miniatura|300px|Esquema de funcionamiento de un cigüeñal (pieza roja), pistones (grises) en sus cilindros (azules), y volante (negro).
Un cigüeñalDRAE: «cigüeñal». es un eje acodado con contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela-manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa.
En los motores de automóviles el extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla y es la parte que se une al cigüeñal, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo. El cigüeñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.
Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Sin embargo, estas aleaciones no pueden superar una dureza a 40 Rockwell «C» (40 RHC), debido a que cuanto más dura es la aleación más frágil se hace la pieza, y se podría llegar a romper debido a las grandes fuerzas a las que está sometida.
Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.
Por ejemplo, para el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea, los hay de tres apoyos (hoy ya en desuso), y de cinco apoyos, el más común actualmente.
En otras disposiciones como motores en V o bien horizontales opuestos (boxer) puede variar esta regla, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor. El cigüeñal es también el eje del motor con el funcionamiento del pistón y gradualmente se usa así en los automóviles con motor de combustión interna actuales.
Historia
Mecanismo de manivela
España Los íberos o celtíberos inventaron las primeras manivelas, se usaban para rotar ruedas de molino entre el 600-500 a. C.desde donde su uso extendió al mundo posteriormente.Estos molinos constituyen un mecanismo de manivela.
China Han Las primeras manivelas manuales en China aparecieron durante la dinastía Han (202 a. C.-220 d. C.). Eran utilizadas para el devanado de seda, hilado de cáñamo, para el ventilador de cribado agrícola, en el cuatro cambios potenciado por agua, para fuelles metalúrgicos potenciados hidráulicamente, y en molinetes de pozo. El ventilador de cribado rotatorio incrementó, grandemente, la eficiencia de separación del grano de las cáscaras y tallos.
Sin embargo, en China, parece que nunca se tomó, totalmente en cuenta, el potencial de la manivela de convertir movimiento circular en movimiento reciproco y la manivela, usualmente, estuvo ausente de tales máquinas hasta alrededor del .
Imperio Romano Una manivela, en la forma de una manija montada excéntricamente en el molino de mano rotatorio, apareció en la celtibera España del y finalmente se esparció a través del Imperio Romano. Una manivela de hierro romana fechada al fue desenterrada en Augusta Raurica, Suiza. El molino romano operado por manivela esta fechado al final del .
Evidencias de la manivela combinada con una biela aparecieron en la Serrería de Hierápolis, fechadas al , también se encuentran en aserraderos en la Siria romana y Éfeso, fechadas al . El frontón de la Serrería de Hierápolis muestra una rueda hidráulica, alimentada por un canal de agua, potenciando vía un tren de engranajes dos sierras braceras que cortan bloques por medio de algún tipo de bielas y manivelas. Los mecanismos de biela-manivela de los otros dos aserraderos atestiguados arqueológicamente trabajaban sin un tren de engranajes. En Alemania, las sierras de mármol potenciadas hidráulicamente fueron mencionadas por el poeta de finales del , Ausonio; cerca del mismo tiempo, estos tipos de aserraderos, también, parecen ser indicados por Gregorio de Nisa de Anatolia.
Europa medieval Una afiladora rotatoria operada por una manivela manual se muestra en el manuscrito carolingio "Utrecht Psalter", el dibujo a pluma de alrededor del 830 va de regreso a un original antiguo. Las manivelas utilizadas para girar ruedas, también, se muestran o describen en varios trabajos fechados a los siglos al .
Las primeras descripciones de la manivela compuesta en el berbiquí de carpintero aparecieron entre 1420 y 1430 en obras de arte del norte europeo. La rápida adopción de la manivela compuesta puede ser trazada en los trabajos de un desconocido ingeniero alemán que escribió sobre el estado de la tecnología militar durante la Guerra Husita: primero, la biela, aplicada a manivelas, reapareció; segundo, las manivelas dobles compuestas, también, comenzaron a ser equipadas con bielas; y tercero, el volante fue empleado para que estas manivelas superarán el punto muerto (ing. dead-spot). El concepto fue mejorado por el ingeniero italiano y escritor Roberto Valturio en 1463, quien visualizó un bote con cinco juegos, donde las manivelas paralelas son todas unidas por una sola fuente de potencia por una biela, una idea también tomada por, su compatriota, el pintor italiano Francesco di Giorgio.
Para el comienzo del , la manivela llegó a ser común en Europa, como se ve en los trabajos del ingeniero militar Konrad Kyeser (1366 - después de 1405). Los dispositivos descritos en el "Bellifortis" de Kyeser incluyen molinetes con manivela para extender ballestas de sitio. Kyeser, también, equipo tornillos de Arquímedes, para levantar agua, con una manivela manual, una innovación que, subsecuentemente, remplazó la práctica antigua de trabajar la tubería por pasos.
Pisanello pintó una bomba-pistón conducida por una rueda hidráulica y operada por dos manivelas simples y dos bielas.
El , también, vio la introducción de dispositivos de piñón y cremallera con manivela, llamados "cranequins", los cuales se ajustaban a las existencias de la ballesta como un medio de ejercer aun más fuerza mientras se extiende el arma mísil. En la industria textil fueron introducidas, los carretes con manivela para enrollar madejas de hilo.
Cigüeñal
Próximo oriente medieval La manivela no manual apareció en algunos dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su "Libro de dispositivos ingeniosos" del . Estas manivelas operadas automáticamente aparecieron en varios dispositivos, anticipando la invención de Al-Jazari por varios siglos y su primera aparición en Europa por sobre cinco siglos. Sin embargo, la manivela automática descrita por los Banū Mūsā, no permitía una rotación total, pero solo se requirió de una pequeña modificación para convertirla en un cigüeñal.
En el Sultanato Artúquida, el ingeniero árabe Al-Jazari (1136 - 1206) describió un sistema de manivela con biela en una máquina rotatoria en dos de sus máquinas para levantar agua. La autora Sally Ganchy identificó un cigüeñal en su mecanismo de bomba de cilindros gemelos, incluyendo ambos mecanismos de manivela y eje.
Europa renacentista El físico italiano Guido da Vigevano (c.1280 - 1349), planeando para una nueva cruzada, hizo ilustraciones para un bote de paletas y carruajes de guerra que fueron propulsados por manivelas compuestas y ruedas dentadas giradas manualmente, identificados como tempranos prototipos de cigüeñal por Lynn Townsend White. El "Luttrell Psalter", fechado alrededor de 1340, describe una piedra de amolar, la cual era rotada por dos manivelas, una a cada extremo de su eje, el molino de mano con engranaje, operado tanto con uno o dos manivelas, apareció después en el .
Alrededor de 1480, la temprana piedra de amolar rotatoria medieval fue mejorada con un mecanismo de pedal y manivela. Las manivelas montadas en carros de empuje (ing. push-carts) aparecieron, primeramente, en un relieve alemán de 1589. Los cigüeñales, también, fueron descritos por Leonardo da Vinci (1452 - 1519), y un granjero y propietario de molino holandés llamado Cornelis Corneliszoon van Uitgeest en 1592. Su aserradero potenciado por viento utilizaba un cigüeñal para convertir un movimiento circular del molino de viento en un movimiento hacia adelante y atrás potenciando la sierra. A Corneliszoon le fue otorgada una patente por su cigüeñal en 1597.
Europa moderna Desde el en adelante, las evidencias de manivelas y bielas integradas en diseños de máquinas llegaron a ser abundantes en los tratados tecnológicos del período: el "The Diverse and Artifactitious Machines" de 1588 de Agostino Ramellí describe dieciocho ejemplos, un número que se incrementó en el "Theatrum Machinarum Novum" de Georg Andreas Böckler a 45 máquinas diferentes. Las manivelas fueron, primeramente, comunes en algunas máquinas en el comienzo del , por ejemplo casi todas las fotografías antes de los 1930s fueron potenciadas por motores de relojería enrollados con manivelas. Los motores de pistón reciprocarte utilizan manivelas para convertir el movimiento lineal de pistón en movimiento rotacional. Los motores de combustión interna de automóviles del comienzo del eran, usualmente, encendidos con manivelas de mano, antes que los motores de encendido llegaran al uso general. En 1918, el manual de propietario de Reo describe como darle con la manivela de mano al automóvil: +PasoInstrucciónPrimeroAsegúrese que la palanca de cambio de marcha este en la posición neutral.SegundoEl pedal de embrague esta desbloqueado y el embrague esta conectado. El pedal de freno es empujado hacia adelante tan profundo como sea posible, ajustando los frenos en la rueda trasera.TerceroVea que la palanca de control de chispa, la cual es la palanca corta ubicada en la parte superior del volante de dirección en el lado derecho, este hacia atrás tanto como sea posible, hacia el conductor, y la palanca mayor, encima de la columna de dirección controlando el carburador, es empujada hacia adelante cerca de una pulgada de su posición retrasada.CuartoGire el interruptor de encendido al punto marcado "B" o "M"QuintoAjuste el control del carburador en la columna de dirección al punto marcado "START". Asegúrese que haya gasolina en el carburador. Pruebe para esto presionando hacia abajo en la clavija pequeña que se proyecta desde el frente la unidad tanque del carburador se inunda. Si falla en inundarse, muestra que el combustible no se está entregando apropiadamente al carburador, y no se puede esperar que el motor encienda. Vea las instrucciones en la página 56 para llenado del tanque de vacío.SextoCuando es certero que el carburador tiene un suministro de combustible, sujete la manija de la manivela de encendido, empuje en la punta para conectar el trinquete con la clavija de eje de manivela y gire sobre el motor para darle un halón rápido hacia arriba. Nunca empuje hacia abajo, ya que si lo hace por cualquier razón, el motor golpeará hacia atrás y podría poner en peligro el operador.
Motores de combustión interna Los motores grandes son, usualmente, multi-cilindros para reducir las pulsaciones de encendido de carreras individuales, con más de un pistón unido a un cigüeñal complejo. Muchos motores pequeños, tales como aquellos encontrados en ciclomotores o maquinaria de jardín, son de un simple cilindro y utilizan solo un solo pistón, simplificando el diseño del cigüeñal.
Un cigüeñal esta sometido a enormes esfuerzos, potencialmente equivalentes a varias toneladas de fuerza. El cigüeñal esta conectado al volante (utilizado para suavizar el choque de salida y convertir la energía a torque), el bloque del motor, utilizando cojinetes en los muñones principales, y a los pistones vía su respectiva biela. Un motor pierde arriba del 75% de su energía generada en la forma de fricción, ruido y vibración en el cigüeñal y área de pistón. Las pérdidas restantes ocurren en el tren de válvulas (cadena de atiempado, bandas, poleas, eje de levas, lóbulos, válvulas, sellos, etc.) calor y soplado.
Cojinetes