INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
T E S I S
CÁLCULO Y SELECCIÓN DE TRANSMISIONES PARA
AUTOTRANSPORTES A DIESEL
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO
P R E S E N T A:
ARTURO SAIZ CALDERÓN GALLEGOS
Asesores:
Ing. Idelfonso Juan Martínez Sánchez
Ing. Marcos Gerardo Ladrón de Guevara García
México D.F. Junio 2009
DEDICATORIA.
Este trabajo es para Arturo y Martha, porque inspirado en su ejemplo y cobijado en su amor y soporte incondicional decidí ser un profesionista, para Myrna porque con su amor, compañía y apoyo es más fácil compartir y alcanzar mis metas, para Cinthya, que su determinación y claridad por el estudio me mostró las bondades de concluir esta etapa, y por supuesto para Arturito que simplemente es mi inspiración y la mejor razón para dejar marcado el camino que un hombre de bien debe seguir.
Para mi tío Jorge, donde quiera que estés…
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CÁLCULO Y SELECCIÓN DE TRANSMISIONES PARA AUTOTRANSPORTES A DIESEL.
Cálculo y Selección.
ÍNDICE.
♣ Glosario. 3.
♣ Objetivo. 6.
♣ Introducción. 7.
♣ Capitulo I. Definiciones. 9.
o Transmisiones. 9.
♣ Relación de Transmisión. 11.
♣ Porcentaje de Paso. 12.
o Engranes. 13.
♣ Aplicaciones de los Engranes. 21.
♣ Mecanizado de los Engranes. 24.
♣ Cálculo de engranes. 27.
♣ Deterioro y fallo de los engranes. 31.
♣ Capítulo II. Transmisiones Manuales. 33.
o Funcionamiento de Transmisiones manuales. 33.
o Clasificación de Transmisiones Manuales. 61.
♣ Por su sistema de cambios. 61.
♣ Por su relación final. 64.
o Operación de Transmisiones Manuales. 65.
♣ Transmisiones Sincronizadas. 65.
♣ Transmisiones No Sincronizadas. 67.
♣ Capítulo III. Análisis de fallas y mantenimiento. 71.
o Análisis de Fallas. 71.
♣ Calentamiento. 71.
♣ Ruido. 71.
♣ Fugas de Aceite. 73.
♣ Botadura de Velocidad. 74.
♣ Dureza en los Cambios. 75.
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♣ Falsos acoplamientos. 75.
♣ Baleros 76.
o Mantenimiento de Transmisiones Pesadas. 77.
♣ Capítulo IV. Cálculo y selección del Tren Motriz. 79.
o Motores Vehiculares a Diesel Rango medio y pesado. 79.
o Embragues. 82.
o Transmisiones. 84.
o Ejes Diferenciales. 85.
o Llantas. 86.
o Cálculo del Tren Motriz. 88.
♣ Habilidad de Arranque. 92.
♣ Habilidad de Pendiente. 93.
♣ Gráfica de Desempeño. 93.
♣ Capítulo V. Casos de Aplicación. 95.
o Pasaje. 95.
♣ Urbano. 95.
♣ Foráneo. 98.
o Rango Medio. 101.
♣ Reparto Urbano. 101.
♣ Traslado Carretero. 103.
♣ Fuera de Camino. (Off Road) 105.
o Rango Pesado. 107.
♣ Refrigerado Sencillo. 107.
♣ Tanques Full. 109.
♣ Conclusiones. 112.
♣ Anexos. 114.
o Tablas de Mantenimientos para Transmisiones. 114.
o Fichas Técnicas Motores Vehiculares. 117.
o Selector de Embragues. 145.
o Fichas Técnicas Transmisiones. 147.
o Selector Pasos Diferencial. 158.
o Fichas Técnicas Llantas. 159.
o Tablas Coeficientes de Arrastre. 163.
♣ Bibliografía. 164.
3 GLOSARIO.
Autobús Foráneo, es el camión que desplaza personas por rutas carreteras a grandes distancias uniendo ciudades principales.
Autobús Semi Foraneo, es el camión que desplaza personas por rutas dentro de pequeñas ciudades, y recorre tramos carreteros para llegar a otras poblaciones a no más de 30 o 40 kms de distancia.
Autobús Urbano, es el camión que desplaza personas dentro de una ciudad.
Camión Rabón, es la unidad de transporte de mercancías que puede ser configurada para soportar cargas hasta de 7 toneladas en rutas urbanas, carreteras o mixtas pero siempre sobre asfalto.
Camión Torton, es la unidad que puede soportar hasta 15 toneladas en rutas urbanas, carreteras o mixtas pero siempre sobre asfalto.
Camión Vocacional, es la unidad que trabaja en rutas Fuera de carretera o mixtas, por ejemplo en minas con caminos de terrecería, la capacidad de carga puede variar de acuerdo a las necesidades, pero en algunas aplicaciones pueden llevar hasta 40 toneladas de material.
Configuración, es la correcta selección de componentes (motor, transmisión, diferencia, llantas, etc) de un vehículo de a cuerdo al uso pare el que se requiere.
Motores Vehiculares, Las aplicaciones de los motores Diesel se dividen, en generación eléctrica, marinos y vehiculares, estos últimos son los utilizados por el transporte de Carga.
Para el caso de los autobuses se tienen de 4 y 6 cilindros, para los camiones y tractocamiones son únicamente de 6 cilindros. Sus tamaños van desde 4.8 lts, hasta 16 lts, con potencias desde 150 HP hasta 600 HP y torques desde 430 lb.pie hasta 2,050 lb.pie.
RPM, Revoluciones Por Minuto, es el número de vueltas que da el motor en un minuto. En un motor diese para servicio vehicular no suelen pasar de las 2,500 RPM.
Torque, es la resultante de la Fuerza proveniente de la reacción química dada por la mezcla de aire y diesel dentro de la cámara de combustión del motor y la longitud del brazo del cigüeñal.
HP, la potencia necesaria para elevar verticalmente a la velocidad de 1 pie/minuto una masa de 33.000 libras.
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OEM, Original Equipment Manufacturer. Traducido al Español es el Fabricante de Equipo Original, en el medio automotriz así se le conoce a las ensambladoras de Autos y Camiones.
Peso Bruto Combinado, PBC. Es el peso del vehículo más el peso de los remolques y la carga.
Peso Bruto Vehicular, PBV. Es el peso total en Toneladas o Libras del vehículo automotor simple y su carga.
Tractocamión, es la unidad para transporte de mercancías que puede se configurado para jalar cargas desde las 15 toneladas hasta las 100 toneladas, también conocidos como
“quinta rueda” debido al dispositivo que utilizan para enganchar el remolque con la carga.
Sencillo, hace referencia a los tractocamiones que arrastran un solo remolque.
Full, hace referencia a los tractocamiones que arrastran dos remolques, que es la máxima capacidad permitida por las leyes mexicanas.
Caja Seca, se le conoce a los remolques para tracto que son totalmente cerrados, normalmente utilizados para llevar cargas ligeras pero voluminosas, como paquetería.
Caja Refrigerada, se le denomina al remolque equipado con sistema de refrigeración para poder llevar alimentos perecederos.
Redilas, es el remolque sin techo fabricado con polines de madera, normalmente utilizado para desplazar granos.
Tolvas, es el remolque utilizado para llevar productos químicos, arenas y productos granulados, normalmente entre plantas procesadoras, ya que por su diseño se requiere de equipos especiales para cargarlas y descargarlas.
Tanques, son los remolques de forma cilíndrica utilizados para llevar líquidos, desde agua, hasta productos químicos, pasando por toda la gama de combustibles.
Por regulaciones federales no pueden circular a más de 85 kms/hr, y deben ser diseñados con unos dispositivos llamados “rompe olas”, que ayudan a eliminar los movimientos bruscos del líquido dentro del tanque, sin estos, sería fácil que el tanque se volteara o que desplazara todo su peso hacia un solo eje del remolque afectando la frenada o las suspensiones.
Camas Bajas, o low boys, son las plataformas utilizadas para transportar maquinaria pesada o componentes que por sus dimensiones no caben dentro de una caja seca.
Plataformas, es como su nombre lo indica una plataforma, utilizada y diseñadas para llevar contenedores de los barcos a las ciudades.
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Transporte de Carga. Con esto nos referimos a los distintos vehículos que desplazan personas o mercancías por las carreteras de nuestro país.
Tren Motriz, es el conjunto de mecanismos que utilizan las RPM, y el Torque del motor para hacer que el vehículo con carga se desplace por una ruta determinada a la velocidad deseada.
Embrague, o clutch es el componente del tren motriz que acopla y desacopla las RPM y el torque del motor a la transmisión.
Transmisión, o caja de velocidades, es el componente que ayuda a modificar las revoluciones y torque del motor para obtener desplazamiento a diferentes velocidades.
Cardán, es un eje hueco (tubo) que lleva las RPM y torque de salida de la transmisión hacia el eje diferencial.
Eje Diferencial, es un componente que nuevamente modifica las RPM y el torque que vienen de la transmisión para finalmente llevarlos a las llantas.
6 OBJETIVO.
El objetivo de este trabajo es el de alcanzar la titulación a grado de Ingeniero, por medio de, Memoria de Experiencia Profesional, evidenciando los varios ámbitos en los que he tenido oportunidad de aplicar los conocimientos adquiridos durante la carrera de Ingeniero Mecánico, mientras desempeño mi trabajo en Transmisiones TSP, S.A. de C.V.
Para lograr este objetivo quiero demostrar la importancia de la transmisión dentro del tren motriz y la importancia de saber seleccionar cada uno de los elementos que lo integran, ya que ofreciendo una adecuada configuración, el transportista de carga y pasaje puede obtener a corto plazo ahorros de combustible, buenos tiempos de traslado y a mediano y largo plazo reducción de mantenimientos correctivos y tener más horas de vida útil del camión.
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INTRODUCCIÓN.
El desarrollo de la vida profesional, es una oportunidad diaria para profundizar en los conocimientos adquiridos durante la estancia escolar y enriquecer de experiencia las teorías que desarrollan nuestras mentes.
Durante mi paso por TTSP, Transmisiones TSP, S.A. de C.V., he tenido la oportunidad de adentrarme en el funcionamiento del mercado del Auto transporte de Carga y Pasaje de nuestro país, así como vivir de cerca las consecuencias de una industria nacional enfocada a sus adentros durante los 70’s y 80’s y los esfuerzos que aún en nuestros días hace para redirigir su visón al cliente, en un ambiente de mejora continua y calidad, tratando y en muchas ocasiones alcanzando productos de clase mundial.
A diferencia de cuando compramos un automóvil para uso personal ó un camión ligero (pick up) para transportar cargas de hasta 2 o 3 toneladas, cuando se adquiere un camión de Rango Medio o Pesado para traslado de bienes o personas, es necesario “configurar” este vehiculo para obtener el mejor desempeño y rendimiento en los traslados comerciales que va a realizar.
El transportista nacional es un empresario tradicionalista que por lo general se encuentra escéptico a nuevos desarrollos y tecnologías, por lo que en este ambiente es muy común que los proveedores de los distintos componentes del camión ofrezcan pruebas de desempeño y rendimiento de sus productos, para poder demostrar las bondades de los mismos y buscar que el transportista los considere en su siguiente compra.
Sobre todo los representantes de los fabricantes de los componentes que integran el Tren Motriz de la unidad, estamos dedicados a visitar al transportista, capacitar a sus operadores y dar seguimiento post-venta de los productos que ofrecemos, trabajando de la mano de los vendedores de unidades de los distintos distribuidores de camiones del País.
Los principales OEM, fabricantes de camiones en México, son:
♣ KENWORTH MEXICANA, con una planta de ensamble y fabricación de componentes en Mexicali, B.C.
♣ DAIMLER VEHICULOS COMERCIALES MÉXICO, con una planta de ensamble y fabricación de componentes en Santiago Tianguistengo, en el Edo. De México.
♣ CAMIONES Y MOTORES INTERNATIONAL, con una planta de ensamble y fabricación de componentes en Escobedo, Nuevo León.
TTSP, tiene negocio principalmente con estos 3 grandes OEM, aunque en territorio nacional podemos encontrar plantas de ensamble de algunas marcas europeas como es ESCANIA, MAN y VOLVO.
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En el área de Motores Vehiculares rango pesado se cuenta con una participación mayoritaria en el mercado nacional de CUMMINS, con distintos distribuidores en toda la república, en un segundo lugar se encuentran los motores CATERPILLAR, y muy lejos de estos dos se pueden encontrar unidades equipadas con motores DETROIT DIESEL, VOLVO, MERCEDEZ BENZ, ESCANIA y MAN, en el caso de los motores para Rango Medio se tiene con una participación muy importante a los motores de la marca NAVISTAR.
En el segmento de las transmisiones, en el que actualmente me desarrollo profesionalmente, encontramos como nuestro mayor competidor a EATON FULLER, con productos manuales y automatizados, transmisiones de origen Norte Americano y que desde la apertura de las fronteras con el TLC ganaron mercado en nuestro país. En segundo lugar encontramos las transmisiones SPICER, con productos manuales fabricadas por TTSP, con tecnología, componentes y fabricación nacional, y en un lejano tercer lugar podemos encontrar unidades equipadas con transmisiones ALLISON automáticas.
El otro producto que entra en el juego importante de la configuración de la unidad son los ejes diferenciales, podemos encontrar con una reñida participación mayoritaria a DANA SPICER, fabricados en Toluca por DANA Heavy Axel, y en un cercano segundo lugar encontramos a ARVIN MERITOR, que fabrica algunos de sus productos en la ciudad de Monterrey, Nuevo León, y el resto, en sus plantas de los Estados Unidos.
Buscando que las líneas anteriores ayuden al lector a reconocer algunas marcas y términos que manejaremos frecuentemente durante el desarrollo de este trabajo, a continuación dare inicio a mis Memorias de Experiencia Profesional durante mi paso por Transmisiones TSP, S.A. de C.V.
9 Capítulo I.
DEFINICIONES.
TRANSMISIONES.
Transmisión Mecánica.
Se denomina transmisión mecánica a un mecanismo encargado de trasmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una máquina. Son parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de éstos elementos de trasmisión y elementos de sujeción).
En la gran mayoría de los casos, estas trasmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación.
Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión.
Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En la vida diaria se asocian habitualmente las transmisiones con los automóviles. Sin embargo, las transmisiones se emplean en una gran variedad de aplicaciones, algunas de ellas estacionarias. Las transmisiones primitivas comprenden, por ejemplo, reductores y engranajes en ángulo recto en molinos de viento o agua y máquinas de vapor, especialmente para tareas de bombeo, molienda o elevación (norias).
En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes.
En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente "marchas" o "cambios") se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobremarchas que aumentan la velocidad de salida.
También se emplean transmisiones en equipamiento naval, agrícola, industrial, de construcciones y de minería. Adicionalmente a las transmisiones convencionales basadas en engranajes, estos dispositivos suelen emplear transmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable.
10 Transmisiones vehiculares.
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada sólo caja) es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento del torque.
En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea mayor, la fuerza disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado que potencia es trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por distancia, una distancia mayor (derivada de la mayor velocidad) tiene por consecuencia una fuerza menor. De esta manera la caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que se desee desplazar el vehículo.
La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de revoluciones del motor e invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.
La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles.
• Flecha de entrada. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente consta de un único piñón.
• Flecha auxiliar. Es el árbol transmisor. Consta de una corona que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.
• Flecha principal. Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial (por un sistema de nervados o de chaveteros). La posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermediario. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial.
• Flecha de reversa. Dispone de una rueda loca que se interpone entre los árboles intermediario y secundario para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. Para poder engranar el eje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal.
Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris, aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.
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En varios vehículos como algunos camiones, vehículos agrícolas o automóviles todo terreno, se dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación.
La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas:
• Por barboteo.
• Mixto.
• A presión.
• A presión total.
• Por cárter seco.
RELACIÓN DE TRANSMISIÓN.
Transmisión compuesta
Hay tres tipos de transmisiones posibles que se establecen mediante engranajes:
• Transmisión simple
• Transmisión con piñón intermedio o loco
• Transmisión compuesta por varios engranajes conocidos como tren de engranajes.
La transmisión simple la forman dos ruedas dentadas, el sentido de giro del eje conducido es contrario al sentido de giro del eje motor, y el valor de la relación de transmisión es:
Ecuación general de transmisión:
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La transmisión con piñón intermedio o loco está constituida por tres ruedas dentadas, donde la rueda dentada intermedia solamente sirve para invertir el sentido de giro del eje conducido y hacer que gire en el mismo sentido del eje motor. La relación de transmisión es la misma que en la transmisión simple.
La transmisión compuesta se utiliza cuando la relación de transmisión final es muy alta, y no se puede conseguir con una transmisión simple, o cuando la distancia entre ejes es muy grande y sería necesario hacer ruedas dentadas de gran diámetro. La transmisión compuesta consiste en ir intercalando pares de ruedas dentadas unidas entre el eje motor y el eje conducido. Estas ruedas dentadas giran de forma libre en el eje que se alojan pero están unidos de forma solidaria los dos ruedas dentadas de forma que uno de ellos actúa de rueda dentada motora y el otro actúa como rueda dentada conducida. La relación de transmisión de transmisiones compuestas es:
Ecuación general de transmisión:
PORCENTAJE DE PASO.
El porcentaje de paso es el valor que nos dice cual va a ser la caída de RPM entre cambio y cambio de velocidad. Por supuesto mientra más constante sea esta caída y con las menores perdidas, al motor le costará menos esfuerzo el recuperarse para llegar a las revoluciones de velocidad crucero, y esto nos llevará al ahorro de combustible.
La forma mas sencilla de explicar la acción del porcentaje de paso sobre el desarrollo de los cambios de una transmisión es con el ejemplo de la escalera. Supongamos que tenemos una escalera con 18 peldaños y cada uno de esos peldaños esta colocado a distintas distancia el uno del otro, y nosotros tenemos que subir por esa escalera un bulto de 20 kgs. Los peldaños que están mas cercanos el uno del otro nos costara menos trabajo escalarlos, pero en los que se encuentran más alejados entre si nos costará mas trabajo treparlos. Por el contrario si todos están equidistante el uno del otro nos costara exactamente el mismo trabajo subir los 18.
Para el motor la transmisión funciona como escalera, cada velocidad es un peldaño y le ayuda a llevar una carga del reposo al movimiento, si todos los cambios tienen un porcentaje de paso similar, entonces el motor recuperar las mismas RPM en cada uno de ellos y el consumo de combustible será constante en cada recuperación.
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El porcentaje de paso es la relación que existe ente el cambio seleccionado y el cambio posterior, la fórmula es:
% de paso =( Relación de Cambio mayor / Relación de Cambio menor ) - 1 X 100 Cuando el porcentaje es uniforme la gráfica con las caídas de revoluciones se ve de la siguiente manera, podemos observar que los cambios los hacemos a las 1,500 RPM, y por el porcentaje de la transmisión del ejemplo se pierden menos de 300 RPM en cada cambio lo que nos permite meter las 18 velocidades sin tocar la línea de las 1,200 RPM, que es donde el motor empieza a dar su torque máximo, a bajo de este valor gastaría más diesel en recuperarse hasta las 1,500 RPM para la siguiente velocidad.
18a 17a
16a 15a
14a 13a 12a 11a 10a 9a 8a 7a 6a 5a 4a 3a 2a 1a
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
0 20 40 60 80 100 120
Ve locida d (km/h)
Sec de Cambios Torque maximo
Gráfica de comportamiento, PSDO18, paso 3.91 y llanta 24.5, motor CAT C-15.
ENGRANES.
Se denomina engranaje o ruedas dentadas al mecanismo utilizado para transmitir potencia mecánica entre las distintas partes de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales a la mayor se le denomina corona y la menor piñón.
Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje que debe recibir el
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movimiento del eje motor y que se denomina engranaje conducido. Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren de engranajes.
Tipos de engranajes.
La principal clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de dentado.
Piñón recto de 18 dientes.
Ejes paralelos:
• Cilíndricos de dientes rectos
• Cilíndricos de dientes helicoidales
• Doble helicoidales Ejes perpendiculares
• Helicoidales cruzados
• Cónicos de dientes rectos
• Cónicos de dientes helicoidales
• Cónicos hipoides
• De rueda y tornillo sinfín
Por aplicaciones especiales se pueden citar:
• Planetarios
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• Interiores
• De cremallera
Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar:
• Transmisión simple
• Transmisión con engranaje loco
• Transmisión compuesta. Tren de engranajes Transmisión mediante cadena o polea dentada
• Mecanismo piñón cadena
• Polea dentada
Características que definen un engranaje de dientes rectos.
Representación de las características de un engranaje
Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente que existe.
Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado, producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.
• Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo.
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• Módulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.
• Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las características que definen los diferentes elementos de los dientes de los engranajes.
• Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano consecutivos.
Elementos de un engranaje
• Espesor del diente: es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del diámetro primitivo.
• Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.
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• Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior del engranaje.
• Diámetro interior: es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.
• Pie del diente: también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva.
• Cabeza del diente: también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.
• Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento.
• Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura del pie (dedendum).
• Angulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la circunferencia de paso, φ (20º ó 25º son los ángulos normalizados).
• Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje
• Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los centros de las circunferencias de los engranajes.
• Relación de transmisión: es la relación de giro que existe entre el piñón conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada6 tanto en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad que tenga la transmisión con los datos orientativos que se indican:
Velocidad lenta:
Velocidad normal :
Velocidad elevada:
Hay dos tipos de engranajes, los llamados de diente normal y los de diente corto cuya altura es más pequeña que el considerado como diente normal. En los engranajes de diente corto, la cabeza del diente vale ( ), y la altura del pie del diente vale (M) siendo el valor de la altura total del diente ( )
18 Fórmulas constructivas de los engranajes rectos.
Diámetro primitivo:
Módulo:
Paso circular:
Número de dientes:
Diámetro exterior:
Espesor del diente:
Diámetro interior:
Pie del diente:
Cabeza del diente: M Altura del diente:
Distancia entre centros:
Ecuación general de transmisión:
Engranajes cilíndricos de dientes helicoidales.
Engranaje helicoidal
Los engranajes cilíndricos de dentado helicoidal están caracterizados por su dentado oblicuo con relación al eje de rotación. En estos engranajes el movimiento se transmite de
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modo igual que en los cilíndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas. Los ejes de los engranajes helicoidales pueden ser paralelos o cruzarse, generalmente a 90º. Para eliminar el empuje axial el dentado puede hacerse doble helicoidal.
Los engranajes helicoidales tienen la ventaja que transmiten más potencia que los rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más duraderos;
además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos.
Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma, siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero de orientación contraria, o sea: uno a derechas y el otro a izquierda. Su valor se establece a priori de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisión, los datos orientativos de este ángulo son los siguientes:
Velocidad lenta: β = (5º - 10º) Velocidad normal: β = (15º - 25º)
Velocidad elevada: β = 30º
Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las de los engranajes rectos.
Fórmulas constructivas de los engranajes helicoidales cilíndricos.
Como consecuencia de la hélice que tienen los engranajes helicoidales su proceso de tallado es diferente al de un engranaje recto, porque se necesita de una transmisión cinemática que haga posible conseguir la hélice requerida. Algunos datos dimensionales de estos engranajes son diferentes de los rectos.
Juego de engranajes helicoidales
20 Diámetro exterior :
Diámetro primitivo :
Módulo normal o real:
Paso normal o real:
Angulo de la hélice : Paso de la hélice :
Módulo circular o aparente:
Paso circular aparente:
Paso axial:
Número de dientes:
Los demás datos tales como adendum, dedendum y distancia entre centros, son los mismos valores que los engranajes rectos.
21 Ejes estriados.
Transmisión por ejes estriados
Se denominan ejes estriados (splined shaft) a los ejes que se les mecaniza unas ranuras en la zona que tiene para acoplarse con un engranaje u otros componentes para dar mayor rigidez al acoplamiento que la que produce un simple chavetero. Estos ejes estriados no son en si un engranaje pero la forma de mecanizarlos es similar a la que se utilizan para mecanizar engranajes y por eso forman parte de este artículo. Los ejes estriados se acoplan a los agujeros de engranajes u otros componentes que han sido mecanizados en brochadoras para que el acoplamiento sea adecuado. Este sistema de fijación es muy robusto. Se utiliza en engranajes de cajas de velocidades y en palieres de transmisión. Hay una norma que regula las dimensiones y formato de los ejes estriados que es la norma DIN-5643
APLICACIONES DE LOS ENGRANES.
Caja de velocidades
Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes, desde los más pequeños usados en relojería e instrumentos científicos (se alcanza el módulo 0,05) a los de grandes dimensiones, empleados, por ejemplo, en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc.
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El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado. Los encontramos en las centrales de producción de energía eléctrica, hidroeléctrica y en los elementos de transporte terrestre: locomotoras, automotores, camiones, automóviles, transporte marítimo en buques de todas clases, aviones, en la industria siderúrgica:
laminadores, transportadores, etc., minas y astilleros, fábricas de cemento, grúas, montacargas, máquinas-herramientas, maquinaria textil, de alimentación, de vestir y calzar, industria química y farmacéutica, etc., hasta los más simples movimientos de accionamiento manual.
Toda esta gran variedad de aplicaciones del engranaje puede decirse que tiene por única finalidad la transmisión de la rotación o giro de un eje a otro distinto, reduciendo o aumentando la velocidad del primero.
Incluso, algunos engranes coloridos y hechos de plástico son usados en algunos juguetes educativos.
Caja de velocidades.
Eje secundario de caja de cambios
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con diferentes relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento del torque
.
Los dientes de los engranajes de las cajas de cambio son helicoidales y sus bordes están redondeados para no producir ruido o rechazo cuando se cambia de velocidad. La fabricación de los dientes de los engranajes es muy cuidada para que sean de gran duración.
Los ejes del cambio están soportados por rodamientos de bolas y todo el mecanismo está sumergido en aceite denso para mantenerse continuamente lubricado.
23 Reductores de velocidad.
Mecanismo reductor básico
El problema básico de las máquinas es reducir la alta velocidad de los motores a una velocidad utilizable por los equipos de las máquinas. Además de reducir se deben contemplar las posiciones de los ejes de entrada y salida y la potencia mecánica a transmitir.
Para potencias bajas se utilizan moto-reductores que son equipos formados por un motor eléctrico y un conjunto reductor integrado.
Para potencias mayores se utilizan equipos reductores separados del motor. Los reductores consisten en pares de engranajes con gran diferencia de diámetros, de esta forma el engrane de menor diámetro debe dar muchas vueltas para que el de diámetro mayor de una vuelta, de esta forma se reduce la velocidad de giro. Para obtener grandes reducciones se repite este proceso colocando varios pares de engranes conectados uno a continuación del otro.
El reductor básico está formado por mecanismo de tornillo sinfín y corona. En este tipo de mecanismo el efecto del rozamiento en los flancos del diente hace que estos engranajes tengan los rendimientos más bajos de todas las transmisiones; dicho rendimiento se sitúa entre un 40 y un 90% aproximadamente, dependiendo de las características del reductor y del trabajo al que está sometido. Factores que elevan el rendimiento:
• Ángulos de avance elevados en el tornillo.
• Rozamiento bajo (buena lubricación) del equipo.
• Potencia transmitida elevada.
• Relación de transmisión baja (factor más determinante).
Existen otras disposiciones para los engranajes en los reductores de velocidad, estas se denominan conforme a la disposición del eje de salida (eje lento) en comparación con el eje de entrada (eje rápido). Así pues serían los llamados reductores de velocidad de engranajes coaxiales, paralelos, ortogonales y mixtos (paralelos + sin fin corona). En los trenes
coaxiales, paralelos y ortogonales se considera un rendimiento aproximado del 97-98%, en los mixtos se estima entre un 70% y un 90% de rendimiento.
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Además, existen los llamados reductores de velocidad de disposición epicicloidal, técnicamente son de ejes coaxiales y se distinguen por su formato compacto, alta capacidad de transmisión de par y su extrema sensibilidad a la temperatura.
Las cajas reductoras suelen fabricarse en fundición gris dotándola de retenes para que no salga el aceite del interior de la caja.
Características de los reductores
• Potencia, en Kw o en Hp, de entrada y de salida.
• Velocidad, en RPM, de entrada y de salida.
• Velocidad a la salida.(RPM)
• Relación de transmisión
• Factor de seguridad o de servicio (Fs)
• Par transmitido (Mn1- Eje rápido) (Mn2-Eje lento) MECANIZADO DE ENGRANES.
Tallado de dientes.
Tallado de un engranaje helicoidal con fresa madre.
Fresa para tallar engranajes
Como los engranajes son unos mecanismos que se incorporan en la mayoría de máquinas que se construyen y especialmente en todas las que llevan incorporados motores térmicos o eléctricos, hace necesario que cada día se tengan que mecanizar millones de engranajes diferentes, y por lo tanto el nivel tecnológico que se ha alcanzado para mecanizar engranajes es muy elevado tanto en las máquinas que se utilizan como en las herramientas de corte que los conforman.
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Antes de proceder al mecanizado de los dientes los engranajes han pasado por otras máquinas herramientas tales como tornos o fresadoras donde se les ha mecanizado todas sus dimensiones exteriores y agujeros si los tienen, dejando los excedentes necesarios en caso de que tengan que recibir tratamiento térmico y posterior mecanizado de alguna de sus zonas.
El mecanizado de los dientes de los engranajes a nivel industrial se realizan en máquinas talladoras construidas ex-profeso para este fin, llamadas fresas madres.
Fresa modular para tallado de dientes en fresadora universal
Mecanismo divisor para el tallado de engranaje en fresadora universal
El tallado de engranajes en fresadora universal con mecanismo divisor, prácticamente no se utiliza, sin embargo el fresado de ejes estriados con pocas estrías tales como los palieres de las ruedas de camiones, si se puede hacer en fresadora universal pero con un mecanismo divisor automático y estando también automatizado todo el proceso de movimientos de la fresadora.
Los engranajes normales cilíndricos tanto rectos como helicoidales se mecanizan en talladoras de gran producción y precisión, cada talladora tiene sus constantes y sus transmisiones adecuadas para fabricar el engranaje que se programe. Tipo Liebherr, Hurth, Pfauter, etc.
Los engranajes interiores no se pueden mecanizar en la talladoras universales y para ese tipo de mecanizados se utilizan unas talladoras llamadas mortajadoras por generación, tipo Sykes.
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Para los engranajes cónicos hipoides se utilizan máquinas talladoras especiales tipo Gleason,
Para el mecanizado de tornillos sinfín glóbicos se pueden utilizar máquinas especiales tipo Fellows.
Chaflanado y redondeado de dientes.
Esta operación se realiza especialmente en los engranajes desplazables de las cajas de velocidad para facilitar el engrane cuando se produce el cambio de velocidad. Hay máquinas y herramientas especiales (Hurth) que realizan esta tarea.
Rectificado de los dientes de los engranajes.
El rectificado de los dientes cuando es necesario hacerlo, se realiza después de haber sido endurecida la pieza en un proceso de tratamiento térmico adecuado y se puede realizar por rectificación por generación y rectificación de perfiles o con herramientas CBN repasables o con capa galvanizada.
Los rectificados de engranajes con muelas y de perfiles es una tecnología muy avanzada y ha logrado una capacidad notoria con la utilización de modernas herramientas de corindón aglutinado.
Bruñido.
El bruñido de los engranajes se aplica a aquellos que están sometidos a grandes resistencias, por ejemplo el grupo piñón-corona hipoide de las transmisiones de los camiones o tractores. El bruñido genera una geometría final de los dientes de alta calidad en los engranajes que han sido endurecidos, al mismo tiempo que mejora el desprendimiento y las estructuras de las superficies.
Afilado de fresas.
Las fresas que se utilizan para tallar engranajes son de perfil constante, lo que significa que admiten un número muy elevado de afilados cuando el filo de corte se ha deteriorado. Existe en el mercado una amplia gama de afiladoras para todos los tipos de herramientas que se utilizan en el mecanizado de los engranajes. La vida útil de las herramientas es uno de los asuntos más significativos con respecto a los costos y a la disponibilidad de producción. Las afiladoras modernas están equipadas, por ejemplo, con accionamientos directos, motores lineares y sistemas digitales de medición.
Técnicas de recorrido del material.
En las industrias modernas y automatizadas de mecanizados la técnica de recorrido de material comprende la manipulación automática de piezas de trabajo en los sistemas de
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producción incluso la carga y descarga de máquinas-herramientas así como el almacenamiento de piezas.
Gestión económica del mecanizado de engranajes.
Cuando los ingenieros diseñan una máquina, un equipo o un utensilio, lo hacen mediante el acoplamiento de una serie de componentes de materiales diferentes y que requieren procesos de mecanizado para conseguir las tolerancias de funcionamiento adecuado.
La suma del coste de la materia prima de una pieza, el coste del proceso de mecanizado y el coste de las piezas fabricadas de forma defectuosa constituyen el coste total de una pieza. Desde siempre el desarrollo tecnológico ha tenido como objetivo conseguir la máxima calidad posible de los componentes así como el precio más bajo posible tanto de la materia prima como de los costes de mecanizado.
Para reducir el coste del mecanizado de los engranajes se ha actuado en los siguientes frentes:
• Conseguir materiales cada vez mejor mecanizables, materiales que una vez mecanizados en blando son endurecidos mediante tratamientos térmicos que mejoran de forma muy sensible sus prestaciones mecánicas de dureza y resistencia principalmente.
• Conseguir herramientas de corte de una calidad extraordinaria que permite aumentar de forma considerable las condiciones tecnológicas del mecanizado, o sea, más revoluciones de la herramienta de corte, más avance de trabajo, y más tiempo de duración de su filo de corte.
• Conseguir talladoras de engranajes más robustas, rápidas, precisas y adaptadas a las necesidades de producción que consiguen reducir sensiblemente el tiempo de mecanizado así como conseguir piezas de mayor calidad y tolerancia más estrechas.
Para disminuir el índice de piezas defectuosas se ha conseguido automatizar al máximo el trabajo de las talladoras, construyendo talladoras automáticas muy sofisticadas o guiadas por control numérico que ejecutan un mecanizado de acuerdo a un programa establecido previamente.
CALCULO DE ENGRANES.
Se llama cálculo de engranajes a las operaciones de diseño y cálculo de la geometría de un engranaje, para su fabricación. Principalmente los diámetros y el perfil del diente.
También se consideran los cálculos de las transmisiones cinemáticas que hay que montar en
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las máquinas talladoras de acuerdo a las características que tenga el engranaje, y que está en función de las características de la máquina talladora que se utilice.
Tratamiento térmico de los engranajes.
Los engranajes están sometidos a grandes presiones tanto en la superficie de contacto y por eso el tratamiento que la mayoría de ellos recibe consiste en un tratamiento térmico de cementación o nitruración con lo cual se obtiene una gran dureza en la zona de contacto de los dientes y una tenacidad en el núcleo que evite su rotura por un sobreesfuerzo.
La cementación consiste en efectuar un calentamiento prolongado en un horno de atmósfera controlada y suministrarle carbono hasta que se introduzca en la superficie de las piezas a la profundidad que se desee. Una vez cementada la pieza se la somete a temple, con lo cual se obtiene gran dureza en la capa exterior, ideal para soportar los esfuerzos de fricción a que se someten los engranajes.
Los engranajes que se someten a cementación están fabricados de aceros especiales adecuados para la cementación.
Otra veces el tratamiento térmico que se aplica a los engranajes es el de nitruración, que está basado en la acción que ejercen sobre la superficie exterior de las piezas la acción del carbono y del nitrógeno. La nitruración reduce la velocidad crítica de enfriamiento del acero, alcanzando un mayor grado de dureza una pieza nitrurada y templada que cementada y templada, aun para un mismo tipo de material.
En la actualidad, y particularmente en la industria de la automoción, se están supliendo aceros aleados por aceros más sencillos dadas las grandes ventajas técnicas que ofrece la nitruración (elevadas durezas, regularidades de temple, menos deformaciones...).
En los procesos de nitruración se puede obtener capas entre 0.1-0.6mm., siendo las durezas en la periferia del orden de los 60-66 HRC.
La nitruración es un proceso para endurecimiento superficial que consiste en penetrar el nitrógeno en la capa superficial. La dureza y la gran resistencia al desgaste proceden de la formación de los nitruros que forman el nitrógeno y los elementos presentes en los aceros sometido a tratamiento.
A veces hay engranajes que se les aplica un temple por inducción donde el calentamiento es limitado a la zona a tratar y es producido por corrientes alternativas inducidas. Cuando se coloca un cuerpo conductor dentro del campo de una bobina o de un solenoide con corrientes de media o alta frecuencia, el cuerpo es envuelto por una corriente inducida, la cual produce el calentamiento. Para ello se emplea inductores que tienen la forma apropiada de la dentadura que queremos tratar.
La ausencia de todo contacto entre el inductor y la pieza sometida a calentamiento permite la obtención de concentraciones del orden de los 25.000 W cm-2. La velocidad de
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calentamiento es casi unas 15 veces más rápida que por soplete. Para templar una pieza por inducción será necesario que tenga un espesor por lo menos unas diez veces superior al espesor que se desea templar. El éxito de un buen temple reside en acertar con la frecuencia de corriente de calentamiento, para que ésta produzca una concentración suficiente de corriente inducida en la zona a templar.
El sistema que se emplea en el calentamiento es en dos ciclos. 10.000 ciclos para el calentamiento de la base de los dientes y 375.000 para el calentamiento de la periferia. Después de efectuados los dos calentamientos el engrane es sumergido en agua o aceite en función del tipo de acero que sea.
Una posibilidad que existe para solucionar los problemas que aparecen en los engranajes ha sido el níquel químico. Los depósitos de níquel le confieren a la pieza tratada una buena resistencia a la corrosión, una gran resistencia a la fricción y una gran dureza con ayuda de unos precipitados concretos. El niquelado químico se consigue que las capas sean uniformes, siempre y cuando todas las partes de la pieza estén en contacto con la solución y la composición de esta se mantenga constante, y el espesor de esta capa varía según el tiempo de tratamiento y la composición. Las piezas antes de ser tratadas deben de pasar por otras fases como pueden ser el decapado, ataque, para garantizar su adhesión, y otra cosa a tener en cuenta es que el niquelado químico reproduce en la superficie la rugosidad de la pieza tratada.
Verificación de engranajes.
La verificación de engranajes consiste en poder controlar los distintos parámetros que lo definen.
Para medir el espesor cordal se utilizan pie de rey de doble nonio y micrómetros de platillo.
La medición del espesor de los dientes mediante pie de rey de doble nonio, sólo se utiliza por lo general cuando se trata engranajes de módulo grande y mecanizado de desbaste.
Para medir el espesor de engranajes de precisión se utiliza un micrómetro de platillo y se selecciona el número de dientes a abrazar para que el contacto entre los flancos de los dientes y los platillos se produzca en la circunferencia primitiva.
La medición mediante comparadores se utiliza con patrones de puesta a punto para cada operación de control.
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La verificación en proyector de perfiles se utiliza para medir sobre la imagen amplificada o verificar utilizando plantillas adecuadas todas las características del engranaje.
La medición de la excentricidad de un engranaje que es el descentramiento del diámetro primitivo respecto al eje de referencia de la pieza, se puede verificar:
• Con comparador y varilla calibrada
• Por rodadura contra un perfil patrón.
Los engranajes maestros se clasifican en varias calidades de acuerdo con DIN3790 y 58420. Sus dientes una vez mecanizados pasan por un proceso de súper acabado. Durante la medición según este principio los engranajes a controlar se hacen engranar con engranajes maestros.
Lubricación de engranajes.
Las transmisiones por engranajes principalmente las que están sometidas a un gran esfuerzo y funcionamiento de gran velocidad tienen que tener el lubricante adecuado para poder contribuir a conservar sus propiedades mecánicas durante el uso:
La clasificación de los lubricantes de transmisión de uso industrial se realiza según diferentes criterios:
Especificaciones técnicas de los lubricantes.
Las especificaciones de los lubricantes de transmisión difieren ligeramente según el ente que las haya emitido.
En Europa las especificaciones más conocidas son las que la norma DIN 51517 define como LUBRICANTES tipo CLP. A los propósitos de esta norma, LUBRICANTES CLP son aquellos basados en aceite mineral incluyendo aditivos diseñados para aumentar las propiedades anticorrosivas (Símbolo C), aumentar la resistencia al envejecimiento (Símbolo L), y disminuir el desgaste (Símbolo P)". Esta norma define las viscosidades para los grados ISO 68, 100, 150, 220, 380, 460, y 680.
Elección del lubricante y su viscosidad más adecuada.
El primer indicador del lubricante a utilizar en un determinado equipo debe ser siempre la recomendación del fabricante que lo ha diseñado y conoce sus necesidades. La elección de la adecuada viscosidad para un sistema de engranajes de dientes rectos o helicoidales es dependiente de
• potencia expresada en KW o HP
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• reducciones múltiples o simples
• velocidad expresada en rpm
• tipo de lubricación (circulación o salpicado) Mantenimiento preventivo de las transmisiones,
El cambio de lubricantes y el mantenimiento de los niveles en las cajas de transmisiones por engranajes forma parte del mantenimiento preventivo que hay que realizar a todo tipo de máquinas después de un periodo de funcionamiento. Este mantenimiento puede tener una frecuencia en horas de funcionamiento, en kilómetros recorridos o en tiempo cronológico, semanal, mensualmente o anualmente.
DETERIORO Y FALLO DE LOS ENGRANES.
Como todo elemento técnico el primer fallo que puede tener un engranaje es que no haya sido calculado con los parámetros dimensionales y de resistencia adecuada, con lo cual no es capaz de soportar el esfuerzo al que está sometido y se deteriora o rompe con rapidez.
El segundo fallo que puede tener un engranaje es que el material con el que ha sido fabricado no reúne las especificaciones técnicas adecuadas principalmente las de resistencia y tenacidad.
También puede ser causa de deterioro o rotura si el engranaje no se ha fabricado con las cotas y tolerancias requeridas o no ha sido montado y ajustado en la forma adecuada.
Igualmente se puede originar el deterioro prematuro de un engranaje es que no se le haya efectuado el mantenimiento adecuado con los lubricantes que le sean propios de acuerdo a las condiciones de funcionamiento que tenga
Otra causa de deterioro es que por un sobresfuerzo del mecanismo se superen los límites de resistencia del engranaje
La capacidad de transmisión de un engranaje viene limitada:
• Por el calor generado, (calentamiento)
• Fallo de los dientes por rotura ( sobreesfuerzo súbito y seco)
• Fallo por fatiga en la superficie de los dientes (lubricación deficiente y dureza inadecuada)
• Ruido como resultante de vibraciones a altas velocidades y cargas fuertes.
Los deterioros o fallas que surgen en los engranajes están relacionadas con problemas existentes en los dientes, en el eje, o una combinación de ambos. Las fallas relacionadas
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con los dientes pueden tener su origen en sobrecargas, desgaste y grietas, y las fallas relacionadas con el eje pueden deberse a la desalineación o desequilibrado del mismo produciendo vibraciones y ruidos.
33 Capítulo II.
TRANSMISIONES MANUALES.
FUNCIONAMIENTO DE TRANSMISIONES MANUALES.
A continuación describiremos paso a paso lo que sucede dentro de una transmisión manual de 7 velocidades para servicio mediano y una transmisión de 18 velocidades para servicio pesado.
La principal diferencia entre amabas transmisiones es que por la capacidad torcional que soporta la de 7 velocidades solo cuenta con una flelcha auxiliar para ayudar a manejar el torque del motor y la transmisión de 18 velocidades es una “SST”, Spicer Splitt Torque, o de torque divido, esto quiere decir que utiliza dos flechas auxiliares para poder manejar todo el torque disponible del motor.
Otra diferencia es que la transmisión de 7 velocidades completa toda la variedad de cambios utilizando únicamente el sistema mecánico de cambios, llamado Optirail, un sistema patentado por Spicer, que consta de barras y horquillas de cambios combinadas con un bastidor que lo vuelven un sistema muy robusto, y la transmisión de 18 velocidades depende de un sistema neumático para poder accionar dos sistemas de doble relación dentro de la transmisión llamados Splitter o divisor y Range o rango, para poder completar la gama de velocidades.
En los siguientes diagramas se muestra una transmisión ES56-7B, es una transmisión con cambios con sincronizador, soporta hasta 560 lb-pie de torque cuenta con 7 velocidades progresivas más reversa.
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Podemos identificar de izquierda a derecha, la campana del embrague y la flecha de entrada, en esta flecha esta integrado el engrane de 7ma, la parte media de la transmisión se compone por la carcaza principal, la flecha principal, la flecha auxiliar o tren fijo, y en la extrema derecha, se encuentra la carcaza auxiliar, con la flecha de salida, que en esta ocasión va empotrada en la flecha principal, así como la continuación de la flecha auxiliar o tren fijo.
A continuación vamos a ver qué pasa cada que el operador hace cambios de velocidad, recordemos que cuando se selecciona el engrane de 1era ó reversa la unidad se encuentra detenida, así que como observamos en el diagrama anterior para estos cambios no se tiene sincronizador, únicamente se tiene un collar dentado que corre sobre el estriado de la flecha de salida, ya que no es necesario “sincronizar” RPM’s ya que las flechas están detenidas y al aplicar el pedal del embrague hasta el fondo el freno de embrague detiene el movimiento de todos los engranes de la transmisión.
1 R a 2a . 3a 4a . . 5a 6a . . 7a
.
Flecha de entrada. Flecha principal. Flecha de salida.
Flecha auxiliar.
Sincronizadores.
Plato 1ra/rev.
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Primera velocidad.
Se observa que el torque y las revoluciones del motor entran por la flecha de entrada que es impulsada por el giro del embrague que esta en contacto con el volante del motor, esta flecha integra el engrane de 7ma principal, que esta en contacto permanente e impulsando al engrane de 7ma de la flecha auxiliar, recordemos que en este tren todos los engranes son fijos a la flecha y están en contacto con sus correspondientes de la principal.
Cuando el operador selecciona el engrane de primera, desliza el collar sobre la flecha de salida hasta acoplarlo con el engrane, de esta manera se traslada el movimiento del engrane a la flecha y a su vez al yugo.
En esta velocidad tenemos una relación de 10.09, salida de la ecuación que se muestra en este mismo capitulo y va relacionada el número de dientes de los engranes que están trabajando en este momento. Esto quiere decir que la transmisión esta multiplicando 10.09 veces el torque que esta recibiendo del motor y esta dividiendo 10.09 veces las RPM’s que lleguen del motor.
Suponiendo que reciba 560 lb-pie @ 1600 RPM y 190 HP a las 2400 RPM, la transmisión entregara en este cambio 5,650 lp-pie @ 1600 RPM y 190 HP a las 237.86 RPM, como podemos observar la transmisión nos multiplico el torque pero redujo en la misma proporción las revoluciones.
A continuación veremos la segunda velocidad, a partir de este cambio y hasta la séptima el cambio se efectúa por medio de sincronizadores, de los cuales hablamos en el capítulo III.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
1a. VELOCIDAD
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Segunda Velocidad.
La relación en 2da es de 5.98 subimos el torque a 3,348.8 lb-pie y bajamos las RPM del motor a 401.33 RPM, se tiene el mismo procedimiento que en primera, pero ahora el movimiento y fuerza del engrane de segunda se traslada a la flecha por un sincronizador.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
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Tercera Velocidad.
La relación en 3ra es de 3.72, subimos el torque a 2,083.02 lb-pie y bajamos las RPM a 645.16 RPM.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
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Cuarta Velocidad.
En 4ta, tenemos 2.56 como relación y el torque es 1,433.6 lb-pie y las revoluciones son 937.5 RPM, disponibles en el yugo de la transmisión.
Quinta Velocidad.
En 5ta, tenemos 1.81 de relación y el torque y revoluciones disponibles en el yugo de la transmisión son 1,013.06 lb-pie y 1,325.96 RPM.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
39
Sexta Velocidad.
En 6ta, tenemos relación de 1.35 lo que nos deja el torque y revoluciones en 756 lb- pie y 1,777.77 RPM disponibles en el yugo.
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
40
Séptima velocidad.
En 7ma, como podemos observar en el diagrama de flujo de la transmisión tenemos que el torque y las revoluciones del motor pasan directas por la transmisión, la relación es igual a 1.00, lo que quiere decir que por una lb-pie y por una RPM que entregue el motor, en el yugo de la transmisión tendremos una de cada una.
Este tipo de transmisiones son utilizadas principalmente para aplicaciones urbanas, ya sea de reparto de pasajeros o de mercancías, y se prefieren por la relación alta en las primeras velocidades ya que ayuda para “ganar” pasaje o para arrancar en calles con pendientes pronunciadas.
Para seguir con el mismo ejemplo, esto quiere decir que en 7ma tendremos 560 lb- pie de torque a las 1600 RPM y 190 HP a las 2400 RPM del motor.
En la siguiente tabla podemos observar como modifica la transmisión el torque y las revoluciones del motor para lograr romper la inercia del reposo y finalmente para alcanzar la velocidad deseada de la unidad.
Vel. Relación. Torque lbpie @ RPM (motor)
Potencia HP
@ RPM (motor)
Torque lbpie @ RPM
(transmisión)
Potencia HP @ RPM
(transmisión) 1 10.09 560@1,600 190@2,400 5,650.40@1,600 [email protected] 2 5.98 560@1,600 190@2,400 3,348.80@1,600 [email protected] 3 3.72 560@1,600 190@2,400 2,083.02@1,600 [email protected] 4 2.56 560@1,600 190@2,400 1,433.60@1,600 [email protected]
1a R 3a. 2a.
5a. 4a.
7a. 6a.
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5 1.81 560@1,600 190@2,400 1,013.06@1,600 190@1,325.96 6 1.35 560@1,600 190@2,400 756.00@1,600 190@1,777.77 7 1.00 560@1,600 190@2,400 560.00@1,600 190@2,400.00
Como podemos observar la entrada de torque y revoluciones son constantes a la transmisión y la transmisión modifica desde Alto torque hasta el mismo torque del motor y desde Bajas RPM hasta las mismas del motor.
Existe otro modelo de transmisión de 7 velocidades, la ESO66-7B, esta transmisión es de cambios sincronizados, con “overdrive” (sobre marcha), y soporta 660 lb-pie de torque. Sus relaciones de cambios y los efectos en la velocidad son los siguientes.
Vel. Relación. Torque lbpie @ RPM (motor)
Potencia HP
@ RPM (motor)
Torque lbpie @ RPM
(transmisión)
Potencia HP @ RPM
(transmisión) 1 7.48 560@1,600 190@2,400 4,188.80@1,600 [email protected] 2 4.43 560@1,600 190@2,400 2,480.80@1,600 [email protected] 3 2.76 560@1,600 190@2,400 1545.60@1,600 [email protected] 4 1.90 560@1,600 190@2,400 1,064.00@1,600 190@1,263.15 5 1.34 560@1,600 190@2,400 1,013.06@1,600 190@1,791.04 6 1.00 560@1,600 190@2,400 560.00@1,600 190@2,400.00 7 0.74 560@1,600 190@2,400 414.40@1,600 190@3,243.24
La principal diferencia entre las dos transmisiones de 7 velocidades es el último cambio, como podemos ver en la Overdrive y como se explico anteriormente en este capítulo, la sobre marcha son esos cambios donde la relación es menor a 1.00, en este caso 0.74, lo que hace que la transmisión nos entregue menos torque del que esta recibiendo del motor, recordemos que estamos con el camión en la última velocidad y en su velocidad crucero, no necesitamos todo el torque del motor para mantenerlo en movimiento y si encontráramos una pendiente en el camino con la suficiente inclinación necesitaríamos únicamente retroceder un cambio para superarla.
Realmente el objetivo de la sobre marcha es el poder llevar a menores RPM el motor buscando una economía de combustible, ya que la transmisión nos entrega más velocidad que la que recibe y la caja de velocidades no consume diesel. O por el contrario y el caso de los transportistas de nuestro país se presenta, no se busca ahorro de combustible sino altas velocidades en carretera, aún cuando las velocidades máximas para este tipos de vehículos de carga están estipuladas por la SCT, (Secretaría de Comunicaciones y Transportes).
Mecánicamente la forma de obtener esta relación menor a 1.00 es colocando un engrane de menor diámetro en el cambio anterior al de la flecha de entrada, lo que convierte al engrane de esta flecha en el penúltimo cambio, en lugar de el último. Se utilizan distintos mecanismos para que esta posición invertida NO se refleje en la palanca de cambios. Normalmente “columpios” o “Levas” son las encargadas de invertir el movimiento de la palanca haca las barras.
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Transmisión de 7 velocidades con Overdrive.
En la ilustración superior se puede observar que el diámetro del engrane de 7ma es menor al del engrane de 6ta, a demás de que es claro que la posición entre estos dos engranes esta invertida en comparación con la transmisión de 7 velocidades Directa.
En el siguiente esquema se observa que para esta transmisión la 6ta velocidad es directa con relación 1.00.
