El resorte de válvulas es uno de los componentes fundamentales del tren de distribución de un motor de combustión interna. Su función principal es ejercer la fuerza necesaria para cerrar la válvula y mantener todos los componentes del tren de válvulas siguiendo correctamente el movimiento impuesto por el árbol de levas. Aunque su funcionamiento parece sencillo, en realidad trabaja sometido a millones de ciclos de compresión, aceleraciones extremadamente elevadas, cambios de temperatura y fenómenos vibratorios que pueden afectar directamente el rendimiento y la durabilidad del motor.
Cuando el árbol de levas abre una válvula, el mecanismo comprime el resorte y almacena energía potencial elástica. Cuando el perfil de la leva comienza a permitir el cierre, esa energía se libera y el resorte impulsa el conjunto en sentido contrario hasta que la válvula vuelve a contactar con su asiento. Este proceso debe repetirse con enorme precisión incluso cuando el motor funciona a miles de revoluciones por minuto.
Por esta razón, un resorte no se selecciona simplemente porque pueda cerrar una válvula. Debe generar la fuerza adecuada en toda la carrera, disponer de suficiente recorrido antes de alcanzar la compresión total y conservar un comportamiento dinámico estable dentro del rango de revoluciones para el cual fue diseñado el motor.
Función
La función esencial del resorte consiste en mantener la válvula bajo control durante todo su movimiento. Dependiendo de la arquitectura del motor, entre la leva y la válvula pueden existir taqués, seguidores, balancines, varillas empujadoras y otros componentes. Todos poseen masa y, por tanto, inercia.
Cuando la leva comienza a abrir la válvula, obliga a esas masas a acelerar rápidamente. Posteriormente debe desacelerarlas y cambiar su dirección de movimiento. Durante la fase de cierre, el resorte proporciona buena parte de la fuerza necesaria para que el tren de válvulas continúe siguiendo el perfil previsto de la leva.
El objetivo no es simplemente hacer que la válvula termine cerrándose. Debe conseguir que la válvula permanezca cinemáticamente controlada durante todo el recorrido.
Si el resorte no proporciona suficiente fuerza, los componentes pueden separarse momentáneamente de las superficies con las que deberían permanecer en contacto. Cuando vuelven a encontrarse, pueden producirse impactos, rebotes y movimientos de la válvula que ya no corresponden al perfil diseñado por el árbol de levas.
Cómo trabaja
Un resorte helicoidal de compresión está formado por un alambre enrollado en espiral. Cuando se comprime axialmente, el material del alambre trabaja principalmente sometido a esfuerzos de torsión.
Dentro del motor, el resorte se encuentra parcialmente comprimido incluso cuando la válvula está completamente cerrada. Esta condición se conoce como altura instalada, y la fuerza existente en ese punto suele denominarse presión o carga sobre el asiento, en inglés seat pressure.
Cuando la leva abre la válvula, el resorte se comprime todavía más. La fuerza aumenta progresivamente hasta alcanzar la condición correspondiente a la máxima elevación de la válvula, denominada habitualmente open pressure o presión abierta.
Por ejemplo, COMP Cams comercializa resortes donde la documentación técnica especifica independientemente altura instalada, presión en el asiento, constante elástica, elevación máxima y altura de coil bind. Esto demuestra que describir un resorte únicamente mediante su longitud o diámetro resulta insuficiente.
El comportamiento debe conocerse a diferentes niveles de compresión.
Constante elástica
La constante del resorte o spring rate describe cuánto aumenta aproximadamente la fuerza a medida que el resorte se comprime.
Un resorte especificado, por ejemplo, con una tasa de 300 libras por pulgada aumentaría teóricamente su fuerza aproximadamente 300 libras por cada pulgada adicional de compresión dentro de su rango aproximadamente lineal.
Sin embargo, los resortes de válvulas modernos pueden utilizar geometrías cónicas, tipo beehive, paso variable o sistemas dobles que presentan un comportamiento dinámico más complejo que el de un resorte helicoidal ideal.
La tasa del resorte tampoco debe confundirse con la presión instalada. Dos resortes pueden tener una tasa similar y, sin embargo, producir cargas diferentes si están instalados a alturas distintas.
Por ello, en una reparación o preparación de motor es necesario conocer la altura instalada real y la fuerza que el resorte desarrolla a esa altura.
Presión sobre el asiento
Con la válvula cerrada, el resorte debe producir suficiente fuerza para mantenerla firmemente apoyada contra su asiento y conservar correctamente unido todo el tren de válvulas.
Una presión excesivamente baja puede facilitar la pérdida de control a altas revoluciones. Sin embargo, una presión excesivamente alta tampoco es deseable porque aumenta las cargas sobre el lóbulo de la leva, seguidores, taqués, balancines, válvulas, retenedores y otros componentes.
La fuerza correcta representa un compromiso entre control dinámico y carga mecánica.
MAHLE recomienda durante la inspección comprobar que los resortes presenten longitud, presión y perpendicularidad correctas. Esto resulta especialmente importante después de encontrar una falla en el tren de válvulas, porque un resorte aparentemente intacto puede haber perdido parte de su capacidad original.
Presión con la válvula abierta
A medida que aumenta la elevación de la válvula también aumenta la compresión del resorte.
La denominada open pressure debe ser suficiente para controlar las elevadas aceleraciones existentes cerca de las regiones más exigentes del perfil de la leva.
Un motor preparado con una leva de mayor elevación o rampas más agresivas puede necesitar resortes diferentes aunque los originales físicamente puedan comprimirse lo suficiente. La elevación máxima no es el único criterio.
Cuanto más rápidamente debe cambiar de velocidad la válvula, mayores son las fuerzas de inercia que intervienen. Por eso los fabricantes de componentes de alto rendimiento ofrecen combinaciones específicas de resortes, retenedores y árboles de levas.
Manley, por ejemplo, publica para sus conjuntos de competición tanto la presión instalada como la presión a máxima apertura, además del recorrido y altura de compresión total.
Qué ocurre al aumentar las rpm
El verdadero desafío para un resorte aparece cuando aumenta la velocidad del motor.
A bajas revoluciones existe relativamente mucho tiempo para abrir, detener y cerrar una válvula. A altas rpm, el mismo movimiento debe realizarse en una fracción mucho menor de tiempo.
Las aceleraciones aumentan considerablemente y, debido a la relación entre aceleración y velocidad angular, las fuerzas de inercia pueden crecer aproximadamente con el cuadrado de la velocidad de rotación para un perfil geométrico determinado.
Esto significa que un resorte capaz de controlar perfectamente la válvula a 2.000 o 3.000 rpm puede resultar insuficiente a 6.000, 7.000 o más revoluciones.
Aquí aparece una de las razones por las cuales una falla del resorte puede manifestarse únicamente en la zona alta del tacómetro.
Resorte fatigado
Los resortes trabajan sometidos a carga cíclica. Cada apertura y cierre representa un nuevo ciclo de deformación.
En un motor funcionando a velocidad de carretera durante miles de horas, cada resorte puede experimentar cientos de millones de ciclos. Aunque el material permanece normalmente dentro de su región elástica, la repetición continuada de esfuerzos puede producir fatiga mecánica.
SAE ha dedicado investigaciones específicas a los mecanismos de fatiga de los resortes de válvula automotrices. Los estudios muestran la importancia de la calidad del acero, inclusiones no metálicas, defectos superficiales, tensiones de trabajo y procesos de fabricación.
Con el tiempo, un resorte puede perder parte de su carga original sin necesariamente romperse. Es lo que coloquialmente se describe como un resorte vencido, fatigado o débil.
Puede conservar una apariencia perfectamente normal y mantener suficiente fuerza para que el motor funcione correctamente a ralentí y bajas revoluciones, pero no necesariamente conservar la capacidad dinámica necesaria cuando las rpm aumentan.
Por qué un resorte débil puede causar fallas de encendido a altas rpm
Esta es una consecuencia particularmente importante del desgaste.
A bajas revoluciones, un resorte ligeramente debilitado todavía dispone de suficiente tiempo y fuerza para cerrar la válvula y mantener los componentes siguiendo la leva. El motor puede arrancar, mantener ralentí y funcionar normalmente durante conducción moderada.
Cuando aumentan las rpm, las fuerzas de inercia aumentan y el tiempo disponible para controlar cada movimiento disminuye. Si la fuerza del resorte ya no es suficiente, la válvula puede comenzar a perder contacto con el movimiento previsto de la leva, permanecer abierta más tiempo del debido o rebotar después de llegar a su asiento.
Este fenómeno se relaciona con el valve float o flotación de válvulas.
Una válvula que no cierra cuando debería altera la compresión y el intercambio de gases del cilindro. En admisión puede producir reversiones hacia el múltiple; en escape puede alterar la evacuación de gases. Si la cámara no queda correctamente sellada durante la fase necesaria, la presión efectiva del cilindro disminuye.
El resultado puede percibirse como una falla de encendido, tironeo o pérdida repentina de potencia exclusivamente a altas revoluciones.
NHRA señala que uno de los síntomas característicos del valve float es precisamente un motor que deja de acelerar correctamente en la zona superior de rpm y que incluso puede parecer que desarrolla una falla de encendido.
Por tanto, una falla de encendido a altas rpm no siempre tiene origen eléctrico, en bujías, bobinas o alimentación de combustible. Un resorte debilitado también puede producirla al perder el control mecánico de la válvula.
Flotación de válvulas
El valve float no significa literalmente que una válvula quede suspendida sin movimiento. Describe una condición donde el tren de válvulas deja de seguir correctamente el perfil diseñado de la leva.
Durante este fenómeno pueden separarse temporalmente determinadas superficies del mecanismo. Cuando vuelven a establecer contacto, las velocidades relativas pueden producir impactos severos.
La válvula puede llegar tarde al asiento, cerrarse con velocidad excesiva o rebotar después del primer contacto.
Esto afecta el rendimiento antes de que necesariamente exista una falla catastrófica. De hecho, un motor puede comenzar a perder potencia por falta de control del tren de válvulas antes de que el conductor escuche un ruido claramente anormal.
En condiciones extremas, una pérdida importante de control puede permitir que la válvula permanezca en una posición peligrosa cuando el pistón se aproxima al punto muerto superior.
En motores de interferencia, esto abre la posibilidad de contacto entre pistón y válvula.
Rebote de válvula
El valve bounce o rebote aparece cuando la válvula alcanza su asiento, pero vuelve a separarse debido a la dinámica del impacto.
En condiciones normales, el diseño de la leva y del resorte intenta conseguir que el cierre ocurra con una velocidad controlada.
Cuando el resorte, el perfil de la leva o las masas del sistema producen condiciones dinámicas desfavorables, la válvula puede golpear el asiento y rebotar una o varias veces.
Esto compromete momentáneamente el sellado, incrementa las cargas de impacto y puede acelerar el desgaste del asiento, la cara de la válvula, retenedores y otros componentes.
El rebote también puede contribuir a la pérdida de potencia y a síntomas que se parecen a una falla de encendido cuando ocurre a altas revoluciones.
Resonancia del resorte
El resorte tampoco se comprime siempre como una pieza perfectamente uniforme. Cada espira posee masa y puede vibrar.
Cuando la frecuencia de excitación del tren de válvulas se aproxima a una frecuencia natural del resorte, pueden generarse ondas y oscilaciones entre las espiras. Este fenómeno se conoce como valve spring surge.
SAE ha estudiado este problema desde las primeras décadas del desarrollo de motores de altas revoluciones. Investigaciones modernas continúan utilizando modelos multicuerpo y simulaciones para predecir la velocidad a la que la resonancia puede causar pérdida de fuerza efectiva y separación entre componentes del tren de válvulas.
Por esta razón existen resortes de paso variable, cónicos, beehive y sistemas dobles destinados a modificar las frecuencias naturales y mejorar el control de las oscilaciones.
COMP Cams señala que sus resortes cónicos modernos buscan precisamente reducir la resonancia y las oscilaciones entre espiras para aumentar la estabilidad del tren de válvulas y permitir un mayor rango de rpm.
Resortes dobles
En motores de altas prestaciones es común instalar dos resortes concéntricos, uno dentro del otro.
Un sistema doble permite obtener la fuerza requerida dentro de un espacio relativamente compacto y ofrece ventajas dinámicas. Los dos resortes pueden diseñarse con características diferentes para evitar que ambos entren en resonancia simultáneamente.
Además, en determinadas configuraciones la interacción entre ellos proporciona cierta amortiguación.
Los sistemas de doble resorte se utilizan desde hace casi un siglo en motores sometidos a regímenes elevados. Estudios históricos de Packard publicados por SAE ya analizaban esta solución como respuesta a problemas de resonancia y fallas que no podían explicarse mediante cálculos puramente estáticos.
En aplicaciones modernas continúan siendo comunes junto a las alternativas cónicas y tipo beehive.
Coil bind
Existe un límite físico a cuánto puede comprimirse un resorte.
Cuando las espiras llegan a contactar entre sí hasta impedir cualquier compresión adicional se alcanza la condición conocida como coil bind o altura sólida.
El tren de válvulas nunca debe exigir al resorte un recorrido que alcance o supere esta condición.
Si la leva intenta abrir todavía más la válvula cuando el resorte ya no puede comprimirse, las fuerzas aumentan extremadamente rápido. Pueden producirse daños en el árbol de levas, balancines, taqués, retenedores, chavetas, válvulas o en el propio resorte.
Por ello, los fabricantes especifican una altura de coil bind además de la elevación máxima admitida.
COMP Cams, por ejemplo, publica para cada modelo de resorte la altura instalada, elevación máxima y altura de coil bind, permitiendo comprobar que exista un margen adecuado.
Altura instalada
La installed height o altura instalada se mide con la válvula cerrada entre las superficies que soportan los extremos del resorte.
Esta dimensión es fundamental porque determina cuánto está comprimido el resorte antes de que comience cualquier movimiento.
Si la altura instalada es demasiado grande, el resorte queda menos precargado y la presión sobre el asiento disminuye. Si es demasiado pequeña, aumenta la precarga y también se reduce el recorrido disponible antes del coil bind.
Por ello, durante la reconstrucción de una culata pueden utilizarse calces o shims específicamente destinados a ajustar la altura dentro de las tolerancias permitidas.
Cambiar válvulas, asientos, retenedores o mecanizar la culata puede alterar esta dimensión, por lo que no debe suponerse que un resorte nuevo producirá automáticamente la presión correcta.
Materiales
Los resortes de válvulas requieren aceros capaces de soportar elevadas tensiones repetidas durante millones de ciclos.
Entre los materiales históricamente utilizados se encuentran aleaciones de cromo-vanadio y cromo-silicio, además de formulaciones modernas de acero de alta resistencia.
La calidad metalúrgica es especialmente importante porque pequeñas inclusiones o defectos pueden convertirse en puntos de iniciación de grietas por fatiga.
Investigaciones de SAE han establecido relaciones entre inclusiones no metálicas y vida a fatiga de los resortes. Otros estudios han demostrado aumentos muy importantes de durabilidad mediante aceros más limpios, tratamientos térmicos controlados, shot peening y procesos destinados a reducir defectos superficiales.
El shot peening introduce esfuerzos residuales de compresión en la superficie, ayudando a dificultar la iniciación y propagación de grietas sometidas a cargas alternantes.
Resorte roto
La falla más evidente es la fractura de una o varias espiras.
Un resorte roto puede perder de manera inmediata una parte significativa de su fuerza. La válvula correspondiente deja entonces de seguir correctamente el árbol de levas y pueden aparecer ruido, pérdida de compresión, falla de encendido y pérdida de potencia.
Dependiendo de dónde se fracture y de cuánto resorte continúe funcionando, el motor puede seguir en marcha inicialmente.
Esta situación es peligrosa porque una válvula sin control suficiente puede llegar a contactar con el pistón.
Un resorte quebrado también obliga a inspeccionar retenedor, chavetas, válvula, guía y asiento, ya que las cargas anormales pueden haber producido daños secundarios.
Diagnóstico
La inspección visual permite detectar resortes quebrados, corrosión, daños superficiales o montaje incorrecto, pero no permite determinar con precisión si un resorte conserva su fuerza original.
Un resorte fatigado puede parecer idéntico a uno nuevo.
Por ello, MAHLE recomienda comprobar longitud, presión y escuadría durante las operaciones de inspección del tren de válvulas.
Para medir la carga se utiliza un comprobador de resortes. El componente se comprime hasta la altura especificada y se registra la fuerza obtenida. Esta medición puede realizarse tanto a la altura instalada como a una segunda altura equivalente a una determinada elevación.
Si la fuerza está por debajo de la especificación, el resorte ya no debe considerarse apto simplemente porque no esté roto.
Esta comprobación resulta especialmente útil cuando un motor presenta falla de encendido o pérdida de potencia solamente a altas rpm, mientras la alimentación de combustible y el sistema de encendido parecen funcionar correctamente.
Importancia del conjunto
El resorte no trabaja de forma independiente. Su comportamiento depende de la masa de la válvula, retenedor, chavetas, taqué, seguidor y demás piezas que deba controlar.
Reducir la masa del tren de válvulas permite utilizar menores fuerzas para conseguir un determinado régimen de funcionamiento. Esta es una de las razones por las cuales en aplicaciones de alto rendimiento se emplean válvulas ligeras y retenedores de titanio.
También importa el perfil de la leva. Una leva con gran elevación no necesariamente es la más exigente si sus aceleraciones están cuidadosamente controladas, mientras que otro perfil con cambios mucho más abruptos puede exigir una fuerza superior.
Por ello, seleccionar resortes únicamente en función de la elevación máxima constituye una simplificación peligrosa.
Equilibrio entre fuerza y durabilidad
Podría parecer que la solución a cualquier problema de control consiste en instalar un resorte mucho más fuerte. Sin embargo, esto introduce nuevas cargas en todo el tren de válvulas.
Una presión excesiva aumenta la fricción y las fuerzas soportadas por la leva, taqués, balancines, vástagos, retenedores, asientos y cojinetes del árbol de levas. COMP Cams advierte incluso en algunas aplicaciones que una altura instalada incorrecta y las cargas asociadas pueden contribuir a fallas del árbol de levas.
El resorte correcto es, por tanto, el que entrega suficiente fuerza para mantener el control sin generar cargas innecesariamente altas.
Este equilibrio explica por qué los fabricantes especifican combinaciones precisas de presión instalada, presión abierta, tasa, altura, recorrido máximo y masa del tren de válvulas.
Una pieza simple sometida a una tarea extrema
El resorte de válvulas transforma una función aparentemente sencilla, cerrar una válvula, en un problema complejo de dinámica mecánica. Debe almacenar y liberar energía miles de veces por minuto, mantener varias masas siguiendo un movimiento extremadamente rápido, evitar resonancias y conservar sus propiedades después de millones de ciclos.
Cuando está en buenas condiciones, su trabajo pasa prácticamente inadvertido. Cuando pierde fuerza, el motor puede seguir funcionando perfectamente a bajas revoluciones y revelar el problema únicamente cuando aumenta la velocidad. En ese momento, las fuerzas de inercia pueden superar su capacidad y aparecer flotación, rebote, pérdida de compresión, pérdida de potencia y fallas de encendido a altas rpm.
Por esta razón, un resorte no debe evaluarse únicamente buscando una fractura visible. Su longitud, presión, altura instalada y capacidad para controlar dinámicamente la válvula forman parte de su condición real. Una pequeña pérdida de fuerza que resulta irrelevante al ralentí puede convertirse, varios miles de revoluciones después, en la diferencia entre una válvula perfectamente controlada y otra cuyo movimiento ya no coincide con lo que el árbol de levas ordena.
Referencias
Basic Camshaft Installation Techniques – MAHLE Aftermarket Inc.
https://www.mahle-aftermarket.com/na/en/support/installation-tips/camshaft-installation.jsp
Single Outer Valve Spring: Specifications, Installed Height, Seat Pressure and Coil Bind – COMP Cams
https://www.compcams.com/single-outer-valve-spring-1-437-o-d-1-039-i-d.html
Dual Conical Valve Springs: Oscillation, Resonance and Valvetrain Stability – COMP Cams
https://www.compcams.com/16-dual-conical-valve-springs.html
Valve Spring & Retainer Kit Specifications – Manley Performance Products
https://www.manleyperformance.com/product/valve-springs/spring-retainer-kits/man_26160/
Review on the Fatigue Mechanisms in Automotive Valve Springs – Edison Marcelo Serbino y André Paulo Tschiptschin, SAE International
https://saemobilus.sae.org/papers/review-fatigue-mechanisms-automotive-valve-springs-2011-36-0003
Multi-Body Dynamic Simulation and Experimental Validation of Valve Spring Surge Speed – R. S. Prabakar, Arpan Nagar, Maruthi Patil, Umashankar N y Sathya Prasad Mangalaramanan, SAE International
https://saemobilus.sae.org/papers/multi-body-dynamic-simulation-experimental-validation-valve-spring-surge-speed-2013-01-2770
Study of the Fatigue Failure of Engine Valve Springs Due to Non-Metallic Inclusions – Hassan Choucair, Jiazhong Zhou, Badih Ali Jawad y Liping Liu, SAE International Journal of Materials and Manufacturing
https://saemobilus.sae.org/articles/study-fatigue-failure-engine-valve-springs-due-non-metallic-inclusions-2012-01-0498
Valve Spring with High Fatigue Resistance for Automotive Engine – Takeshi Shibata, Susumu Yamamoto y Yoshihiro Hashimoto, Sumitomo Electric Industries / SAE International
https://saemobilus.sae.org/papers/valve-spring-high-fatigue-resistance-automotive-engine-880417
How to Pick Valve Springs for Your Race Car – National Hot Rod Association
https://www.nhra.com/news/2019/how-pick-valve-springs-your-race-car
Electric Telemeter and Valve-Spring Surge – W. T. Donkin y H. H. Clark, SAE International
https://saemobilus.sae.org/papers/electric-telemeter-valve-spring-surge-290022