodaje es algo más deficiente y su mayor acción de bombeo de aceite eleva el consumo de aceite e incrementa los depósitos de carbón en la cabeza del pistón y la cámara de combustión, por lo que este tipo se utiliza ahora con menos frecuencia.
Su cara exterior es un cono con un ángulo muy pequeño (normalmente 30′–60′). A diferencia del contacto plano del segmento rectangular, el segmento de cara cónica hace contacto lineal con la pared del cilindro, lo que proporciona un buen rodaje y aumenta la presión de contacto y la capacidad de adaptarse a la forma de la pared del cilindro; pero a medida que avanza el rodaje, la superficie de contacto se ensancha gradualmente hasta convertirse en un segmento rectangular corriente. El segmento de cara cónica rasca el aceite en la carrera descendente y lo distribuye en la carrera ascendente. Debido a que su superficie de contacto con la pared del cilindro es menor y la transferencia de calor es más deficiente, normalmente no se utiliza como primer segmento.
Presenta la curvatura de un cilindro, con la cara del segmento haciendo contacto en arco con la pared del cilindro, lo que evita eficazmente la carga en los cantos y ofrece una buena adaptabilidad a la inclinación del pistón, buen sellado y buen rodaje. Tanto al desplazarse hacia arriba como hacia abajo en el cilindro, forma una película de aceite en forma de cuña, reduciendo el desgaste entre el segmento y la pared del cilindro. Su principal inconveniente es que la superficie de arco convexa es más difícil de mecanizar; se utiliza a menudo como primer segmento.
Su nombre proviene del hecho de que, una vez montado en el cilindro, la sección transversal asimétrica genera una fuerza desequilibrada que retuerce y deforma el segmento. El segmento torsionado conserva las ventajas del segmento cónico, distribuyendo el aceite en la carrera ascendente y rascándolo en la descendente. Como su recorrido de arriba abajo dentro de la ranura se acorta, reduce el bombeo de aceite, atenúa los impactos y disminuye el desgaste; en la carrera de trabajo el segmento deja de retorcerse, por lo que las dos caras de sellado hacen pleno contacto, favoreciendo la disipación del calor. Al montarlo, preste especial atención a la forma de la sección transversal y a la orientación de diseño: montarlo al revés aumentará drásticamente el consumo de aceite del motor. Su excelente capacidad de rascado de aceite hace que el segmento torsionado se utilice a menudo como segundo segmento de un conjunto.
Practicar un corte en ángulo recto o biselado en el lado interior, por encima o por debajo de la sección transversal del segmento, se denomina en conjunto corte interior (inner cut); un corte interior superior aumenta principalmente la estanqueidad al gas, mientras que un corte interior inferior rasca el aceite. Un Scraper practica una muesca en ángulo recto en el borde inferior exterior; el similar segmento Napier practica una muesca en ángulo agudo en el borde inferior exterior.
Su sección transversal es trapezoidal y su principal característica es una buena resistencia al agarrotamiento, frecuente en motores diésel muy cargados. El primer segmento de un motor diésel se agarrota con facilidad por engomamiento y pierde su función en la ranura; el segmento trapezoidal cambia constantemente de posición a medida que la carga lateral sobre el pistón varía de dirección, expulsando el carbón de la ranura, evitando que el segmento se agarrote y se rompa, y prolongando su vida útil. Existe también un segmento semitrapezoidal (Half keystone), que presenta las características de un segmento con corte interior superior. Los segmentos trapezoidales son difíciles de mecanizar, requieren artesanía de precisión y tienen un rendimiento de producción menor, por lo que cuestan más; en general se emplean como primer segmento en motores diésel.
Una overlapped joint (junta solapada) practica un ángulo recto en la mitad superior de un lado y en la mitad inferior del otro en la abertura del segmento. Una hook joint (junta en gancho) se basa en la junta solapada con un corte más complejo para que los dos extremos se enganchen entre sí; ambas se utilizan más a menudo en compresores o equipos agrícolas. Una internal notch (muesca interna) practica un ángulo similar a un trapecio desde el interior, en la abertura, y se emplea más a menudo en motos acuáticas; una side notch (muesca lateral) practica un semicírculo desde el lateral, en la abertura.
El diseño de la forma de un segmento de pistón refleja no solo su función, sino también su elaboración. Al estudiar de cerca las distintas formas, podemos comprender mejor las consideraciones que hay detrás de cada diseño y tomar la decisión adecuada para cada situación.
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