DOCUMENTO Nº1: MEMORIA
ÍNDICE GENERAL
1.1 Memoria descriptiva
pág. 2
1.2 Cálculos
pág. 280
1.1 MEMORIA DESCRIPTIVA
ÍNDICE GENERAL
1.1.1. Panorama actual de los sistemas de transmisión en vehículos
pág. 8
1.1.1.1. El embrague
pág. 8
1.1.1.1.1. Necesidad del embrague
pág. 8
1.1.1.1.2. Realización del embrague de fricción
pág. 10
1.1.1.1.3. Disco de embrague
pág. 14
1.1.1.1.4. Mecanismo de embrague
pág. 18
1.1.1.1.5. Embrague de diafragma
pág. 20
1.1.1.1.6. Accionamiento del embrague
pág. 27
1.1.1.1.7. Embragues automáticos
pág. 35
1.1.1.1.7.1. Embrague centrífugo
pág. 35
1.1.1.1.7.2. Embrague electromagnético
pág. 38
1.1.1.1.7.3. Embrague automático servocomandado
pág. 40
1.1.1.1.7.4. Embrague pilotado electrónicamente
pág. 43
1.1.1.1.7.5. Embrague hidráulico
pág. 46
1.1.1.2.1. Necesidad técnica del cambio de velocidades
pág. 52
1.1.1.2.2. Determinación de las relaciones del cambio
pág. 57
1.1.1.2.3. La caja de cambios elemental
pág. 60
1.1.1.2.4. Constitución de la caja de velocidades
pág. 65
1.1.1.2.5. Funcionamiento de la caja de velocidades
pág. 70
1.1.1.2.6. Sincronizadores
pág. 76
1.1.1.2.7. Sincronizadores absolutos
pág. 81
1.1.1.2.8. Cajas de cambio de dos ejes
pág. 92
1.1.1.2.9. Supermarchas
pág. 101
1.1.1.2.10. Sistemas de mando en las cajas de velocidades pág. 105
1.1.1.2.11. Características de las cajas de cambio
pág. 113
1.1.1.2.12. Transmisiones automáticas
pág. 118
1.1.1.2.12.1. Convertidor hidráulico de par
pág. 118
1.1.1.2.12.2. Cajas de cambio automáticas
pág. 123
1.1.1.2.12.3. Engranajes epicicloidales
pág. 130
1.1.1.2.12.4. Combinación de trenes epicicloidales
pág. 133
1.1.1.2.12.5. Elementos mecánicos de mando del
cambio automático
pág. 142
1.1.1.2.12.7. Funcionamiento del sistema hidráulico
pág. 159
1.1.1.2.12.8. Elementos eléctricos de mando
pág. 169
1.1.1.2.12.9. Cambio automático por variador continuo pág. 172
1.1.1.2.12.10. Cambio automático DSG
pág. 176
1.1.1.3. Transmisión del movimiento a las ruedas
pág. 181
1.1.1.3.1. Árbol de transmisión
pág. 181
1.1.1.3.2. Juntas universales
pág. 185
1.1.1.3.3. Puente trasero
pág. 190
1.1.1.3.4. Diferencial
pág. 196
1.1.1.3.5. Diferencial autoblocante
pág. 202
1.1.1.3.5.1. Diferenciales de deslizamiento limitado
pág. 205
1.1.1.3.5.2. Diferencial Torsen
pág. 217
1.1.1.3.5.3. Diferenciales de deslizamiento
controlado (embragues multidisco)
pág. 222
1.1.1.3.6. Transmisión directa a las ruedas
pág. 225
1.1.1.4. Sistema de propulsión
pág. 232
1.1.1.4.1. Propulsión del vehículo
pág. 232
1.1.1.4.2. Propulsión
pág. 234
1.1.1.4.2.2. Motor trasero
pág. 241
1.1.1.4.3. Tracción
pág. 243
1.1.1.4.4. Propulsión total
pág. 245
1.1.1.4.4.1. Transmisión permanente a un eje con
conexión manual del otro
pág. 246
1.1.1.4.4.2. Transmisión 4x4 permanente
pág. 250
1.1.2. La transmisión en un vehículo Fórmula S.A.E.
pág. 253
1.1.2.1. Introducción
pág. 253
1.1.2.2. El conjunto de la transmisión
pág. 253
1.1.2.3. El sistema de propulsión
pág. 256
1.1.2.3.1. Tracción
pág. 256
1.1.2.3.2. Propulsión total
pág. 258
1.1.2.3.3. Propulsión
pág. 259
1.1.2.4. El diferencial
pág. 261
1.1.2.4.1 El diferencial en competición
pág. 263
1.1.2.4.2. Tipos y funcionamiento
pág. 266
1.1.2.4.2.1. Diferenciales de fricción
pág. 266
1.1.2.4.2.2. Diferenciales viscosos
pág. 268
1.1.2.4.2.3. Diferenciales Torsen
pág. 270
1.1.2.5. Palieres y juntas homocinéticas
pág. 273
1.1.3. Agradecimientos
pág. 275
1.1.1. PANORAMA ACTUAL DE LOS
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN EN VEHÍCULOS
1.1.1.1. EL EMBRAGUE
1.1.1.1.1. Necesidad del embrague
La fuerza necesaria para propulsar un vehículo es proporcionada por el motor, cuyo giro se transmite a las ruedas a través de un conjunto de mecanismos que constituyen el sistema de transmisión (fig. 1.1). Las ruedas, apoyándose en la superficie de la carretera se adhieren a ella, rodando y comunicando al vehículo un empuje que se traduce en movimiento del mismo.
Constituye un requisito esencial la necesidad de desconectar la transmisión del movimiento desde el motor a las ruedas, o conectarla suavemente cuando el vehículo deba arrancar desde el reposo y, con este fin, se dispone el mecanismo del embrague formando parte del sistema de transmisión.
La misión del embrague es la de cortar o transmitir el giro desde el motor hasta las ruedas, a voluntad del conductor, para que el vehículo pueda desplazarse cuando lo desee aquél, o permanecer detenido con el motor en marcha, así como efectuar el cambio de relación en la caja de velocidades sin necesidad de parar el motor.
El embrague debe ser lo suficientemente resistente como para poder transmitir todo el esfuerzo de rotación del motor (par motor) a las ruedas y lo suficientemente rápido y seguro como para efectuar el cambio de relación en la caja, sin que la marcha del vehículo sufra un retraso apreciable. Además de esto, debe reunir las cualidades de ser progresivo y elástico para que no se produzcan tirones ni brusquedades al ponerse en movimiento el vehículo partiendo de la situación de parado, ni cuando se varíe el régimen del motor en las aceleraciones o retenciones. Aunque existen diferentes tipos de embrague, todos ellos pueden ser agrupados en tres clases: de fricción, electromagnéticos e hidráulicos. Los primeros basan su funcionamiento en la adherencia de dos piezas, cuyo efecto produce una unión entre ellas que equivale a considerarlas una sola. En los embragues hidráulicos, el elemento de unión es el aceite. Los electromagnéticos son los menos utilizados y basan su acción en los efectos de los campos magnéticos.
El embrague está situado entre el volante motor y la caja de velocidades, accionándose por medio de un pedal que gobierna el conductor con su pie izquierdo. Con el pedal suelto, el giro del motor se transmite a las ruedas, diciéndose entonces que está embragado. Cuando el conductor pisa el pedal del embrague, el giro del motor no se transmite a las ruedas, diciéndose entonces que está desembragado. En la posición de parcialmente embragado permite realizar una transmisión de movimiento progresiva. El embrague es, por tanto, un transmisor de par motor.
Figura 1.1. Sistema de transmisión
1.1.1.1.2. Realización del embrague de fricción
El embrague de fricción está constituido por una parte motriz, que transmite el giro a la parte conducida, utilizando a tal efecto la adherencia existente entre estos dos elementos, a los cuales está aplicada una
determinada presión que los acopla fuertemente uno contra otro.
En la figura 1.2 se ha representado esquemáticamente la disposición de un embrague de fricción, donde puede verse el volante motor (B) en el que se apoya (por mediación de un casquillo de bronce) el eje primario (C) de la caja de velocidades. Sobre un
Figura 1.2. Representación esquemática de un embrague de fricción
estriado de este eje, se monta deslizante el disco de embrague (A), que recibe por sus dos caras laterales unos anillos de amianto impregnados de resina sintética y prensados en armazón de hilos de cobre, que son aplicados fuertemente contra la cara del volante por el plato de presión (D) que, a su vez, es empujado por los muelles (E), repartidos por todo el plato de presión y que por su otro extremo se apoyan en la carcasa de embrague (F), que se mantiene sujeta al volante motor por medio de tornillos, girando con él y obligando a hacerla a su vez al plato de presión (D) que, por tanto, gira solidario del volante motor. El plato de presión (D) puede ser desplazado hacia la derecha por medio de las patillas (H), que basculan sobre su eje de giro en la carcasa del embrague. Este conjunto se encierra en un cárter formado por el bloque motor y la caja de velocidades, para protegerlo del polvo. Cuando el conductor pisa el pedal del embrague, un mecanismo de palanca articulada (J) desplaza a la izquierda el tope o collarín de embrague (G) (cojinete axial), que a su vez mueve las patillas (H), que basculando sobre su eje de giro tiran por su otro extremo del plato de presión (D), que se desplaza hacia la derecha venciendo la acción de los muelles (E). El desplazamiento del plato de presión hace que el disco (A) quede en libertad y, por ello, aunque el motor esté en marcha, su giro no se transmite al disco, por lo que el movimiento no llega a la caja de velocidades y, por tanto, a las ruedas, es decir, el volante motor giraría y con él la carcasa de embrague y el plato de presión, pero no el disco, puesto que no hay apriete contra el volante por parte del plato de presión y, por tanto, está libre.
Si el conductor suelta el pedal del embrague, el tope (G) se desplaza hacia la derecha por mediación del mecanismo de palanca (J). En estas condiciones, los
muelles (E) empujan hacia la izquierda al plato de presión (D), que puede desplazarse porque el tope (G) no ejerce presión en las patillas (H). El apriete del plato (D) hace que el disco (A) quede aprisionado entre él y el volante (B). Debido a esta presión y al material de elevada adherencia de que están hechos los forros del disco, se efectúa una unión rígida entre el volante y el disco, por lo que el giro de aquél es transmitido a éste, que a su vez hace girar al primario (C) de la caja de velocidades, al que está unido por estrías, pasando así el giro de este eje a la caja y de ésta a las ruedas.
La figura 1.3 muestra las posiciones de embragado y des embragado del mecanismo, donde se aprecia que en la primera de ellas el disco de embrague A es aprisionado contra el volante por medio de la maza de embrague (D), que en esta situación se aplica contra el disco bajo la acción de los muelles (E). En la posición de desembragado, al accionar el mando del embrague la maza de embrague es obligada a desplazarse a la derecha por medio del tope de embrague (G) y las patillas de accionamiento (H), comprimiendo los muelles (E). En esta situación, el disco queda en libertad, sin ser oprimido contra el volante motor.
Cuando se desea iniciar la marcha de un vehículo que se encuentra detenido es necesario vencer la inercia debida a su peso, lo que se traduce en un par resistente importante, que es preciso superar desarrollando un par motor superior, lo que solamente se obtiene en los motores de combustión a partir de un cierto régimen. Por esta causa, una maniobra rápida de embrague, que implique un acoplamiento brusco, produce el "calado" del motor, que girando a ralentí no es capaz de superar el par resistente. Por el contrario, el patinado del disco en la maniobra suave de
embragado contribuye a dar progresividad a esta acción y su suavidad al arranque.
Figura 1.3. Posiciones de embragado (izquierda) y desembragado (derecha)
En la figura 1.4 puede verse en sección la disposición de un embrague de fricción, donde se aprecia el emplazamiento del disco de embrague (A) entre el volante del motor (B) y el plato de presión (C), cuyos muelles le empujan apoyándose en la carcasa de embrague (D), fijada al volante motor.
Con el fin de que no se produzca un deslizamiento relativo entre el disco y el volante
motor durante la transmisión del movimiento, es Figura 1.4. Embrague de fricción seccionado
necesario que la presión ejercida por los muelles y la adherencia de las superficies de contacto sea la adecuada, debiendo establecerse en base al par motor máximo que deba transmitirse.
Cuando un embrague no es capaz de transmitir todo el par desarrollado por el motor, se produce un deslizamiento entre las superficies de contacto (disco, volante y plato de presión), con rozamiento y desarrollo de calor que deteriora rápidamente el material adherente del disco.
1.1.1.1.3. Disco de embrague
Como el disco de embrague debe transmitir a la caja de velocidades y a las ruedas todo el esfuerzo de rotación del motor, sin que se produzcan resbalamientos, se comprende que sus forros deban ser de un material que se adhiera fácilmente a las superficies metálicas y sea muy resistente al desgaste por frotamiento y al calor. El más empleado es el formado en base de amianto, como ya se dijo, llamado ferodo, que se sujeta al disco por medio de remaches (fig. 1.5), cuyas cabezas quedan incrustadas en el mismo ferodo por medio de avellanados practicados en él, para evitar que rocen con el volante motor y con el plato de presión, a los que podrían dañar.
Figura 1.5. Fijación de los forros al disco de embrague
El dimensionado del disco de embrague es una de sus características primordiales y depende de la aplicación a un determinado vehículo, fundamentalmente del par a transmitir y del esfuerzo resistente (peso del vehículo). En este dimensionado se dan los valores del diámetro exterior y el espesor del conjunto de guarniciones. Para dar flexibilidad al acoplamiento del disco con el volante en las maniobras de embragado y hacer la unión progresivamente, para que no se produzcan tirones en la marcha, debidos a los distintos regímenes del motor y las ruedas, se dispone el disco de manera que el cubo estriado (A) (fig. 1.6), que se monta en el eje primario de la caja de velocidades, se une al plato (B) al que se fijan los forros, por medio de los muelles (C). El plato (B) está provisto de unos cortes radiales (D) en toda su periferia y cada una de las lengüetas E formadas así se doblan en uno y otro sentido, como muestra el detalle de esta figura.
Figura 1.6. Estructura de un disco de
embrague
La figura 1.7 muestra esquemáticamente y en sección la disposición de los componentes de un disco de embrague. Las guarnituras (G) se unen al plato (T) o cuerpo del disco, que se enlaza con el cubo por medio de los muelles (R), repartidos en toda la circunferencia de unión. De esta forma, la transmisión del giro desde las guarniciones al cubo estriado (y por tanto al eje primario), se realiza de una manera elástica, por medio de los muelles.
Constituido así el disco, cuando el conductor suelta el pedal del embrague, el apriete contra el volante se realiza progresivamente, debido a la flexibilidad de las lengüetas (E) (fig. 1.6), dobladas en sentido contrario unas de otras. El giro del volante motor no se transmite bruscamente al eje primario, pues estando este eje parado (caso de estar el vehículo detenido), cuando el volante comienza a arrastrar al disco los muelles (C) actúan de amortiguadores, ya que el manguito estriado (A) tiende a quedarse quieto, por estarlo el eje primario, al que va unido por estrías. No obstante, a pesar de esta disposición del disco, la operación de embragar deberá realizarse progresivamente y con lentitud, para que al principio exista resbalamiento entre el volante del motor y el disco de embrague, con el fin de que el movimiento de aquél se transmita progresivamente a las ruedas, pues si se pretende acoplar bruscamente este movimiento (por ejemplo soltando el pedal del embrague súbitamente, estando el vehículo detenido con el motor en marcha), se producirá el "calado" del motor, pues es mucha la potencia que debe desarrollar para empezar a mover el vehículo venciendo la inercia debida a su peso. Una vez el vehículo en movimiento, el pedal debe quedar completamente suelto, para que no exista resbalamiento entre el volante motor y el disco de embrague.
En el momento de embragar, el disco debe girar cada vez más rápido hasta alcanzar el régimen de giro del motor, arrastrando consigo a las ruedas por medio del sistema de transmisión. Como consecuencia de este funcionamiento, se produce un deslizamiento en estas circunstancias, que no debe dañar al disco, dadas las características de construcción del mismo. No ocurre lo mismo cuando el deslizamiento continúa después de realizada la maniobra de embrague. En estas
condiciones, debido al rozamiento entre las superficies de contacto, se produce un calentamiento excesivo de los forros del disco, que puede llegar incluso a quemarlos, diciéndose entonces que el embrague patina.
1.1.1.1.4. Mecanismo de embrague
El acoplamiento del disco de embrague contra el volante motor se realiza por medio de un conjunto de piezas que recibe el nombre de mecanismo de embrague. De este conjunto forma parte el plato de presión o maza de embrague, que es un disco de acero con forma de corona circular, que se acopla al disco de embrague por la cara opuesta al volante motor, como se vio en (C) de la figura 1.4. Por su cara externa se une a la carcasa con interposición de muelles helicoidales, que ejercen la presión sobre el plato para aplicarlo fuertemente contra el disco.
La carcasa de embrague constituye la cubierta del mismo, y en ella se alojan los muelles helicoidales y las patillas de accionamiento, a través de los cuales se realiza la unión de la carcasa o envolvente y el plato de presión. Esta envolvente se fija al volante motor en su periferia por medio de tornillos.
Los muelles realizan el esfuerzo necesario para aprisionar al disco de embrague entre el volante motor y el plato de presión, al cual empujan contra el primero, apoyándose por su otro extremo sobre la carcasa. Se disponen circularmente y en número de seis generalmente, de manera que resulte una presión uniforme sobre la maza.
Carrera (mm)
La figura 1.8 muestra el gráfico correspondiente a la curva característica (en este caso una recta) de los muelles de presión, donde se observa que el esfuerzo necesario para el desembrague aumenta conforme lo hace el
recorrido del pedal. El punto (A) corresponde a la posición de embragado, donde la presión ejercida por los muelles es (P2), y el punto (D) corresponde
al desembrague, en la que los muelles ejercen una presión (P1) superior a la anterior. La distancia
(C) es la carrera de desembrague.
Cuando se desgasta el disco de embrague por el uso, los muelles se estiran, ya que para disco nuevo son montados parcialmente comprimidos. Con este desgaste, los muelles ocupan un
espacio libre mayor y, por ello, la presión ejercida es menor. Sobre el gráfico se comprueba que para un desgaste (U), el punto de embrague (A) pasa a la posición (A1), a la que corresponde una presión (P3) menor, debido a la distensión de los
muelles. Como la carrera de desembrague es invariable, el punto (D) queda desplazado a (D1), y a medida que el disco de embrague se desgaste más, los
puntos (A) y (D) se desplazarán a la izquierda, pudiendo llegar un momento en que
Figura 1.9. Disposición de montaje y accionamiento del embrague Figura 1.8. Gráfica de esfuerzos en el mando del embrague
el punto de desembrague (D) alcance la posición (A) y, si el desgaste prosigue, la carga del plato puede llegar a un mínimo inaceptable, lo que obligará a cambiar el disco.
Los desplazamientos de la maza de embrague contra la acción de los muelles, en las operaciones de desembragado, se obtienen por medio de unas patillas de accionamiento. En la figura 1.9 puede verse la disposición adoptada por estas patillas (A), que al desplazarse a la izquierda bajo la acción del tope (T) en la operación de desembragado, tiran hacia la derecha del tomillo (B), que en su movimiento arrastra consigo al plato de presión, al cual está unido por su cabeza. Generalmente estas patillas se disponen en número de tres y su brazo de palanca es el más adecuado para efectuar el esfuerzo necesario para el accionamiento del embrague, sin que por ello deban someterse a cargas excesivas.
1.1.1.1.5. Embrague de diafragma
En la actualidad, los embragues del tipo de muelles han sido sustituidos por los de diafragma, como el representado en despiece en la figura 1.10, donde puede verse el conjunto de embrague 3, formado por la
carcasa, el diafragma (que sustituye a los muelles helicoidales), y la maza de
embrague, que presiona al disco de embrague 4 contra el volante motor 5 en posición de reposo del mecanismo, en la cual la horquilla de desembrague 1 mantiene al tope de embrague 2 retirado del mecanismo. En la figura 1.11, puede verse que el diafragma (A) lo constituye un disco de acero especial con forma cónica, dotado de unos cortes radiales, cuya elasticidad causa la presión necesaria, que aplica la maza de embrague (B) contra el disco (C).
El plato de presión (B) se une a la carcasa de embrague (D), por medio de unas láminas elásticas (F), que la mantienen en posición, al mismo tiempo que permiten el desplazamiento axial necesario para las acciones de embragado y desembragado. A la misma carcasa se une el diafragma por medio de los rema-ches (G) y los aros (E), emplazados ambos en la zona media del anillo circular que
Figura 1.12. Detalle de fijación del diafragma Figura 1.11. Constitución de un embrague de
constituye el diafragma.
La figura 1.12 muestra el detalle de esta unión, realizada de manera que, en reposo, la zona periférica del diafragma ejerce presión sobre la maza de embrague, como indica la flecha, apoyándose entre los aros elásticos y la fijación del remache, en cuya zona se ejerce la reacción correspondiente. En las maniobras de desembrague, el tope axial se aplica contra las puntas del diafragma, que soportado en la fijación del remache hace que la periferia se desplace hacia atrás, liberando de presión a la maza.
En otros modelos de embrague, la fijación del diafragma a la carcasa se realiza por medio de un engatillado, como muestra la figura 1.13, en la que puede verse que el diafragma 2 se fija a la carcasa 1 en el engatillado 4 que hace de punto de apoyo para los movimientos del diafragma. En esta misma figura puede verse con detalle la unión de la maza de embrague 3 a la carcasa 1 por medio de las lengüetas 5, fijadas a ambas piezas por medio de los remaches.
Figura 1.13. Fijación y posicionamiento del diafragma de un embrague
El diafragma lo constituye un disco delgado de acero con forma de cono (fig. 1.14), en el que puede distinguirse una corona circular (la exterior) y varios dedos elásticos, que hacen la función de las patillas en los embragues de muelles, transmitiendo la presión aplicada a sus extremos a la corona, que actúa sobre el plato de presión sustituyendo a los muelles de los embragues convencionales.
Figura 1.14. Configuración del diafragma
En la figura 1.15 se muestra en esquema este tipo de embrague, donde puede verse que el diafragma (A) se aplica por su periferia a la maza de embrague (B), fijándose a la carcasa (C) en varios puntos (D). En la posición de reposo, el diafragma se fuerza para montarlo casi plano, por lo que al tratar de recuperar su forma cónica, la elasticidad de la membrana oprime el disco de embrague, por medio de la maza, contra la cual está aplicada. Cuando el conductor realiza la maniobra del desembrague, el tope (T) se desplaza a la izquierda, empujando el diafragma de su centro hacia ese mismo lado, con lo cual, basculando en los pun-tos de unión (D) a la carcasa, se desplaza de su periferia hacia la derecha,
invirtiéndose la posición de su conicidad y dejando de ejercer presión sobre la maza de embrague, con lo cual el disco queda en libertad. En el detalle de esta misma figura pueden verse las posiciones de embragado y desembragado respectiva-mente, así como la línea de transmisión del movimiento.
Figura 1.15. Disposición de montaje del embrague de diafragma
Dadas las características del diafragma, la curva de esfuerzos que se obtiene es la representada en la figura 1.16. Como en el montaje se fuerza el diafragma para que en posición de embragado quede plano, la presión que realiza sobre el disco es (P
1) (punto A del gráfico), tendiendo su elasticidad a llevarlo a la posición (C)
impuesta por su propia conicidad, como muestran los pequeños esquemas por
encima del gráfico.
El esfuerzo necesario para desembragar debería crecer instantáneamente de (O) hasta (A); pero en la práctica, debido a la elasticidad de los dedos del diafragma, existe una pequeña carrera del pedal (L-O), durante la cual se llega al esfuerzo (P
1), en cuyo valor se equilibra el esfuerzo que ejerce el diafragma sobre el disco, con
el realizado sobre el pedal. A partir de aquí, a medida que se pisa más el pedal de embrague, el esfuerzo va decreciendo hasta un valor mínimo y creciendo otra vez hasta el punto (B), que representa el final de la carrera de desembrague, donde la conicidad del diafragma se ha invertido ya.
Figura 1.16. Curva de esfuerzos de un embrague de
diafragma
De esta manera, a medida que se va desgastando el disco, el diafragma va tomando una posición cónica en situación de embragado, trasladándose el punto (A) hacia la izquierda de la curva, tanto más cuanto mayor sea el desgaste del disco. La nueva posición de embragado es ahora (A2), en la que el diafragma
pre-senta una cierta conicidad y, como la carrera de desembrague es siempre la misma, la posición de desembragado está ahora en (B2). Con esto se obtiene una
mayor carga del plato sobre el disco de embrague en la posición de embragado, y si continúa el desgaste del disco, llegará hasta un valor máximo para decrecer luego hasta alcanzar en (C) el mismo valor que en (A), cuando se llega al fin del desgaste del disco. Para este máximo desgaste, la posición de embragado será (C), y (A) la de desembragado. Así pues, a medida que se desgasta el disco, va aumentando la presión que el diafragma ejerce sobre él en posición de embragado, por ir tomando una mayor conicidad. En consecuencia, también aumenta el esfuerzo necesario para desembragar que debe realizar el conductor sobre el pedal de embrague.
Comparando esta curva de esfuerzos con la correspondiente a los embragues convencionales de muelles, como la representada en la figura 1.8, puede deducirse que el diafragma requiere un menor esfuerzo de maniobra y, al mismo tiempo, con el desgaste del disco aumenta la presión de apriete, mientras que en el de muelles decrece considerablemente. Por todo ello puede afirmarse que el rendimiento de un embrague de diafragma es superior al de otro de muelles. Además de esto, el diafragma presenta importantes ventajas con respecto a los muelles, de entre las que podemos des-tacar:
• Resulta más sencilla su construcción.
Figura 1.17. Embrague accionado tirando del diafragma
• La fuerza ejercida sobre el plato de presión está repartida de manera más uniforme.
• Resulta más fácil de equilibrar.
• Se requiere un menor esfuerzo en la acción de desembragado.
En algunos embragues se dispone el diafragma como muestra la figura 1.17, de manera que la acción de desembragado se obtiene tirando del tope de embrague, el cual está acoplado a las puntas del diafragma, de las que tira en esta maniobra (detalle superior en la figura), arrastrando en esa dirección a la maza de embrague. Cuando se suelta el pedal de embrague, la horquilla de mando retrocede y deja de tirar de las puntas del diafragma, que ahora recobra su posición de reposo (detalle inferior en la figura), presionando a la maza contra el disco de embrague.
1.1.1.1.6. Accionamiento del embrague
Para ejecutar las maniobras de embrague, se dispone un sistema de mando cuyo accionamiento puede ser puramente mecánico o bien hidráulico.
El sistema de accionamiento mecánico se ha representado en la figura 1.18, donde puede verse que el pedal de embrague (9) está unido a un cable de acero (4), que por su extremo opuesto se acopla a la horquilla de embrague (3), capaz de producir el desplazamiento del tope de embrague (2). En posición de reposo (pedal suelto), el tope de pedal (6) y el muelle (7) determinan la posición del pedal como se ha representado en la figura. En estas condiciones, la horquilla (3) se mantiene
retirada, junto con el tope (2), sin atacar el diafragma a una cierta distancia (1), que constituye la llamada guarda de embrague y puede ser regulada con el tornillo (5). En cuanto se acciona el pedal (9), girando en el eje (8) arrastra el cable (4), que tira de la horquilla de embrague (3) por su extremo inferior y produce el desplazamiento del tope (2), con la consiguiente deformación del diafragma. Los movimientos del pedal y la horquilla de mando se realizan sobre las articulaciones de que están provistos ambos.
Al soltar el pedal de embrague, el tope se desplaza hacia la derecha por la fuerza que sobre él ejerce el diafragma, que tiende a recuperar su posición inicial. Este empuje se transmite al cable, que hace retornar el pedal a su posición de reposo, impuesta por el tope (6) y muelle (7). En los modelos de embrague con accionamiento del diafragma por "tirado" del mismo, la acción del cable sobre la horquilla es contraria a la de esta figura.
La figura 1.19 muestra una de las disposiciones de montaje de la horquilla y el tope de embrague, el cual está constituido por un rodamiento de bolas, cuya pista interior (3) está provista de un saliente para el accionamiento del diafragma. La pista exterior (2) forma parte de la envoltura del rodamiento, que interiormente se desliza sobre el casquillo (4), que rodea el eje primario (5) de la caja de velocidades. El deslizamiento a izquierda y derecha del tope de embrague se logra por la acción de la horquilla (1), articulada en el eje de giro (6). De esta forma no se produce rozamiento entre el tope de embrague y las puntas del diafragma en las acciones de embragado y desembragado.
En el sistema clásico de mando del embrague por cable, pueden establecerse dos tipos: los de apoyo constante del cojinete de empuje sobre el tope de embrague y los de guarda en el cojinete de empuje, como los tratados hasta aquí, en los que el cojinete de empuje se mantiene retirado del diafragma en la posición de reposo, mediante la acción de un muelle acoplado a la horquilla de desembrague, como muestra la figura 1.18. En esta situación, el pedal ocupa su posición de reposo contra el tope correspondiente,
Figura 1.19. Disposición de montaje de la horquilla de desembrague
gracias a la acción del muelle antagonista, dejando en libertad el cable, del que tira la palanca de desembrague. En la punta del cable, en su acoplamiento a la horquilla de desembrague se dispone el ajustador de la guarda de desembrague, con cuyo reglaje se determina la posición del tope de empuje sobre el diafragma. En otros casos, el sistema de mando determina un apoyo constante del cojinete de empuje sobre el tope, suprimiéndose la guarda de desembrague, con lo que se elimina el recorrido en vacío del pedal en esta maniobra. La figura 1.20 muestra una de estas disposiciones, donde puede verse que el pedal es solicitado por el muelle (R), tirando a su vez del cable y palanca de desembrague (L), aplicando el tope (B) contra el diafragma, sobre el que se mantiene en contacto permanente. De esta forma, el pedal queda retirado de su tope (F) en posición de reposo, quedando entre ambos una guarda y que puede ser regulada con el correspondiente tornillo de la punta del cable en su unión a la palanca de desembrague.
Figura 1.21. Mando de embrague con recuperación automática del juego de acoplamiento
En los vehículos actuales es muy utilizado un sistema de mando del embrague con recuperación automática del juego de acoplamiento. La figura 1.21 muestra este dispositivo, donde puede verse que el pedal está provisto de un trinquete (B), que se mantiene enclavado en el sector (A) por la acción de un muelle, de manera que cuando se pisa el pedal (H), el trinquete obliga al sector a seguir su movimiento (hacia la izquierda) tirando del cable (G), que por su extremo opuesto tira de la horquilla de desembrague (C), que basculando en su eje de giro, aplica el tope de embrague (F) contra el diafragma para ejecutar la maniobra del desembrague. Con el pedal suelto, la acción del muelle (J) sobre el sector dentado (A), tiende a man-tener el cable tensado por resbalamiento del trinquete en los dientes de sierra del sector, con lo cual queda absorbido el juego de acoplamiento entre el cojinete de empuje y el diafragma de una manera automática, a medida que se va produciendo
desgaste del disco de embrague.
La figura 1.22 muestra una variante de este sistema, en la que el trinquete se dispone en el propio pedal y el sector dentado se acopla a él por medio de una bieleta fijada al eje del pedal. En posición de reposo, la bieleta apoya en un tope (detalle de la izquierda), desacoplando el sector del trinquete, con lo cual el muelle antagonista tensa el cable de mando. Cuando se pisa el pedal, la bieleta se despega del tope (detalle central) acoplando los dentados del sector y del trinquete. Seguidamente, a medida que se desplaza más el pedal, el sector tira del cable de mando para producir el desembrague (detalle de la derecha).
Figura 1.22. Fases del funcionamiento del dispositivo de recuperación automática
Con cualquiera de estas disposiciones se consigue mantener el tope de embrague en apoyo constante con el diafragma, a pesar del progresivo desgaste del disco de embrague, por lo cual queda suprimida la operación de reglaje de la guarda de embrague, que será descrita posteriormente.
Las longitudes de la horquilla de desembrague y del pedal, con respecto a sus correspondientes ejes de giro, están determinadas de manera que el accionamiento del embrague resulte cómodo y el conductor no tenga que desarrollar un esfuerzo excesivo para ejecutar las maniobras. Son admisibles esfuerzos comprendidos entre 8 y 10 kg.
Para facilitar las maniobras de embragado, en algunos vehículos se adopta un sistema de mando hidráulico, como el representado esquemáticamente en la figura 1.23, donde puede verse que el pedal de embrague actúa sobre el émbolo de un cilindro emisor, para desplazarlo en su interior impulsando fuera de él el líquido que contiene, enviándolo al cilindro receptor, en el que la presión ejercida producirá el desplazamiento de su pistón que, a su vez, provoca el desplazamiento del tope de embrague por medio de un sistema de palancas. Disponiendo los cilindros emisor y receptor de las medidas convenientes, puede lograrse la multiplicación más adecuada del esfuerzo ejercido por el conductor sobre el pedal. Si el cilindro receptor es de doble diámetro que el emisor, el esfuerzo ejercido sobre el pedal
Tubería
Émbolo Acción del pedal
Depósito
queda duplicado, lo cual supone que la acción de desembragado se logre para un esfuerzo ejercido por el conductor igual a la mitad del necesario.
En la figura 1.24 puede verse la disposición de montaje de un cilindro de mando de embrague (cilindro maestro) y el pedal de accionamiento, cuya posición de reposo viene impuesta por el tomillo (1) y tuerca (4), con los cuales se realiza la operación de reglaje. Al pedal está unida la varilla de mando (2), que actúa sobre el pistón de mando (3), encerrado en el cilindro maestro, quedando entre ambos un huelgo (J) en la posición de reposo del pedal. El cilindro de mando está comunicado con el de accionamiento por medio de una canalización y con un depósito de reserva de líquido por medio de otra.
Cuando se acciona el pedal de embrague, el émbolo es desplazado en el interior del cilindro, enviando el líquido allí contenido hacia el cilindro receptor, en el cual (fig. 1.25) se producirá el desplazamiento de su émbolo, que acciona la horquilla de
Figura 1.24. Ubicación del cilindro de mando del embrague
Figura 1.25. Ubicación del cilindro receptor para el mando del embrague
embrague de manera similar a la de un sistema convencional de mando mecánico. En cuanto se suelte el pedal de embrague, el diafragma vuelve a su posición de reposo, empujando la horquilla de embrague que, a su vez, desplaza el émbolo hacia su posición de reposo, haciendo retomar el líquido hasta el cilindro de mando. Con esta disposición, el mando de embrague resulta suave y progresivo, dispensando al conductor del mayor esfuerzo a realizar en estas operaciones.
1.1.1.1.7. Embragues automáticos
1.1.1.1.7.1. Embrague centrífugo
Las maniobras que deben realizarse sobre el pedal de embrague en las operaciones de embragado y desembragado pueden quedar suprimidas con el empleo de los embragues automáticos, los cuales ejecutan estas operaciones de forma autónoma.
En algunos modelos de embrague de tipo convencional se disponen unos contrapesos (D) (fig. 1.26) que ayudan al diafragma en su empuje sobre el plato de presión, para mantener el disco de embrague fuertemente aplicado contra el volante motor. De esta manera, puede montarse un diafragma menos fuerte para que la resistencia a vencer por el conductor cuando pisa el pedal sea menor, confiándose el apriete total del disco a la acción de los contrapesos (D),
E
Figura 1.26. Embrague centrífugo de contrapesos
que cuando el motor gira rápidamente son empujados hacia la periferia por la fuerza centrífuga, por lo que las palancas unidas a ellos, basculando en el punto de giro (E), empujan al plato de presión hacia la izquierda y ejercen así una mayor presión sobre el disco de embrague. Este tipo de embrague resulta así semiautomático.
Otras veces, el sistema de embrague es totalmente automático y se confía la acción de embragar y desembragar solamente a los contrapesos. El sistema es similar al anteriormente descrito, pero sin el diafragma. Cuando el motor gira a ralentí, los contrapesos ocupan su posición de reposo debido a la acción de unos pequeños muelles y, con ello, el plato de presión deja en libertad al disco de embrague, quedando el motor desembragado. En cuanto se acelera el giro del motor, los contrapesos se desplazan hacia la periferia por la acción de la fuerza centrífuga, provocando el empuje del plato de presión y el motor queda embragado. Dado que el giro del motor sube en las aceleraciones de una manera progresiva, la acción de embragado resulta igualmente progresiva.
Basados en este mismo principio se utilizan actualmente embragues centrífugos semiautomáticos, como el mostrado en despiece en la figura 1.27, donde puede verse que está constituido por un sistema de embrague convencional (disco 3 y mecanismo 2), montados sobre la cara frontal de un tambor (1), que en su interior recibe el plato (4) provisto de zapatas en su periferia. El plato (4) está unido al cigueña1 y, por tanto, gira con él. Las zapatas pueden desplazarse hacia afuera por la acción de la fuerza centrífuga, haciendo solidario el tambor (1) con el giro del plato (4).
De esta manera, siempre que el motor alcance un determinado régimen (por ejemplo 1.000 r.p.m.), se produce la acción de embragado del tambor (1), que se hace solidario del giro del motor.
Figura 1.28. Sección de un embrague centrífugo semiautomático
En la figura 1.28 se muestra en sección la disposición de este tipo de embrague, donde se deduce que la acción de embragado solamente se produce estando el tope (A) en su posición de reposo y girando el motor por encima de un determinado
Figura 1.27. Realización práctica de un embrague centrífugo semiautomático
régimen, a partir del cual las zapatas (Z) hacen solidario al volante (V) del tambor (T), por la acción de la fuerza centrífuga. Girando el motor por debajo de este régimen, se produce el desembragado automáticamente.
La figura 1.29 muestra en detalle la disposición de las zapatas (1), fijadas al plato (3) por medio de las lengüetas elásticas (4), que bajo la acción de la fuerza centrífuga se deforman, permitiendo a las zapatas adaptarse al tambor (2).
Figura 1.29. Disposición de las zapatas de un embrague centrífugo semiautomático
1.1.1.1.7.2. Embrague electromagnético
Los embragues hasta ahora descritos basan su funcionamiento en los efectos de adherencia. A causa del frotamiento que ello comporta, estos embragues pueden resultar ruidosos en el funcionamiento y padecen un desgaste. Los embragues electromagnéticos y los hidráulicos evitan estos inconvenientes, aunque es cierto que introducen otros que les son propios.
Figura 1.30. Embrague electromagnético
En la figura 1.30 se muestra un embrague electromagnético. Sobre el volante de inercia (V) del motor, se monta una corona de acero (C), en cuyo interior está alojada una bobina (A), que al paso de la corriente eléctrica a su través concentra el flujo magnético que aparece en la zona del entrehierro (E), formado entre la corona (C) y el disco de acero (D).
Este disco es el que se monta estriado en el primario de la caja de velocidades, sustituyendo al
típico de los embragues de fricción, quedando perfectamente centrado en el interior de la corona (C). El espacio existente en el interior de esta corona se cierra mediante las chapas de acero (F), rellenándose de polvo magnético, que se aglo-mera en el entrehierro (E) por la acción del campo magnético, haciendo solidarios a la corona (C) y el disco (D). De esta manera, cuando pasa corriente por el arrollamiento, se produce la aglomeración del polvo magnético en el entrehierro (E), haciéndose solidarios la corona y el disco, lo que permite la transmisión del movi-miento del motor. Por el contrario, si no pasa corriente por el arrollamovi-miento, el polvo magnético permanece sin aglomerar en el entrehierro, lo que permite girar en vacío a la corona (C), sin que se produzca el arrastre del disco, con lo cual el giro del motor no es transmitido.
En el instante en que comienza a pasar corriente por el arrollamiento, se inicia la aglomeración, que tarda en completarse un cierto tiempo, lo que además se ve
favorecido por el retardo a la aparición del flujo magnético que se produce en todas las bobinas. Este efecto tiene como consecuencia una progresividad en la acción de embrague y, por tanto, en la transmisión de movimiento desde el motor a las ruedas, lo cual resulta beneficioso al realizar la maniobra de embragado.
1.1.1.1.7.3. Embrague automático servocomandado
En algunos modelos de vehículos se monta actualmente un embrague de tipo automático pilotado, donde las acciones de embragado y des embragado se efectúan automáticamente, sin que el conductor se vea obligado a gobernar el pedal convencional, que por esta causa queda suprimido.
El conjunto está constituido (fig. 1.31) por un embrague de tipo centrífugo aplicado sobre el volante motor, y otro convencional cuyo mecanismo se une al anterior por medio de un sistema de rueda libre, que no permite girar al disco principal a un régimen superior al del motor, pues en cuanto esto ocurre la rueda libre se bloquea haciendo estas dos partes solidarias.
El embrague centrífugo actúa en función del régimen motor,
realizando la acción de embragado a partir de un determinado valor de giro. El embrague convencional es mandado por un mecanismo servoneumático gobernado por una electroválvula, que es activada por la palanca del cambio de velocidad y por el pedal del acelerador.
En la figura 1.32 se ha representado en sección este tipo de embrague, donde puede verse que el disco (1) del embrague centrífugo es aprisionado contra el volante motor por medio del plato de presión (2), cuando los rodillos (3) se deslizan hacia la periferia, bajo la acción de la fuerza centrífuga. Al disco (1) se une por medio de tomillos el plato (4), similar a un volante motor, sobre el que acopla el disco (5) del embrague principal, cuyo plato de presión (9) es accionado por el mecanismo servoneumático. El disco (5) del embrague principal se monta del modo convencional sobre el primario de la caja de velocidades.
Figura 1.32. Vista en sección de un embrague servocomandado
Constituido este tipo de embrague de la manera descrita, al actuar sobre el pedal del acelerador, aumentando en consecuencia el régimen de giro del motor, las masas centrífugas se lanzan hacia el exterior oprimiendo al plato de presión (2) contra el disco (1), venciendo la acción de unos muelles antagonistas, obteniéndose la acción de embrague de una manera progresiva. La marcha del vehículo partiendo de parado comienza alrededor de las 1.000 r.p.m. del motor, mientras que a 1.500 r.p.m. ya puede ser transmitido todo el par motor, cesando por ello todo deslizamiento y permaneciendo conectado este embrague durante todo el tiempo de marcha.
Solamente por debajo de las 1.000 r.p.m. la fuerza centrífuga que aplica a los rodillos (3) sobre el plato de presión es inferior en valor a la de los muelles antagonistas que, en estas condiciones, producen el desembrague. Sin embargo, en las retenciones, donde la transmisión tiende a arrastrar en su giro al motor, se producirá el des embragado por debajo de las 1.000 r.p.m., lo cual no es deseable y, sin embargo, con este tipo de embrague así ocurre. Para subsanar este inconveniente se dispone un mecanismo de rueda libre (7), que hace solidario el disco de embrague (1) del volante motor cuando se produce una retención.
Con el vehículo en marcha, el cambio de velocidad se realiza al accionar la palanca correspondiente, con cuya maniobra se activa una electroválvula (fig. 1.31), capaz de poner en comunicación el servo con la depresión creada por el motor. Con ello se consigue el accionamiento de la palanca de desembrague, que activa el mecanismo del embrague principal produciendo la acción de desembragado. En cuanto se lleva la palanca de mando a la posición de una nueva relación, la
electroválvula vuelve a la posición de reposo, cortando la comunicación entre el servo y la depresión del motor, con lo cual la palanca de desembrague retorna a su posición inicial, realizándose la acción de embragado. Esta maniobra se efectúa de una manera progresiva, en función de la posición del acelerador, que influye sobre el valor de la depresión transmitida al servo, lo que permite una conexión más suave y gradual en el paso a marchas inferiores y una pronta conexión, sin excesivos deslizamientos, en las maniobras rápidas de cambio de marcha en aceleraciones.
1.1.1.1.7.4. Embrague pilotado electrónicamente
El mando automático del embrague puede ser encomendado a un sistema electrónico de gestión, que a su vez comanda un sistema hidráulico de mando de la palanca de desembrague. La figura 1.33 muestra esta disposición, en la que el mecanismo de embrague convencional, y concretamente la palanca de desembra-gue (1), es accionada por un cilindro hidráulico (2), que recibe la presión del grupo hidráulico (3), gobernado por una electroválvula de control (4), que recibe los impulsos de mando del calculador electrónico (5), el cual, a su vez, toma señales de referencia de la posición de la palanca de cambios (6) y del pedal del acelerador (7), así como del régimen motor y velocidad del vehículo.
Cuando el vehículo está parado y el interruptor de encendido desconectado, el embrague se encuentra siempre en posición de embragado, independientemente de si el cambio se encuentra con una velocidad metida o en punto muerto. En estas
condiciones no es posible el arranque del motor. Si se acciona la palanca del cambio para llevarla a posición de punto muerto, un captador de esfuerzo situado sobre la palanca envía una señal al calculador que acciona el embrague, permitiendo sacar la velocidad y que pueda ser arrancado el motor.
Cuando se activa el interruptor de encendido, el sistema se inicializa y advierte al conductor mediante una señal sonora si está metida alguna velocidad. Al mismo tiempo, pone en funcionamiento el grupo generador de presión hidráulica para alcanzar el valor conveniente de la presión de mando.
Con el vehículo en marcha, cuando el conductor acciona la palanca del cambio para seleccionar la primera velocidad, el captador de esfuerzo de la palanca envía al módulo electrónico la correspondiente señal y es activado el embrague permitiendo la selección de esta marcha. En esta situación, el arranque del vehículo se produce automáticamente al acelerar, realizándose la operación de embragado progresivamente en función de la posición del acelerador y de la respuesta del motor (subida de régimen). Si el conductor selecciona una marcha inadecuada para el arranque, se produce un pitido de advertencia que le indica lo inadecuado de la maniobra.
Con el vehículo en marcha, cuando el conductor inicia la maniobra del cambio de relación, ejerciendo un leve esfuerzo sobre la palanca del cambio y levantando el pie del acelerador, el calculador recibe ambas señales, que producen el desembrague. Una vez introducida la nueva relación, el captador de posición del selector de marcha envía una señal al calculador que autoriza el embragado al acelerar. Esta acción de embragado se produce a una velocidad que depende de
las velocidades del motor y del vehículo, de manera que en los cambios ascendentes se realiza rápidamente, mientras que en los descendentes la maniobra es más lenta.
Figura 1.33. Embrague pilotado electrónicamente
En el momento de detener el vehículo, el sistema desembraga al descender la velocidad por debajo del régimen correspondiente al ralentí, permaneciendo el motor desembragado, con independencia de la posición de la palanca del cambio, hasta que sea accionado el acelerador.
La gestión electrónica de este tipo de embrague mejora considerablemente las prestaciones y manejo del cambio con respecto al sistema anteriormente descrito, resultando el vehículo así equipado sumamente agradable de conducir y
disminuyendo el desgaste normal del disco de embrague que se produce en las maniobras de embragado.
1.1.1.1.7.5. Embrague hidráulico
Los embragues de fricción presentan algunos inconvenientes, de entre los que podemos destacar: brusquedad en el acoplamiento, ruidos y desgastes. Estas imperfecciones favorecieron el desarrollo de otros tipos de embrague, de entre los que cabe destacar los hidráulicos, que carecen de estos defectos, pues para la transmisión del movimiento utilizan un fluido, con las ventajas adicionales de resultar enteramente automáticos y proporcionar una gran suavidad de acoplamiento, atenuando en gran medida las vibraciones torsionales en el cigüeñal. El funcionamiento de un embrague hidráulico puede compararse al de dos ventiladores colocados uno frente al otro. Si cualquiera de ellos es puesto en marcha por medio de la corriente eléctrica, la corriente de aire creada incide sobre las aspas del otro, que con este impulso comienza a girar, pudiendo alcanzar un régimen casi igual al del primer ventilador. De esta manera se logra una transmisión del movimiento, sin que las partes conductora y conducida estén unidas directamente, ni por medio de fricción. La transmisión se ha conseguido por medio de un agente intermedio, que en este caso es la corriente de aire.
En los embragues hidráulicos, la transmisión del movimiento desde la parte conductora a la conducida se logra por medio del aceite y fundamentan el funcionamiento en la transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a
una turbina, por mediación de un fluido. La bomba centrífuga es movida por el motor y la turbina se une a la caja de velocidades. Ambas piezas tienen la forma de un semitoroide geométrico y están provistas de tabiques planos llamados álabes, encerrados en una carcasa estanca formada en el mismo volante de inercia del motor, quedando separadas por un espacio pequeño, para que en ningún caso se produzca contacto ni rozamiento entre ellas.
En la figura 1.34 se ha representado esquemáticamente un embrague hidráulico, en el que puede verse el eje motor (cigüeñal y volante), en el que se forma la bomba o corona motriz y el eje conducido (unido al árbol primario de la caja de velocidades), en el que se forma la turbina o corona arrastrada. Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa, entre los álabes radiales, es arrastrado por ellos e impulsado por la bomba (que gira con el motor) proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos álabes incide paralelamente al eje, de manera similar a lo que ocurre con el aire del ventilador del ejemplo citado anteriormente. Así se forma un torbellino tórico.
La energía cinética de cada partícula que choca contra los álabes de la turbina (fig. 1.35), produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar. El aceite resbala por los álabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta hacia el centro de la bomba, de donde nuevamente pasa a la periferia para seguir este ciclo.
Cuando el motor gira lentamente, la velocidad con que salen las partículas de aceite de la bomba es pequeña y la energía cinética transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente opuesto por el peso del propio vehículo. La turbina permanece sin girar y hay un resbalamiento total entre bomba y turbina; pero a medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino tórico formado por las partículas de aceite se va haciendo más consistente, con lo que el aceite incide con más fuerza en los álabes de la turbina y, por ello, es capaz de hacerla girar arrastrando el vehículo, existiendo un resbalamiento entre bomba y turbina, que supone una progresividad en el embrague.
La figura 1.36 muestra la formación del torbellino tórico del aceite entre el impulsor y la turbina, que produce el arrastre de la misma.
Cuando el motor gira rápidamente, desarrollando su par máximo, el aceite impulsado por la bomba incide con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad, sin que exista apenas resbalamiento entre ambas. Lógicamente la turbina entra en rotación cuando el par transmitido por la bomba es superior al par resistente.
Siempre existe un resbalamiento entre bomba y turbina que, cuando el motor gira muy rápido, es de un 2% aproximadamente. El par motor se transmite íntegro a la transmisión, cualquiera que sea el resbalamiento y así ocurre que al acelerar el motor, aunque sea bruscamente desde el ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, por no existir resistencia a causa del resbalamiento y tomar el motor enseguida un número de revoluciones elevado, transmitiendo su par máximo. Si al subir una pendiente disminuye la velocidad del vehículo, por aumentar el par resistente, el motor continúa desarrollando el máximo par a costa de un mayor resbalamiento, por lo que podrá mantenerse más la directa sin peligro
de que el motor se cale, significando únicamente un mayor resbalamiento y, en consecuencia, mayor calentamiento del aceite.
En la figura 1.37 se muestra la disposición de un embrague hidráulico formando un conjunto en este caso con uno de fricción. En la bomba (12) se forman los álabes que impulsarán el aceite hacia la turbina (11), la cual se une al volante (5), en el que se monta el embrague de fricción (6), cuyo disco (8) se monta en el estriado del eje primario (7) de la caja de velocidades. El impulsor (12) se cierra por medio de la carcasa (3), que rodea a la turbina, resultando estanco el conjunto. En el interior se vierte el aceite a través del tapón de llenado (4).
Figura 1.37. Combinación de un embrague hidráulico con otro de fricción
La disposición de un embrague convencional de fricción junto al hidráulico está motivada por las características de este último, que harían imposible su aplicación independientemente a una caja de velocidades de tipo convencional (de engranajes paralelos), como ya se verá. Efectivamente, aun con el motor girando a ralentí, la turbina está sometida a un esfuerzo que tiende a arrastrarla. Este esfuerzo sería comunicado a los engranajes de la caja de velocidades (en caso de acoplarse directamente a ella), impidiendo las maniobras del cambio de marchas. Por esta razón, fundamentalmente, los embragues hidráulicos son utilizados preferentemente en los vehículos dotados de cajas de velocidades automáticas, de engranajes epicicloidales.
Frente al inconveniente de los embragues hidráulicos, el calentamiento que se produce como consecuencia del deslizamiento entre el impulsor y la turbina, presentan las ventajas fundamentales de ausencia de desgaste (por no existir rozamiento entre sus órganos) y suavidad de acoplamiento, que da por resultado una marcha estable del vehículo, exenta de "tirones".
1.1.1.2. LA CAJA DE CAMBIOS
1.1.1.2.1. Necesidad técnica del cambio de velocidades
La potencia y el par desarrollados por un motor varían en función del régimen, alcanzándose el valor máximo de la primera para una determinada velocidad de rotación, mientras que el mayor par motor se obtiene generalmente a un régimen inferior.
Como es sabido, en los motores térmicos la fuerza expansiva de los gases generada por la explosión de la mezcla queda aplicada a la cabeza del pistón sobre la que ejerce un empuje, tanto mayor cuanto más lo sea la cantidad de mezcla que explosiona. Este empuje, que es transmitido al codo del cigüeñal por medio de la biela, es generador del par motor, el cual viene a significar el esfuerzo de rotación que es capaz de desarrollar un motor venciendo las fuerzas que se oponen a su movimiento. Por tanto, podemos decir que el par motor es un esfuerzo de rotación, que aplicado a las ruedas de un vehículo le transmiten el empuje necesario para lograr su movimiento, venciendo las resistencias que se oponen a la marcha. Cuando el valor de éstas es igual al del par motor desarrollado, el vehículo se mueve con velocidad constante. Si el esfuerzo de rotación aplicado a las ruedas es inferior a la resistencia a vencer por el vehículo en su marcha, éste perderá velocidad hasta detenerse, y si es superior ganará en velocidad.
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 con el régimen de giro, correspondiendo los mayores valores a los regímenes más altos, pues a pesar de que 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.
En la figura 2.1 se han representado las curvas características de potencia y par de un motor en función del régimen de giro, donde se observa que el par motor máximo se obtiene a 3.000 r.p.m., mientras que la máxima potencia del motor se consigue a 5.400 r.p.m. En el intervalo comprendido entre estos dos regímenes se logra un funcionamiento estable del motor, cualesquiera que sean las resistencias a vencer en la marcha del vehículo, es decir, las fuerzas que se oponen al avance del mismo y que se manifiestan en el eje de las ruedas motrices, bajo la forma de un par resistente.
Considerando una velocidad de rotación del motor cualquiera, comprendida en el intervalo antes señalado, a la que corresponde un determinado par motor, cuando aumentan las resistencias a vencer en la mar-cha del vehículo (por ejemplo en la subida de una pendiente),
sobreviene una disminución de la velocidad de rotación, pero con ello va aparejado un aumento del par motor desarrollado, necesario para vencer la mayor resistencia opuesta ahora a la marcha del vehículo, obteniéndose así una nueva condición de equilibrio, a un régimen más bajo.
La velocidad de 3.000 r.p.m. representa, por tanto, el límite inferior de funcionamiento estable del motor en este caso concreto, mientras que la de 5.400 r.p.m. supone el límite superior.
Si se considera una velocidad de rotación del motor inferior a 3.000 r.p.m., el funcionamiento del mismo no puede ser estable, por cuanto que para pequeños aumentos de la resistencia a vencer en la marcha del vehículo el régimen motor decae y, con ello, disminuyen sensiblemente el par y la potencia desarrollados, con lo cual no puede obtenerse un nuevo equilibrio a una velocidad más baja y, por tanto, el motor perderá régimen paulatinamente hasta llegar a calarse.
De estas condiciones resulta evidente la necesidad de disponer de un órgano mecánico, como el cambio de velocidades, que permita el funcionamiento del motor en el intervalo de velocidad estable, independientemente de la resistencia encontrada por el vehículo durante la marcha.
La figura 2.2 muestra gráficamente el principio de multiplicación del par. Se han 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, transmitiendo a través del diente en toma un esfuerzo (F), de modo que C = F x L. El diente en toma del 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 multiplicado por dos, mientras que el piñón (R) gira a la mitad de la velocidad angular que el piñón (E). Si el piñón receptor (R) tiene un radio tres veces mayor que el impulsor (E), el par queda multiplicado por tres, mientras que el giro es reducido a la tercera parte, es decir, para una vuelta completa del piñón receptor (R) el impulsor (E) ha de dar tres vueltas.
Figura 2.2. Principio básico de multiplicación del par motor
Así pues, con esta disposición se consigue en los sistemas de engranajes la multiplicación del par motor. Generalizando diremos que para variar el par es suficiente con modificar los radios o número de dientes de los piñones transmisores de movimiento, de manera que si multiplicamos el par por un número determinado, la velocidad queda dividida por ese mismo número. Esta posibilidad se aprovecha para transformar el par proporcionado por el motor y que es prácticamente constante en el intervalo de funcionamiento estable, en otro par mayor de acuerdo
con las resistencias que se opongan a la marcha del vehículo. Para ello se intercalan entre el árbol motor y el eje de las ruedas parejas de engranajes con distintas relaciones de transmisión, de manera que puedan acoplarse las parejas de piñones más apropiadas a cada una de las condiciones de marcha del vehículo (arrancadas, subidas de pendientes, marcha en terreno llano, etc.).
Llegados a este punto, es preciso hacer notar que el motor de un automóvil de tipo medio necesita girar a 4.000 r.p.m. aproximadamente para impulsar el vehículo a una velocidad de 110 km/h en toma directa; mientras que las ruedas utilizadas convencionalmente solamente precisan girar a 1.000 r.p.m. aproximadamente para recorrer 110 kilómetros en una hora, de lo que se deduce la necesidad de introducir una desmultiplicación constante de 4 a 1, que permita describir a las ruedas una vuelta para cada cuatro del motor. Esto se consigue acoplando un conjunto de piñones en la salida de la transmisión (par de reducción), mediante el cual queda reducido el giro y multiplicado el esfuerzo de rotación aplicado a las ruedas, lo que supone la utilización de un motor de menor potencia para conseguir una determinada velocidad máxima.
Para comprender mejor la necesidad del cambio de velocidades en un vehículo, resulta oportuno referirse a un ejemplo práctico: consideremos un automóvil que circula por terreno llano a elevada velocidad, transmitiendo íntegramente el giro del motor a las ruedas (toma directa), con la desmultiplicación propia del par de reducción. Si en ese momento comienza la subida de una larga pendiente, en un primer tramo es capaz de superarla por medio de la fuerza de inercia relativa a la velocidad adquirida; pero a continuación, la velocidad irá disminuyendo
paulatinamente, dado que el par resistente ha aumentado, mientras que el esfuerzo desarrollado por el motor sigue siendo el mismo. De esta manera, el giro del motor desciende y, con ello, sobreviene una importante disminución del par motor, que llegado a un cierto valor resulta insuficiente para mantener la marcha del vehículo, produciéndose su detención.
Con la implantación del cambio de velocidades, cuando se produce una disminución excesiva del giro del motor y se manifiesta la imposibilidad de superar la pendiente encontrada, el conductor actúa sobre la caja de cambios, seleccionando otra relación de marcha, que establece una desmultiplicación del giro que le llega del motor (transmitiendo a las ruedas un régimen inferior), que conlleva un aumento importante del esfuerzo de rotación obtenido en ellas. En tales condiciones, el motor puede mantenerse girando a un régimen elevado, proporcionando el máximo par, que resulta multiplicado en su aplicación a las ruedas matrices. Con ello se consigue que el vehículo pueda superar la pendiente, a costa de una menor velocidad. El cambio de velocidades resulta, por tanto, un mecanismo convertidor mecánico de par.
1.1.1.2.2. Determinación de las relaciones del cambio
La caja de cambios de un vehículo es, pues, un transformador de velocidad y de par motor, que en el automóvil se utiliza como desmultiplicador de velocidad y, por consiguiente, como multiplicador de par. Su necesidad es consecuencia de la falta de elasticidad de los motores, que no pueden utilizarse a bajas revoluciones con un
