Comprender cómo funcionan los árboles de levas

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Los eventos de sincronización del árbol de levas y válvulas seguramente deben parecer un montón de movimientos de mono en la superficie. Sin embargo, hay un motivo y una locura en la forma en que se diseñan los árboles de levas y, más específicamente, en cómo las empresas de árboles de levas los diseñan y los diseñan. Luego, usted, como entusiasta, debe decidir cómo elegir la cámara adecuada para su aplicación.

El árbol de levas es un eje con una serie de excéntricas (lóbulos) a lo largo de su línea central en varias posiciones diseñadas para abrir las válvulas de admisión y escape al mismo tiempo que el cigüeñal y el pistón sincronizan los eventos. Hay resortes para cerrar las válvulas. Los motores más antiguos con distribuidores también tendrán un engranaje impulsor de bomba de aceite/distribuidor a lo largo del árbol de levas en un extremo u otro. Cuando el árbol de levas abre las válvulas y durante cuánto tiempo con los eventos de sincronización del pistón determina cómo se comportará el motor y cuánta potencia generará. Nada afecta más la actitud de un motor que el perfil y la sincronización del árbol de levas.

El frente de llama resultante ruge a través de la parte superior del pistón a una alta velocidad que actúa sobre el pistón y la cámara de combustión. La energía térmica aplicada al pistón actúa sobre la biela y el muñón del cigüeñal, convirtiendo la acción lineal en movimiento giratorio y potencia. A medida que el cigüeñal gira de nuevo, el pistón vuelve a su carrera ascendente, expulsando los gases de escape calientes a través de la válvula de escape abierta.

La acción de la válvula es el resultado directo de la función del lóbulo de la leva contra el elevador, la varilla de empuje, el balancín y el vástago de la válvula. Para comprender qué es un árbol de levas, debe conocer toda la terminología.

Círculo base: El punto más bajo en el lóbulo cuando la válvula está completamente cerrada.

Rampa: La parte del lóbulo donde la válvula comienza a abrirse o comienza a cerrarse. El diseño de la rampa determina qué tan rápido o lento se abre o se cierra la válvula.

Nariz: El punto más alto del lóbulo cuando la válvula está completamente abierta.

Elevación del lóbulo: la cantidad de elevación generada en el lóbulo mismo.

Elevación de la válvula: la cantidad de elevación que se produce en la válvula, que se multiplica por la relación del balancín. Si la elevación del lóbulo en la leva es de 0,500 pulgadas y tiene una relación de balancín de 1,6:1, tendrá una elevación de 0,800 pulgadas en la válvula. La relación de balancín de 1,6:1 significa que tienes 1,6 veces la sustentación que tienes en el lóbulo.

Duración: es el tiempo que la válvula está fuera de su asiento en grados de rotación del cigüeñal. Hay una duración anunciada y una duración con una elevación de 0,050 pulgadas. También hay una duración con una elevación de 0,006 pulgadas. Cada fabricante de cámaras tiene un enfoque diferente para determinar la duración. Mire estos números cámara por cámara y tome la decisión correcta para usted.

Centros de lóbulos: también conocida como separación de lóbulos, es la relación que tienen entre sí los lóbulos de las levas de admisión y escape. En otras palabras, la «separación de lóbulos» es el número de grados que separan los picos de los lóbulos de admisión y escape. Tome este número de grados que los picos de los lóbulos están separados y divídalo por la mitad y obtendrá el número de grados del cigüeñal que están separados.

Aumentar el número de grados de separación de los lóbulos disminuye el solapamiento de las válvulas, mientras que disminuir el número de grados aumenta el solapamiento de las válvulas. La superposición de válvulas es cuando ambas válvulas están fuera de sus asientos al mismo tiempo entre las carreras de escape y admisión. Lo que esto significa para el rendimiento depende de la relación del vástago y el tiempo de permanencia del pistón en la parte superior del orificio. Desea que la eliminación de gases de escape ayude a la velocidad en el lado de admisión, donde los gases salientes ayudan a transportar la carga de aire fresco/combustible. Esto también puede funcionar en su contra según el tamaño de la cámara y la cantidad de tiempo que la válvula de admisión esté abierta.

Lóbulo Asimétrico: Es un lóbulo con una dinámica de rampa de apertura diferente a la del lado de cierre. Esto significa que la válvula se abre a una velocidad diferente a la que se cierra.

Elegir un árbol de levas consiste en comprender las muchas variables que ocurren dentro de un motor. No puede simplemente ingresar a un catálogo de árboles de levas y elegir una molienda de levas. Tienes que saber algo sobre el motor con el que estás trabajando. Un perfil de árbol de levas dado se comportará de manera diferente con diferentes tipos de arquitectura de motor.

Entonces, ¿cómo elegir una cámara?

Varilla larga o varilla corta? ¿Conoces la relación de varillas del motor? ¿Qué es la relación de compresión? ¿Qué tamaño tienen las cámaras de combustión y cómo tienen forma? Cabeza de hierro o aluminio. ¿Qué es la cúpula del pistón o el volumen del plato? ¿Cuáles son los tamaños de válvula? ¿Qué tienes para un sistema de inducción? ¿Combustible inyectado o carburado? ¿Hay planes para un supercargador, turbocargador o nitroso? ¿Qué son las dimensiones de diámetro y carrera? Y lo más importante, ¿cómo piensa utilizar el vehículo la mayor parte del tiempo?

A medida que aumentan las rpm del motor, se vuelve más difícil llenar los cilindros con una carga de aire/combustible. Enfrentamos este desafío aumentando la duración del lóbulo del árbol de levas, que es el tiempo que la válvula permanece fuera de su asiento. Algunas rectificadoras de leva persiguen este desafío de llenar el cilindro abriendo la válvula de escape hacia el final de la carrera de potencia de modo que cuando la manivela gire para completar la carrera de escape, la válvula de escape esté completamente abierta. Cuando considera esta dinámica en la superposición de válvulas, el barrido contribuye a la carrera de admisión de aire/combustible. Los eventos de generación de energía ocurren tan rápido a altas revoluciones que tenemos que pensar en el próximo ciclo de energía, mucho más adelante.

En el momento en que el pistón se acerca al fondo de su carrera de potencia, la mayor parte de la energía térmica se ha consumido y hay poco o ningún daño si se abre la válvula de escape prematuramente. El objetivo es llenar el orificio del cilindro con la mayor cantidad posible de mezcla de aire/combustible, lo que significa anticiparse a las carreras de potencia y de escape.

Sabemos que las válvulas son más efectivas cuando están completamente abiertas. De hecho, el escenario más óptimo sería válvulas que se abren instantáneamente en lugar de gradualmente. Sin embargo, en el mundo mecánico puro de los lóbulos de las levas y los elevadores, la acción de las válvulas no funciona de esta manera, especialmente si está trabajando con una cámara de calle. De hecho, los motores tienen un trabajo diferente que hacer en la calle frente a las exigencias de las carreras.

Las levas de carrera son a menudo una historia diferente donde un perfil de lóbulo agresivo permite la acción rápida de la acción de válvula abierta instantánea, especialmente con levas de rodillos y prácticamente imposible con empujadores planos. A menos que tenga un presupuesto generoso o un amigo que sea su molinillo de leva personal, es poco probable que esto suceda. Tienes que conformarte con lo que hay en el estante o pasar a una molienda personalizada.

Datos rápidos de la cámara

Los perfiles de cámara agresivos te darán más potencia. Sin embargo, siempre hay una cierta cantidad de pérdida en términos de durabilidad, longevidad, economía de combustible y emisiones más bajas. No puedes tenerlo todo, pero puedes acercarte. Una leva radical con elevación extrema es dura para el tren de válvulas. Golpeará los resortes, que sufrirán fatiga cíclica. Los vástagos de las válvulas, las guías y los protectores también sufrirán golpes.

Elegir el árbol de levas correcto para su proyecto de construcción de motores implica tarea y hablar con los que saben que pueden ayudarlo a tomar la decisión correcta. Es por eso que querrá conversar con el soporte técnico de Crower Cams cuando sea el momento de seleccionar un árbol de levas y el sistema de tren de válvulas relacionado. Pocos en la industria pueden ofrecerle mejor soporte técnico y producto que Crower porque Crower lo ha estado haciendo por más tiempo que la mayoría de la industria. La experiencia de Crower siempre se ha centrado en las carreras y en lo que la experiencia de las carreras ha hecho por el rendimiento en la calle.

Si está construyendo un viajero diario o un crucero de fin de semana, desea un perfil de cámara fácil de usar con el que pueda vivir. Quieres un ralentí civilizado pero algo que se vuelva fuerte cuando sea el momento de pisar el acelerador. Esta es la razón por la que los árboles de levas hidráulicos de rodillos tienen más sentido que los empujadores planos, aunque son más caros. Una leva de rodillos puede ofrecerle más elevación y duración sin los sacrificios que implica una leva de empujador plano.

Aunque siempre se presta mucha atención a los caballos de fuerza, el torque es tu amigo en la calle, incluso si estás planeando una carrera de fin de semana. Torque es lo que te hace empezar. Y con el acelerador completamente abierto, aprieta las manos a la potencia cuando sea el momento de ponerlo en marcha. En la calle, desea una banda de potencia amplia que comience alrededor de las 2500 rpm, con un par máximo que fluya alrededor de las 3800 rpm. Después de eso, se trata de caballos de fuerza.

Si usted es el aficionado promedio, estará buscando un motor listo para usar que probablemente funcione bien en su motor y en su técnica de conducción. Puedes tener toda la cámara del mundo. Sin embargo, si tiene cabezales originales e inducción junto con un sistema de escape restrictivo, solo está perdiendo tiempo y dinero. La leva, los cabezales y la inducción tienen que trabajar juntos como un equipo. Si tiene cabezas, inducción y escape estándar, quiere una leva de torque, una que le ofrezca velocidad de admisión y torque de gama baja.

Anteriormente mencionamos la potencia y el torque y cuál era más importante. En la calle, en rangos de rpm de rango bajo a medio, donde su motor pasa la mayor parte del tiempo, lo que desea es torque, no caballos de fuerza. Esto significa que su enfoque debe ser el par, el gruñido, para obtener potencia bruta bajo aceleración donde más la necesita. La potencia es un elemento que ocurre a altas revoluciones. Y en las carreras, el torque y la potencia llegan al mismo tiempo.

No encontrará un árbol de levas que ofrezca todo lo que desea. Hay cámaras callejeras y cámaras de carreras. Y hay cámaras que ofrecen cierta medida de cruce. Piensa en cómo conduces tu camión clásico la mayor parte del tiempo y, luego, ocúpate de comprar la cámara adecuada para tu estilo de conducción.

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La función del árbol de levas tiene que ver con el llenado del cilindro, generar potencia y eliminar los gases de escape calientes. Desea mucha elevación y duración para llenar el orificio. Si su objetivo es un funcionamiento a muchas revoluciones altas, desea una superposición de válvulas en la que los gases de escape que salen permitan la inducción de una carga saludable de aire/combustible.
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La forma y el tamaño de la cámara de combustión afectan la selección de la leva. También lo hace el tamaño de la válvula. Esta es una cámara moderna de alto remolino en un cabezal de investigación de flujo de aire de aluminio. Pero, ¿y si estás trabajando con una cabeza de hierro antigua? El aluminio se deshace del calor más rápido que el hierro. ¿Cuál es su relación de compresión? Puede obtener más compresión con una cabeza de aluminio que con una de hierro. El aluminio versus el hierro afecta la selección de la leva.
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Este árbol de levas hidráulico básico de empujador plano para un Ford de bloque pequeño demuestra lo que hacen los árboles de levas. Cada uno de estos excéntricos (lóbulos) trabaja contra la presión del resorte de la válvula para abrir las válvulas de admisión y escape para completar el proceso de potencia de cuatro ciclos. Estos lóbulos de leva (flechas negras) proporcionan acción de válvula en los cilindros 1 y 5 en bancos de cilindros opuestos. El engranaje (flecha roja) impulsa el distribuidor y la bomba de aceite. Debido a que este es un árbol de levas de empujador plano de hierro, tiene un engranaje impulsor del distribuidor de hierro.
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Aquí se muestran dos tipos básicos de árboles de levas. A la izquierda hay un árbol de levas de taqué plano anticuado. A la derecha hay un árbol de levas de rodillos más moderno, aunque las levas de rodillos han existido durante tanto tiempo como el empujador plano. Una leva de rodillo ofrece más duración de la que podría obtener con un árbol de levas de empujador plano. Las levas de rodillos le brindan más opciones.
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Los elevadores de taqués planos se ubican a un lado del lóbulo donde el lóbulo no solo mueve el elevador verticalmente para abrir la válvula, sino que lo hace girar para mantener el desgaste uniforme. Las levas de empujadores planos requieren un proceso de rodaje más reglamentado utilizando un aceite de motor convencional con alto contenido de zinc.
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Si el presupuesto lo permite, la selección del árbol de levas debe incluir la reducción de la fricción y la eficiencia. No solo desea una leva de rodillos, sino también balancines de rodillos con fulcros de cojinetes de agujas para reducir la fricción y liberar energía. Las varillas de empuje de una pieza ofrecen durabilidad y las varillas de empuje de tres piezas nunca lo harán. Gaste el dinero por adelantado y duerma mejor.
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Una visita reciente a Crower Cams nos brindó la oportunidad de ver la fabricación de sus empujadores de rodillos Endura-Max. Crower los fabrica aquí en los Estados Unidos. Nada de eso se subcontrata, así que no te preocupes por la calidad. Crower fabrica estos elevadores en su propia fábrica comenzando con acero duro para herramientas (extremo izquierdo), que se mecaniza paso a paso como se ve aquí de izquierda a derecha. Cada pieza es un proceso de mecanizado que conduce al producto terminado (extremo derecho).
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Estos son empujadores hidráulicos de rodillos Crower completos, listos para empaquetar y enviar. Cuando examinas la gran atención al detalle que se muestra aquí, es fácil entender por qué Crower mantiene su reputación entre los corredores y los entusiastas de las actuaciones callejeras por igual.
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Puede ser un desafío diferenciar entre empujadores sólidos (mecánicos) e hidráulicos. Mire dentro del cuerpo del elevador y podrá ver su construcción sólida sin émbolo ni anillos elásticos. Estos son empujadores de rodillos macizos.
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Estos son elevadores hidráulicos de rodillos con émbolos flotantes asegurados con anillos elásticos. Se aplica presión de aceite al levantador, lo que permite que el émbolo tome el latigazo en la varilla de empuje y el balancín.
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Se trata de palanquillas de leva de acero parcialmente mecanizadas que esperan la molienda final. Crower muele cada árbol de levas que vende a la antigua usanza por manos humanas.
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Crower rectifica todos sus árboles de levas internamente como lo ha hecho durante décadas. Cada leva se inspecciona y verifica minuciosamente antes de enviarla al cliente.
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Estudia los elementos de un lóbulo de leva y todo comienza a tener sentido para lo que hacen. Este es un lóbulo de leva simétrico con rampa uniforme en ambos lados donde la tasa de apertura y cierre de la válvula es la misma.
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Esta es una etiqueta de sincronización típica del fabricante, que muestra la composición física del árbol de levas, incluida la holgura de válvula recomendada, la elevación bruta en la válvula y un diagrama de sincronización completo, que incluye dos revoluciones completas del cigüeñal. Si su árbol de levas proviene de un fabricante de renombre, debería tener todo esto y más.
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Esta ilustración es lo que usa para graduar el árbol de levas una vez que está instalado en su motor. La información que se muestra aquí incluye la elevación bruta medida en el lóbulo de la leva y los puntos de sincronización cuando el elevador se eleva 0,050 pulgadas.
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Aquí hay un ejemplo de lóbulos de leva asimétricos versus simétricos.
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Este es un árbol de levas mecánico de taqué plano típico para un Ford 289 High Performance V-8 con una cadena de distribución y una rueda dentada convencionales. El contrapeso del cigüeñal estampado es solo para el 289 High Performance V-8 para permitir el peso y la masa adicionales de la biela.
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Aquí hay un árbol de levas de rodillos hidráulicos para un bloque grande Ford FE con elevadores de rodillos vinculados. El bloque grande FE tiene balancines montados en el eje, que eran ajustables (taqués mecánicos) y no ajustables (taqués hidráulicos). Los balancines no ajustables son 1,73:1 mientras que los ajustables son 1,76:1. No hay una ventaja real con el 1.76:1, excepto que son ajustables, lo cual es una buena característica en comparación con probar diferentes longitudes de varillas de empuje.
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Este árbol de levas de rodillos LS claramente tiene una cantidad agresiva de elevación y duración cuando estudias los lóbulos de cerca. Debido a que el LS emplea tecnología moderna, obtiene una verdadera cadena de rodillos y un cojinete Torrington para reducir la fricción. Esto es lo que desea incluso en un V-8 antiguo de hierro fundido si su presupuesto lo permite. Menos fricción es igual a más potencia.
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Parece haber un malentendido sobre cómo lubricar los árboles de levas. Los árboles de levas de los rodillos reciben lubricante del conjunto del motor en los lóbulos y los muñones. Las levas de empujadores planos colocan el lubricante del conjunto del motor en los muñones y el lubricante de molibdeno (como se muestra) en los lóbulos y el engranaje impulsor del distribuidor para un rodaje adecuado. El lubricante Moly ayuda a endurecer los lóbulos durante el encendido inicial. Todos los motores deben obtener una aceleración de 2500 rpm durante 30 minutos durante el primer encendido.
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Saque cualquier árbol de levas del estante y verá marcas de identificación como esta de Erson Cams. Cada fabricante tiene un enfoque diferente, sin embargo, las marcas deberían decirle algo sobre las especificaciones.
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Algunas rectificadoras de levas marcan sus árboles de levas con un lápiz eléctrico o un sello manual.
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Cada construcción de motor y cambio de leva debe incluir una calificación para determinar las especificaciones en la tarjeta de la leva (flecha blanca). Rara vez la cámara coincide con la tarjeta de la cámara a la carta. Siempre hay alguna variación. Mientras esté allí, verifique el TDC verdadero (flecha negra). El PMS verdadero es cuando el eje y la biela están a las 12 en punto, donde el pistón se encuentra en el PMS.
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Las holguras entre la válvula y el pistón deben verificarse cuando esté graduando la leva. La masilla se usa en los alivios de las válvulas como una impresión para verificar las holguras. Desea al menos 0,060 pulgadas o más de espacio libre entre las válvulas y el pistón.
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Las ruedas dentadas de sincronización ajustables le permiten modificar la sincronización de la leva para su aplicación particular. Este emplea pequeños excéntricos que alteran la sincronización en la rueda dentada de la leva.
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Esta es una instalación típica de balancines de Chevy de bloque pequeño o grande. Su cambio de leva debe incluir una verificación de la geometría del tren de válvulas. La punta del balancín debe estar en el centro del vástago de la válvula a medida que gira la manivela y observa cómo se mueve la válvula. Marque la punta del vástago de la válvula con un marcador y páselo. La marca testigo debe quedar en el centro de la punta del vástago de la válvula. Cualquier cosa a ambos lados provoca cargas laterales y desgaste innecesarios.
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La flecha indica cómo debe mirar la geometría del tren de válvulas. La punta del rodillo debe asentarse en ángulo recto sobre el vástago de la válvula desde el reposo hasta la apertura total. La geometría se ajusta a través de la longitud de la varilla de empuje. Use un comprobador de varilla de empuje para obtener la longitud exacta. Tome esa medida y pida varillas de empuje de Crower Cams.
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Este es un comprobador de varillas de empuje, que le permite configurar la geometría de su tren de válvulas, medir la longitud de la varilla de empuje y proporcionar las medidas a Crower.
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Las varillas de empuje deben elegirse según el servicio. Incluso en una aplicación estándar, sugerimos el uso de varillas de empuje de pared gruesa de una pieza en aras de la durabilidad.
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Los motores V-8 de la serie LS de GM en todas sus formas emplean estos balancines montados en el eje, que se mantienen bastante estables a altas revoluciones. Es notable cuánto estrés pueden soportar y volver por más.
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Cuando trabaja con balancines montados en espárragos y un árbol de levas con empujador mecánico, el juego de válvulas se ajusta con un medidor de espesor con ambos lóbulos de leva en el círculo base y ambas válvulas cerradas.
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El espaciado de la bobina del resorte de la válvula nunca debe ser más estrecho que 0,060 pulgadas o corre el riesgo de que la bobina se atasque. Con la válvula completamente abierta, verifique los espacios libres de unión de la bobina.
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La selección de engranajes del distribuidor se reduce al tipo de leva que tiene. Las levas de empujador plano de hierro requieren un engranaje de hierro hecho del mismo material y dureza. Las levas de empujadores de rodillos de acero requieren un engranaje más duro en acero, latón o material sintético. Ejecute un engranaje de hierro con un eje de acero y se lo comerá rápidamente.
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Una cadena de distribución y una rueda dentada convencionales están bien para una aplicación de rendimiento normal o de calle.
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Para aplicaciones de rendimiento, una cadena de distribución de dos rodillos y una rueda dentada reducen la fricción y mejoran la precisión de la sincronización. También obtiene una rueda dentada de sincronización ajustable en la manivela, que le permite variar la sincronización de la válvula.
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Recibimos muchas preguntas sobre el juego de válvulas de taqué hidráulico y cómo ajustarlas correctamente. Esto es lo que los fabricantes de motores nos dicen en general. Si está utilizando una leva hidráulica, coloque cada orificio en la carrera de compresión con ambas válvulas cerradas y los lóbulos en el círculo base. Apriete el ajuste lentamente hasta que la varilla de empuje no se pueda girar con la punta de los dedos. Apretar media vuelta para motores de calle. Si vas a competir, aprieta un cuarto de vuelta. Si escucha ruido en el balancín, vuelva atrás y reajuste.
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Juan Francisco Calero

Llevo ya casi 20 años trabajando para la industria del automóvil. Asesorando a docenas de empresas del sector en materia de comunicación y marketing. Linkedin