tren de fuerza motriz

CAJA DE

CAMBIOS TREN DE FUERZA MOTRIZ

CAJA DE CAMBIOS

Introducción:

- La potencia y el par desarrollados por un motor varían en función del régimen de giro, alcanzándose el valor máximo de la potencia para una determinada velocidad de rotación, mientras que el mayor par motor se obtiene generalmente en un régimen de giro inferior.

- Como es sabido en los motores térmicos, la fuerza expansiva de los gases es generada por la explosión de la mezcla, esta fuerza queda aplicada a la cabeza del pistón sobre la que ejerce un empuje.

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- A mayor cantidad de mezcla que explosiona, mayor será el empuje

que es transmitido al codo del cigüeñal por medio de la biela, de manera que en el punto de unión entre ambos queda aplicada la fuerza F, la cual actúa sobre el cigüeñal a una distancia L, generando un par motor en el eje de giro de cigüeñal

- Esto viene a significar el esfuerzo de rotación que es capaz de

desarrollar un motor, venciendo a las fuerzas que se oponen a su movimiento.

- Por tanto podemos decir que el par motor es un esfuerzo de rotación,

que se transmite a las ruedas y origina en ellas una fuerza de impulsión, que vence la resistencia que se opone al movimiento; para mantener un movimiento a velocidad constante, la potencia transmitida

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debe ser igual, en todo momento, a la potencia absorbida en la rueda, es decir:

� =��×�

��

��×�

��=

�×��

��

�� × � = � × ��

- Si no existiera caja de cambios, el número de revoluciones del motor se transmitirían íntegramente a las ruedas, con lo cual el par resistente en las ruedas sería igual al par a desarrollarse en el motor.

P: potencia del motor (Kw) Cm: par motor (Nm) n: número de rpm del motor Cr: par resistente en las ruedas n1: número de rpm en las ruedas

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- Si en un momento dado el par resistente aumentara, habría que

aumentar igualmente la potencia del motor; en este caso se debería contar con un motor de una potencia exagerada, capaz de absorber en cualquier circunstancia los diferentes regímenes de carga del vehículo.

- Como se indico anteriormente, el par motor es el producto de una fuerza por la distancia desde el punto de aplicación al eje de giro, en consecuencia, este par resulta tanto mayor cuanto más sea la fuerza actuante ( resultado de la explosión), depende de la distancia del punto de aplicación (radio de giro de la muñequilla del cigüeñal). Si se toman como unidades el Newton y el metro, el par motor se expresan en Nm.

- Considerando que en un determinado motor, el radio de la muñequilla

del cigüeñal es una magnitud constante, se afirma que el par motor es

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función de la fuerza de la expansión del gas, lo que viene a significar que el par motor alcanza sus más altos valores cuando las explosiones son más fuertes

- En los bajos regímenes, el llenado del cilindro no es bueno, dada la

baja capacidad de aspiración del motor en estas condiciones de funcionamiento, por lo que el par desarrollado disminuye considerablemente

- En los regímenes altos, el tiempo que permanece abierta la válvula de

admisión, resulta insuficiente para conseguir un buen llenado del cilindro por cuya causa el par motor desarrollado decrece también.

-

-

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- Las explosiones más fuertes que se da en regímenes medios, donde el

llenado del cilindro es mejor, por estar más tiempo en la válvula de admisión abierta.

- El par motor multiplicado por el número de revoluciones, da la potencia

desarrollada. De esto se deduce que la potencia de un motor varía fundamentalmente en los regímenes más altos, pues a pesar de que en el par disminuye en estos márgenes, el número de explosiones por minuto aumenta grandemente, lo que conlleva un crecimiento importante de la potencia desarrollada por el motor.

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- En la figura se observa las curvas características de potencia y para de un motor en función de régimen de giro, donde se observa que el par motor resulta de valores relativamente constantes en una amplia gama de revoluciones, nominada zona de utilización comprendida en este caso entre las 2000 y 5000 rpm a partir de este último régimen, el par decrece rápidamente.

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- Por lo que se refiere a la potencia, el gráfico demuestra que el máximo

valor de la misma se obtiene a una velocidad de rotación elevada, generalmente comprendida entre las 5000 y 6000 rpm en los motores actuales

- Examinando las curvas de potencia y de par motor, vemos que existen dos valores de revoluciones n y n1, entre los cuales el motor funciona con buen rendimiento, pues lo que se pierde en potencia con el descenso de revoluciones, se gana en par motor, y viceversa; esto constituye la elasticidad del motor. Estos límites sirven para el cálculo teórico y aproximado de las relaciones de cambio en la caja de velocidades.

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- La necesidad de disponer de una caja de cambios entre el motor y las ruedas es debida a las características de los propios motores de combustión interna, utilizados en los vehículos. Como se indico, este tipo de motores se alcanza el par máximo a un régimen de giro de aproximadamente la mitad de las revoluciones máximas y la potencia máxima a un régimen cercano al punto de corte de inyección. Se trata, por tanto, de motores con características que se alejan bastante de las requeridas en tracción, en los que idealmente se busca una entrega de potencia constante, lo que proporcionaría pares de tracción elevados a bajas velocidades de giro y reducidos a altas.

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- Las cajas de cambios se emplean para aproximar la curva del par motor a la curva ideal, tratando de aprovechar al máximo el rendimiento del motor a diferentes velocidades del vehículo. Además, las cajas de cambio permiten, variando la relación de transmisión del cigüeñal a las ruedas, mantener el motor en la zona de máxima potencia, si lo que se quiere es una rápida aceleración, o llevarlo al régimen óptimo, si lo que se desea es un ahorro de combustible.

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- Como se puede ver en la figura anterior, con la caja de cambios se aproxima a la curva ideal, tratando de que, cada vez que se pasa de una relación a otra, el motor nunca caiga por debajo de su régimen de par mínimo para la relación seleccionada. Con esta premisa, se considera que un cambio estará bien escalonado cuando, al llegar al régimen máximo del motor con una determinada relación de transmisión, se pasa a la relación siguiente y el motor se encuentra a un régimen superior al del par máximo, de forma que sea capaz de proporcionar la fuerza de tracción que se le solicita.

- Desde el punto de vista de la velocidad máxima, se busca una relación de cambio que permite alcanzar la velocidad máxima al régimen de potencia máxima. Si se consigue esto, significa que la energía que se opone al avance del vehículo coincide con la máxima que es capaz de

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desarrollar éste y, por lo tanto, se estará aprovechando el motor al máximo.

- Ahora, de la formula �� × � = � × ��; se deduce:�

��=

�

��= �;

los pares de transmisión son inversamente proporcionales al número de revoluciones.

- Por lo tanto la relación n/n1 n/n1 n/n1 n/n1 es la multiplicación que hay que aplicar en la caja de cambios para obtener el aumento de par necesario en las ruedas.

- La caja de cambios, por lo tanto, se dispone en los vehículos para

obtener, por medio de engranajes, el par motor necesario para las

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diferentes condiciones de marcha, aumentado el par de salida a cambio de reducir el número de revoluciones.

- Cuando el valor de la resistencia es igual al del par motor desarrollado

el vehículo se mueve con una velocidad constante.

- Si el esfuerzo de la rotación aplicado a las ruedas es inferior a la resistencia a vencer por el vehículo en su marcha, este perderá velocidad hasta detenerse

- Si el esfuerzo de la rotación aplicado a las ruedas es superior a la resistencia a vencer por el vehículo en su marcha, este ganará velocidad.

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- Por explicado, los requerimientos que se exigen a una caja de cambios o la misión de la misma, se pueden resumir en:

•••• Permitir iniciar la marcha del vehículo, incluso en rampa pronunciada y a plena carga. Para ello, aumentan el par que proporciona el motor reduciendo la velocidad de rotación.

•••• Adecuar los pares y velocidades a los requerimientos de los vehículos, aproximándose en la manera de lo posible a la hipérbola ideal de tracción.

•••• Posibilitar la inversión del sentido de la marcha y la interrupción de la cadena cinemática de transmisión.

•••• Permitir tener el motor encendido y el vehículo parado.

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TIPOS DE CAJAS DE CAMBIO

- La clasificación de las cajas de cambio en "manuales" y "automáticas" puede resultar ambigua. Hasta no hace mucho la distinción entre automáticas y manuales servía para describir tanto su funcionamiento como su construcción. Pero desde hace unos años, con la aparición de los cambios automáticos con accionamiento secuencial y sobre todo con la llegada de los llamados "cambios robotizados", la distinción ya no es tan clara.

- Tradicionalmente, una caja manual estaba formada por pares de

engranajes, que el conductor seleccionaba a través de varillas o cables con una palanca "en H".

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- Una caja automática constaba normalmente de engranajes epicicloidales, seleccionados por un sistema hidráulico a través de embragues y frenos, en función de la velocidad del vehículo, el régimen del motor y la posición del acelerador. En este tipo de cambio automático, el conductor normalmente disponía de una palanca para seleccionar el número de marchas a emplear, con objeto de que el cambio no engranara las más largas en rampas o con grandes cargas.

- Desde la perspectiva anterior, ahora hay cambios manuales que

pueden funcionar automáticamente y cambios automáticos que admiten un manejo manual. Esta ambigüedad surge de considerar que, si un cambio es automático o manual funcionalmente, también lo es estructuralmente.

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- Si la distinción es funcional, se puede decir que manual es el cambio en el que el conductor engrana las relaciones por un procedimiento mecánico, sin ningún otro sistema de control. Automático es aquel capaz de variar las relaciones de cambio sin intervención del conductor, aunque en alguno de sus modos de funcionamiento sea posible que el conductor las seleccione; es decir, es automático si puede cambiar solo, y manual si no puede.

- Dentro de esta división funcional, cabe considerar diferentes tipos de

cambio según criterios como:

•••• tipo de mecanismo para variar las relaciones

•••• tipo de mando para seleccionarlas

•••• tipo de conexión entre el motor y el cambio.

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Por tanto, la clasificación de las cajas de cambio se puede hacer desde dos puntos de vista, ya reseñados anteriormente, funcional y estructural. a) Clasificación estructural de las cajas de cambio

La clasificación estructural de las cajas de cambio se hace en función del mecanismo que se emplea para variar la relación de transmisión entre el motor y las ruedas. Actualmente se usan tres mecanismos diferentes:

1) Pares de engranajes cilíndricos helicoidales 2) Trenes epicicloidales 3) Variador continuo de velocidad

1) El mecanismo de uso más extendido es el par de engranajes,

empleado en todas las cajas manuales y en algunas automáticas. Se

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trata, normalmente, de engranajes cilíndricos helicoidales, de toma constante y sincronizada. Este tipo de cajas de cambios, si la selección la hace el conductor pero a través de un sistema controlado electrónicamente, se llaman cambios "robotizados".

2) Los trenes de engranajes epicicloidales son los que se han utilizado y se utilizan comúnmente en cajas automáticas. Su principal ventaja es la suavidad del cambio, ya que la selección de las distintas relaciones se hace mediante frenos y embragues, no engranando piezas.

3) El cambio de variador continuo, gracias a los avances en su diseño, se está utilizando cada vez más en turismos. Éstos se pueden clasificar en dos clases: con correa metálica o con cadena

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b) Clasificación funcional de las cajas de cambio

La clasificación de las cajas desde un punto de vista funcional se hace en función de quién selecciona la relación de marcha y de qué forma se realiza la variación; así, se tienen tres tipos de cajas:

1) Automáticas 2) Semiautomáticas 3) Manuales

1) Cajas de cambio automáticas

Dentro de las cajas de cambio automáticas se engloban aquellas en las que en la selección de la relación de cambio no interviene el conductor, realizándola el sistema en función de diferentes factores operativos. Este

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tipo de cajas de cambio permiten al conductor limitar el número de relaciones que pueden engranarse, impidiendo que se seleccionen las más largas, por ejemplo, cuando se descienden pendientes pronunciadas, se arrastran cargas, se circula por ciudad, etc. Los cambios automáticos, cuyo uso en Japón y Estados Unidos es generalizado, no ha sido aceptado con éxito por la mayoría de los conductores europeos. Tradicionalmente, se ha achacado este relativo fracaso en Europa a motivos de tipo económico y de funcionamiento, entre los que se pueden citar su mayor precio, su mayor consumo y su mala adaptación a la complicada orografía europea. Pero es un motivo psicológico el principal freno a su utilización, como es la pérdida de agrado de conducción y de control sobre el vehículo que perciben la mayoría de los conductores.

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Las desventajas de tipo económico y funcional que presentaban estos cambios respecto a los manuales se han superado con éxito en los diseños actuales. Sigue siendo la percepción de los conductores el motivo que frena las ventas de vehículos equipados con este tipo de cambio. La evolución de los cambios automáticos, por un lado, ha ido hacia el incremento de las relaciones de transmisión, pasando de las tres o cuatro velocidades hacia delante de hace unos años a las, cada vez más populares, transmisiones de cinco velocidades o incluso seis o siete de las transmisiones tipo CVT. Con este mayor número de velocidades se consigue una relación de cambio más cerrada, que repercute en una ganancia de prestaciones y en un menor consumo, al no haber tanto salto de revoluciones entre marchas como ocurría, por ejemplo, en los cambios automáticos de tres velocidades.

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Por otro lado, lo que más ha influido en la evolución de los cambios automáticos ha sido la utilización de los controles electrónicos. La electrónica ha permitido el desarrollo de los sistemas de control auto adaptativos, que permiten que el coche reconozca el tipo de conducción (deportiva, etc.) y el tipo de carretera por la que se circula, adaptándose a ellas modificando las revoluciones al variar las relaciones de transmisión. El incremento del número de relaciones de transmisión y la introducción de los controles electrónicos han supuesto que los cambios automáticos mejoren a los manuales en consumo, rendimiento y funcionamiento. A pesar de esto, siguen teniendo un precio superior, por la complejidad técnica de los mismos, y siguen sin ser completamente aceptados por los conductores europeos por el motivo reseñado anteriormente, la supuesta pérdida del control sobre el vehículo.

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Los cambios automáticos pueden subdividirse en función de la forma constructiva de las cajas de cambios:

•••• Cambios automáticos por trenes epicicloidales.

•••• Cambios automáticos CVT.

•••• Cambios manuales robotizados o automatizados.

2) Cajas de cambios semiautomáticas

Dentro de las cajas de cambio semiautomáticas se clasifican aquellas que permiten la selección de la relación de transmisión al conductor, pero el resto del proceso del cambio es completamente automático. En los vehículos equipados con este tipo de cajas no se dispone de pedal de embrague ni de conexión mecánica entre la palanca de cambios, si es que existe, y la propia caja. Normalmente, el mecanismo de selección de estas

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cajas es de tipo secuencial: hay una secuencia para variar las relaciones, mover una palanca, pulsar un botón o accionar unas levas, pero no una posición de esa palanca o ese botón distinta para cada marcha. La selección de las marchas, a pesar de depender del criterio del conductor, está supeditada a un control electrónico que impide el cambio si las revoluciones del motor y la velocidad del vehículo no son las adecuadas para la nueva relación de transmisión. En la actualidad, los cambios semiautomáticos, cada vez más extendidos, permiten, a elección del conductor, el funcionamiento de forma completamente automática. Como se puede comprender, las cajas de cambio semiautomáticas están en una posición intermedia entre los cambios manuales y los automáticos, con las ventajas de ambos. Con este tipo de diseños se consigue superar la resistencia de los conductores a la utilización del cambio automático, ya

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que mantienen, en parte, el control sobre la selección de la relación de transmisión. Además, al permitir al conductor la opción de funcionamiento completamente automático, mejoran el confort en circulación por ciudad, con cambios constantes. En los diferentes diseños actuales se tienen cambios semiautomáticos que derivan de cajas de cambio completamente automáticas o de cajas de cambio manuales. Por tanto, dentro de la forma constructiva de este tipo de cambios se pueden encontrar:

•••• Cambios semiautomáticos de trenes epicicloidales.

•••• Cambios semiautomáticos CVT.

•••• Cambios semiautomáticos de pares de engranajes cilíndricos helicoidales.

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3) Cajas de cambios manuales

Como cajas de cambio manuales se engloban aquellas en las que la selección de la relación de cambio y el proceso de desembragado y embragado dependen completamente del conductor. Además, la palanca de cambio tiene una posición determinada para cada relación, existiendo una conexión mecánica entre ella y la caja. Desde un punto de vista estructural, este tipo de cajas de cambio está constituido, en la práctica totalidad, por pares de engranajes cilíndricos helicoidales de engrane constante sincronizados. En cajas de cambio destinadas a vehículos de competición se emplean engranajes cilíndricos rectos.

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Principio de multiplicación de par y relación de transmisión en

engranajes

- Se ha dispuesto dos piñones E y R engranados entre sí, de manera que el más pequeño E, de radio L está montado sobre el árbol motor del que recibe un par C a una cierta velocidad de rotación trasmitiendo a través del diente un esfuerzo F.

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- De modo que C es igual a F por L, el diente en toma de piñón R recibe esta misma fuerza F, de manera que si el radio del mismo es 2L, el par resultante es C = F x 2L, lo cual supone que siendo F la misma en los dos piñones, el par o esfuerzo de rotación resulta multiplicada por dos.

- Si el piñón receptor R tiene un radio 3 veces mayor que el impulsor E el par queda multiplicado por tres.

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Interdependencia entre el diámetro (d) y las revoluciones (n)

- Las ruedas dentadas engranan por lo que

tienen la misma velocidad periférica. �1 = �2

�1 × � × �1 = �2 × � × �2 �1 × �1 = �2 × �2

Interdependencia entre el número de dientes (z) y las revoluciones (n)

- Sabiendo que: � = � × �; tenemos

�1 × �1 = �2 × �2

�1 × � × �1 = �2 × � × �2 �1 × �1 = �2 × �2

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- La relación de transmisión, conociendo el tamaño de los engranajes o del número de dientes, viene dada por la relación:

� =��ñó� �� !��

��ñó� �� !�� =

"

�=

#"

#�

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- La relación de transmisión, conociendo las revoluciones de los engranajes, viene dada por la relación:

� =��ñó� �� !��

��ñó� �� !�� =

��

�"

-

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- En los sistemas de engranajes, generalizando, diremos que para variar

el par, es suficiente con modificar los radios o números de dientes de los piñones trasmisores de movimiento de manera que si multiplicamos un par por un número determinado, la velocidad queda dividida por ese mismo número.

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GRAFICA DE VELOCIDADES

- Para entender el diseño de la caja de cambios, se puede realizar una

gráfica, teniendo en el eje horizontal la velocidad en km/h, y en el eje vertical teniendo las rpm del motor y las rpm del par y la potencia máxima.

- La gráfica se realiza partiendo de los datos facilitados por el fabricante.

- Por lo tanto, conociendo V y n, se determinarán las velocidades de la caja de cambios, ya que el régimen de giro del motor estará comprendido entre los puntos n y n1 (de la curva de par y potencia), es decir entre dos límites se obtiene el régimen máximo y mínimo en cada

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desmultiplicación para un funcionamiento del motor a pleno rendimiento.

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Escalonamiento del cambio

El momento de cambiar la marcha lo decide el conductor teniendo en cuenta parámetros tales como:

- Velocidad del vehículo - Revoluciones del motor - Carga del vehículo - Superación de pendientes, etc.

Analizando la gráfica de la caja de cambios, se puede determinar el momento de realizar el cambio para conseguir el máximo rendimiento del vehículo o un consumo óptimo de combustible.

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•••• Las máximas prestaciones (alta potencia) se obtiene realizando el cambio de marcha a las revoluciones correspondientes a la potencia máxima del motor

•••• El menor consumo de combustible se obtiene realizando el cambio de marchas a las revoluciones correspondientes al par máximo del motor

•••• Para conseguir potencia y un consumo optimizado, el cambio de marcha se debe realizar a la velocidad y revoluciones en las cuales se alcanza el máximo par del cambio siguiente.

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rpm motor Velocidad vehículo Cambio idóneo de 1° a 2° 5700 42 Cambio idóneo de 2° a 3° 4900 68 Cambio idóneo de 3° a 4° 4100 88 Cambio idóneo de 4° a 5° 3900 116

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