Cajas de Cambios de Velocidades 3

CAJAS DE CAMBIO DE

VELOCIDADES

III PARTE

Presenta: MC JOSÉ RAMÓN SOCA CABRERA

Objetivo de la clase

Que el estudiante sea capaz de explicar el

principio de funcionamiento de las caja de

cambio de velocidades progresivas que se

utilizan en los tractores agrícolas

Antecedentes

Hasta el día de hoy se han analizado las cajas de cambio de velocidades estándares y automáticas que se utilizan en los automóviles. También se analizaron las cajas estándares escalonadas empleadas en los tractores agrícolas.

Sin embargo, el estudio de transmisiones no estaría completo si dejáramos de analizar, aunque de manera muy breve, el funcionamiento y la estructura de las cajas de velocidades progresivas, o sea, aquellas que realizan el cambio bajo carga, sin necesidad de que se interrumpa el flujo de potencia hacia los órganos motrices.

El estudio de este tipo de transmisiones ha ocupado y ocupa un papel importante en las investigaciones que desarrollan firmas como: John Deere, Claas, Case-Steyr, Deutz, entre otras. Sus interesantes aportes y desarrollos tecnológicos están marcando la pauta tecnológica en transmisiones para tractores y será, sin duda, el futuro inmediato.

Antecedentes

Recordemos que:

1. Los sistemas planetarios son muy utilizados en las cajas automáticas, al igual que los convertidores de par, pero también se utilizan engranajes cilíndricos y hasta embragues de disco seco. También la combinación de los anteriores.

2. Los sistemas planetarios con grado de movilidad pueden tener 6 diferentes maneras de transmitir movimiento. Para ello se valen de frenos de cinta, embragues multidiscos y de rueda libre, principalmente.

3. La mayoría de las cajas guardan una progresión geométrica en sus cambios, pero constructivamente, a veces, esto no es posible. Entonces surgen los “huecos” y los “recubrimientos” en los cambios.

Antecedentes

Recordemos que:

4. Los sistemas planetarios, también pueden tener dos grados de movilidad (diferenciales) y que su uso en maquinaria es común por las grandes reducciones que se logran alcanzar.

5. Los sistemas planetarios, analizados hasta ahora, siempre se utilizan “compuestos”, o sea, más de uno para lograr la cantidad de cambios necesarios.

6. Los sistemas planetarios deben cumplir con tres condiciones:

a) Condición de montaje: Tener todos los engranes el mismo módulo para que exista buen acoplamiento.

b) Condición de coaxialidad: que la corona y el planeta tengan un eje de rotación común.

c) Condición de adyacencia: que los dientes de los satélites, adyacentes entre sí, no rocen unos con otros.

Antecedentes

Recordemos que:

7. Los tractores deben garantizar velocidades de movimiento desde los 0.4 hasta los 50 km/h, por lo que casi siempre utilizan dos gamas de cambios: alta y normal (H y L).

8. Los tractores agrícolas y otras máquinas de construcción e industriales utilizan, con mucha frecuencia, el movimiento de reversa, por ello necesitan de un mecanismo “inversor”, que actúe de manera rápida para elevar el rendimiento.

9. Los tractores agrícolas deben tener una cantidad elevada de cambios para garantizar:

Las velocidades agrotécnicas de movimiento de acuerdo a la labor que realizan (barbecho, surcado, siembra, plantación, cosecha, etc),

La fuerza necesaria en la barra de tiro para mover el implemento.

Cumplir ambos puntos anteriores con la condición de que el motor funcione en la zona del régimen de su máximo rendimiento energético y económico.

10. Los motores siempre deben trabajar con un coeficiente de carga entre el 85 y el 98%, en su ramal de regulación o de carga.

CARACTERÍSTICA DE REGULCIÓN DE

UN MOTOR DE TRACTOR

CAMBIOS PROGRESIVOS EN TRACTORES

Estos cambios se caracterizan por tener la facultad

de variar la relación de transmisión y por tanto la

velocidad de movimiento, torque a los órganos

motrices y potencia a la barra de tiro de los tractores

sin interrupción en el flujo de fuerza en la

transmisión, durante los cambios.

Se pueden clasificar de la manera siguiente:

1. Cambios asistidos por fuerza hidráulica.

2. Transmisiones hidrostáticas

3. Transmisiones CVT con ramificación mecánica –

hidrostática de la potencia.

Veamos sus particularidades.

CAMBIOS ASISTIDO POR FUERZA

HIDRÁULICA

Estos cambios se caracterizan por tener un tren de engranajes en el que se puede variar la relación de transmisión sin necesidad de interrumpir el flujo de potencia

Por lo general, los engranajes están en toma constante y la variación de la relación de transmisión se cambia “sobre la marcha” actuando uno o más embragues hidráulicos.

Estos cambios se componen de los siguientes elementos:

1. Embragues hidráulicos (de discos múltiples, generalmente)

2. Trenes de engranajes para transmitir fuerza.

Estos cambios se pueden clasificar:

1. A base de un tren fijo o contraeje

2. A base de engranajes epicicloidales.

Cambio progresivo con gama de marchas

2+1 (2 adelante + 1 hacia atrás), de

embragues múltiples.

Simbología:

F1 y F2 – Embragues de discos múltiples

D1 y D2 – Pares de engranajes cilíndricos para

las marchas hacia delante.

M1 – Carro deslizante para embragar las

marchas hacia delante con el árbol secundario

(salida) 3.

M2 – Carro deslizante para conectar la reversa

1 - Árbol primario.

2 – Árbol intermedio.

Funcionamiento:

I vel. = F1 – 2 – D1– 3, con M1;

II vel.= F1 – 2 – D2 – 3, con M1

III vel. = F2– 2 – D1 – 3, con M1;

IV vel. = F2 – 2 – D2 –3, con M1

Reversa:

I vel. = F1 – 2 –3, con M2

II vel. = F2 – 2 – 3, con M2

Condición de progresividad:1. Par motor suficiente para que ambos

embragues trabajen con recubrimiento.2. Acople y desacople de F1 y F2 con

Suficiente rapidez.

Embragues hidráulicos utilizados en las

transmisiones progresivas

CAMBIO POR CONTRAEJE O TREN FIJO

Velocidad alta (H) y reducida (L)


Marcha adelante (F) y reversa (R)


UNIDAD INVERSORA EN UNA TRANSMISIÓN COMPLETA

CAMBIOS HIDRÁULICOS EPICICLOIDALES

(Sistema planetario sencillo)

A – Eje de entrada

B – Eje de salida

1 - Piñón sol (planeta)

2 - Satélites

3 – Corona

4 – Porta satélites

5 – Embrague para la velocidad directa (embrag)

6 – Freno para la reducción (desembragado)

Se utiliza este sistema para seleccionar una

velocidad alta y otra baja para cada cambio

de la caja mecánica o también un aumentador

del momento torsional (caso MF, CNH, etc)

Nota: Color rojo significa presión de aceite y

Elemento aplicado (freno o embrague)

CAMBIOS HIDRÁULICOS EPICICLOIDALES

En este caso la velocidad reducida se

logra inmovilizando el portasatélites

mediante el freno 2.

La unidad completa trabaja como una

reducción por contraeje.

Para la directa se acopla el embrague 3

que une al eje de entrada con el

portasatélites y se suelta el freno 2.

EPICICLOIDES MÚLTIPLES

(Cambios de 8F + 4R velocidades)

B1 y B2 – Frenos reductores

C1 y C2 – Embragues

2 – Freno B2 para inmovilizar a corona 2

3 – Freno B1 para inmovilizar a corona 1

¿Cómo se logran las velocidades 1 y 2?

Se aplica B1, se inmoviliza corona 6 y los

satélites pequeños giran por la corona 6,

arrastrando al portasatélites 4, que es salida:

así se logra la 1ª.

Se aplica el freno B2, se inmoviliza la

corona 9, los satélites grandes giran

alrededor de ella, arrastrando al portasatélite,

que es salida, pero de menor relación que la

primera, pero reduciendo, pues la salida es

por portasatélite.

Si no se aplican los frenos se está en punto

muerto



¿Cómo se logran la 3ª y 4ª velocidad?

Se añade un segundo piñón sol de mayor

diámetro y concéntrico con el eje del primer

piñón sol, o sea, uno dentro del otro.

Con los mismos Frenos B1 y B2 se obtienen

la 3ª y 4ª velocidad



La 5ª velocidad es la directa.

Para conseguirla se accionan ambos

piñones sol a la vez y a la misma

velocidad, sin aplicarse ambos frenos.

Por no tener la misma cantidad de

dientes ambos piñones sol y estar cada

uno engranado con sus respectivos

planetarios, el conjunto se bloquea y el

portasatélites gira necesariamente a la

misma velocidad que los ejes de entrada.

Para mandar la fuerza a los piñones sol

1 ó 2 ó a los dos a la vez se utilizan los

embragues C1 y C2 ubicados a la

entrada de la caja de cambios (después

del motor)



Para completar este cambio

epicicloidal se acopla un

segundo sistema planetario

sobre el primero. Los dos

portasatélites se unen

rígidamente, de forma que

la salida de primero es la

entrada del segundo.

El segundo sistema permite

obtener la inversión, una

directa y una multiplicación.



REVERSA:

Cuando se acopla el freno B3

de reversa, se inmoviliza la

corona.

Si la entrada es por el PS (A),

éste arrastra a los satélites

pequeños y estos obligan a

que los satélites grandes

rueden por la corona

inmovilizada y entonces

obligan a que los satélites

pequeños giren en el sentido

del portasatélites y ellos

mismos hacen girar al piñón

sol más grande en

sentido contrario al motor.



DIRECTA:

Se acopla el embrague C3 y

Los dos piñones sol giran

solidarios (cubo de C3

solidario con sol grande y

fijo con eje de salida.

Tambor de C3 fijo con sol

pequeño.

Se aplica C3, ambos soles

solidarios y se bloquean los

satélites por lo que el eje

de salida gira a igual

velocidad y sentido que el

portasatélites.



SUPERMARCHA O

MULTIPLICACIÓN DE VELOCIDAD:Se aplica freno B4 y se inmoviliza el

sol pequeño por estar fijo al tambor.

Al obligar el portasatélites a que los

satélites grandes giren sobre el

piñón sol pequeño inmovilizado,

hace que ellos giren en el mismo

sentido que el portasatélite y obligan

a que los satélites dobles pequeños

giren en sentido opuesto. A su vez,

hacen girar al sol grande, que es

salida, en el mismo sentido que el

portasatélite, pero a mayor velocidad.



CONCLUSIÓN:

El primer sistema planetario permite obtener cinco

relaciones de cambio diferentes.

El segundo sistema, acoplado a la salida del primero

permite obtener: reversa, directa y multiplicación

Entonces teóricamente se pueden obtener: 10

velocidades hacia delante y 5 reversas.

En la práctica,combinando ambos sistemas solo se

logra obtener 8 hacia delante y 4 hacia atrás,

uniformemente escalonadas.



EMBRAGUES Y FRENOS QUE

DEBEN APLICARSE PARA

CONSEGUIRSE CADA CAMBIO

EN UN SISTEMA EPICICLOIDAL

COMPLEJO PARA TRACTORES.



Cambio epicicloidal múltiple en la transmisión de un tractor John Deere

Circuitos hidráulicos para el mando de un

cambio asistido por fuerza hidráulica

Transmisiones hidrostáticas

Las transmisiones hidrostáticas aprovechan un líquido a presión para transmitir la fuerza del motor a las ruedas motrices del vehículo.

La potencia mecánica del motor se transforma en potencia hidráulica por medio de una combinación de bomba y motor hidráulico. A su vez, esta potencia hidráulica se vuelve a transformar en mecánica para accionar las ruedas motrices.

La transmisión hidrostática realiza las funciones de embrague y de caja de cambio de velocidades en una transmisión mecánica.

La transmisión hidrostática permite obtener una gama continua de velocidades y torque, así como la inversión del movimiento


Componentes principales


Transmisiones hidrodinámicas:

Utilizan líquidos a gran velocidad,

pero a presiones relativas bajas.

Transmisiones hidrostáticas:

Utilizan líquido a grandes presiones,

pero a poca velocidad. El propio

líquido se encarga de transmitir

la fuerza desde la bomba al motor

hidráulico.


Principio de funcionamiento

Arriba izq.: Transmisión de fuerza de un cilindro (bomba) a otro (motor): bomba y

Motor de caudal constante.

Abajo izq.: Ahora el pistón de apoya en una placa oscilante que puede variar su

Ángulo de inclinación con lo que variará su carrera y por tanto su caudal: Bomba y

Motor de caudal variable.

Derecha: Bomba de pistones de caudal variable y motor de caudal constante


Factores que condicionan el funcionamiento:

1. El caudal de aceite – que determina la

velocidad.

2. La dirección en que circula el aceite –

determina el sentido de giro.

3. La presión de aceite – determina la potencia

transmitida.

Cada uno se puede variar de forma continua, lo

que permite obtener una gama infinita de

velocidades y pares motores.


Circuito hidráulico de una transmisión hidrostática

(circuito cerrado)


(Combinaciones posibles entre bomba y motor)

fijo variable


(Bomba rotativa axial de pistones)

Ecuaciones importantes:Gasto = (π · d^2 / 4) · z· n · D · tan · γ;

Donde:

d, Diámetros de los pistones:

D –Diámetro de la circunferencia donde se ubican los ejes de los cilindros de los pistones;

Z – Cantidad de cilindros; z= 7 – 10;

γ – Ángulo de inclinación de la placa 5 con respecto al eje de simetría de la bomba.

Potencia = Par · Velocidad angular

Potencia = Gasto · Presión


(Caso 1)

Eje de salida: par y

potencia constante si

la velocidad en la

entrada es constante.

Si varia la velocidad a

la entrada, varía la

potencia y velocidad a

la salida, pero el par es

constante


(Caso 2)

La velocidad de salida

se puede variar

permaneciendo

constante el par motor

para una presión dada.

Se puede variar

velocidad manteniendo

constante el par motor.


(Caso 3)

Se puede variar la velocidad de salida variando la cilindrada del motor hidráulico.

Al reducir cilindrada se aumenta la velocidad pero se reduce el par motor.

Con esta combinación se puede mantener constante la potencia de salida a distintas velocidades.

fijo


(Caso 3)

Permite mantener

constante el par

motor y la potencia

de salida.

La potencia es la

multiplicación del par

por la velocidad

angularvariable


(volumétricas)

Simbología:

B – Bomba,

M – Motor,

1 – Bomba de alimentación,

2 – Filtro,

3- Válvula de derrame,

4 – Válvulas de regulación

Flechas: Circulación del aceite de trabajo.

3

4

Principio de funcionamiento:La bomba B recibe movimiento del motor de combustión interna o de otro

mecanismo. La bomba 1 mantiene el abastecimiento de aceite del sistema y con

ayuda de las válvulas 4 se mantienen las presiones de trabajo requeridas. La

válvula 3 deriva el exceso de aceite del sistema hacia el depósito, cuando existe

sobrepresión.

La bomba B envía aceite a presión al motor M, el cual gira y se encuentra unido a

las ruedas motrices o a otro mecanismo de transmisión.

La velocidad de rotación del motor M depende: a) del rendimiento de la bomba,

b) Del volumen de líquido que puede pasar por el motor (factor constante del motor)

Funcionamiento del sistema

1 – Marcha hacia delante. La placa se inclina

2. Punto muerto. Si la placa está en posición vertical, no hay carrera de trabajo de los pistones y no funciona la bomba.

3. Reversa. Se inclina la placa oscilatoria hacia el lado opuesto que en 1 y se invierte el sentido de circulación del aceite.

Funcionamiento del sistema más usado

como transmisión hidrostática

Bomba de caudal variable, de

Pistones axiales

Motor de caudal constante,

Cilindrada fija, de pistones axiales


(Punto muerto)


(Marcha hacia delante)


(Marcha atrás)


(Mando final hidrostático)


(Circulación del aceite en mando final hidrostático)

Animación

..\Animaciones\embrague_hidrostatico.ht

ml

../Animaciones/embrague_hidrostatico.html






TRANSMISIÓN HIDROMECÁNICA

La potencia del motor se bifurca en dos flujos:

Uno por el convertidor de par, que permite que salga por la turbina y llegue a la corona del SP.

Otro que llegue directamente al planeta del SP (diferencial).

Por el portasatélite sale un movimiento complejo, que es la salida.

La relación de transmisión en este caso se calcula como:

λ = Número característico de la serie planetaria

;

;1

1

1

3

..2

Z

Z

in

ni

hc

b

;

;1

1

1

3

..2

Z

Z

in

ni

hc

b

CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES

TURBOSHIFT

CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES

TURBOSHIFT (FENDT FAVORIT)

TURBOEMBRAGUE VARIOFILL

(FENDT FAVORIT)

PowerShift de John Deere

Serie 8320

CARACTERÍSTICAS GENERALES:

Solenoides controlados electrónicamente para el cambio de alta tecnología modulan las conexiones del embrague asegurando un cambio uniforme y suave.

La productiva transmisión automática mide la carga del motor, posición del acelerador y la selección de engranajes 50 veces por segundo para situarlo en la velocidad correcta.

Con un sencillo botón, puede regular rápidamente la transmisión automática PowerShift cambiando automáticamente para adaptarse a las condiciones cambiantes.

Transmisión automática PowerShift de 18 velocidades. Traslade los 423 CV de potencia desde el motor a las transmisiones finales.

La pequeña palanca de cambio en la consola de control CommandARM le permite cambiar suavemente entre 18 marchas de avance con sólo la yema de sus dedos.

Los cambios están modulados electrónicamente. Puede iniciar la marcha en cualquiera de las velocidades de campo; una pantalla digital le indica su selección. Es muy fácil de utilizar.

Embragues húmedos Multidisco de control electrónico y modulados para asegurar acoplamientos suaves de los engranajes. El aceite sólo fluye cuando es necesario para reducir el tiro.

Cambios Powershift de CNH

Serie 70

Los tractores de la serie 70 poseen una transmisión con cambio Powershift

Una simple palanca le permite cambiar a cualquiera de las 16 marchas de avance y 9 de reversa, simplemente tiene que desplazar la palanca hacia delante y el tractor avanzara.

Empujándola suavemente hacia la derecha, se cambia a una marcha superior, y hacia la izquierda, a una marcha inferior.

Mantenga la palanca en la posición de la derecha y la transmisión continuará cambiando de velocidad hasta engranar la marcha mas elevada. Cambio de marcha adelante a marcha atrás. Todo esto sin preocuparse del embrague.

Con este sencillísimo sistema de transmisión obtendrá la velocidad correcta justo cuando la necesite.

PowerShift de Case serie MX MAGNUM

18F + 4R, controles Power Shuttle

Otras marcas que usan Power Shift:

MF

Landini

Caterpillar

JCB

Valtra

McCormik

Deutz

…

Transmisión AutoPowr

Reduce el régimen del motor a 1550 rpm para mejorar la economía de combustible.

Desarrollos finales ilimitados desde 0,05 a 42 km/h .

Cambios de marchas suaves y sin interrupción de fuerza.

Utiliza más eficazmente la potencia del motor.

Pedal de freno con función AutoClutch integrada que permite detener el tractor sin accionar el embrague

La función PowerZero permite mantener parado el tractor, incluso en pendientes y con carga.

Favorece el aumento de la productividad y mejora la economía de combustible.

Equipo de serie en el 8530 – opcional en los demás modelos de JD.

Inversor hidráulico con mando en lado derecho o izquierdo.

Selector de modo AutoPowr

Seleccione:

Posición 1 para aplicaciones con la TDF

Posición 2 para laboreo pesado

Posición 3 reduce el consumo de combustible en aplicaciones de laboreo ligero, transporte o siembra.

Transmisiones CVT con

ramificación mecánica –

hidrostática de la potencia

BOMBAS UTILIZADAS EN LOS CVT

Bent Axis Pump

(variable angle)

Bent Axis Pump

(variable angle) Vane Pump

(variable axis offset)

Transmisiones CVT con ramificación

mecánica – hidrostática de la potencia

(Cuerpo conceptual para esta parte)

Nh – Potencia hidráulica

PARÁMETRO SÍMBOLO

Potencia de entrada a la unidad CVT Ne

Potencia a la salida de la unidad CVT No

Potencia en el eje 1 (conectado con la unidad 1) N1

Potencia en el eje 2 (conectado con la unidad 2) N2

Potencia en la rama hidráulica Nh

Potencia en la rama mecánica (entre el acoplamiento y el diferencial) Nm

Par motor (se aplica la misma simbología que para potencia, solo el par es M M(x)

Régimen de giro del eje de entrada mecánica al diferencial nem

Régimen de giro del eje de salida mecánica al diferencial nom

Régimen de giro del eje flotante del diferencial nf

Régimen de giro del eje 1 (accionamiento o salida de la unidad 1) n1

Régimen de giro del eje 2 (accionamiento o salida de la unidad 2) n2

Régimen de giro de un planeta del diferencial np

Régimen de giro de una corona del diferencial nc

Régimen de giro de un portasatélite del diferencial nps

Régimen de giro de la unidad bomba de la transmisión hidrostática nub

Relación de transmisión de la rama mecánica en el diferencial Rt = Rom / Rem Rt

Relación de transmisión de la rama mecánica en el punto de bloqueo (nf = 0) Rtb

Relación de transmisión en la unidad CVT (It = n0 / ne) It

Relación de transmisión entre acoplamiento – unidad 1 (depende SP) i1

Relación de transmisión entre eje flotante – unidad 2 ( i2 = n1 /n2) i2

Relación de transmisión entre acoplamiento – diferencial (depende SP) im



Azul – entrada

Rojo – salida

Verde – flotante (a la rama hidrostática

Transmisiones CVT con ramificación mecánica –

hidrostática de la potencia

Tech Star CVT de Challenger

Bibliografía consultada

Chudakov, D.A. 1977. Fundamentos de la teoría y el

cálculo de tractores y automóviles. Ed: MIR. Moscú.

1. Xaver Fendt GmbH & Co. 1995. D-87616

Marktoberdort.

2. Gurévich, A. M. y Sorokin, Tractores y automóviles

Tomo 2; Editorial MIR; 1978; Moscú.

3. P. Linares. 2003. Transmisiones CVT con

ramificación mecánica – hidrostática de la potencia.

Universidad Politécnica de Madrid. España.

4. 4. John Deere; Transmisiones de fuerza; 1980;

United States of America.

GRACIAS !!!

Cajas de Cambios de Velocidades 3

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