Construcción de Vehículos I Diseño en una caja de velocidades mecánica.
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Construcción de Vehículos I
Diseño en una caja de velocidades mecánica
Determinación de las relaciones de velocidad
Aspectos a considerar en el diseño de un tren motriz
1. Tipo de vehículo2. Dimensiones del motor (potencia, torque, rpm)3. Tipo de tren motriz (FFWD, FRWD, RRWD, 4WD, AWD)4. Arquitectura del motor (motor transversal, longitudinal).5. Dimensiones de la rueda6. Fuerza máxima de tracción en las ruedas7. Velocidad tangencial máxima en las ruedas o velocidad del
vehículo
Determinación de las relaciones de velocidad
Transmisión de potencia en un tren motriz
Ing. Hugo L. Agüero Alva
El rendimiento de los órganos interpuestos entre el motor y las ruedas se puede estimar como sigue:
Caja de velocidades en velocidades intermedias: .......... 0,95
Juntas cardans: ............................................................... 0,98
Grupo cónico: ................................................................ 0,97
Deslizamiento de neumáticos sobre el suelo: .................. 0,95
Esto da un rendimiento global, aproximado, de 0,85 en marcha directa y de 0,80 en velocidades
intermedias
Eficiencia en un sistema de transmisión
Determinación de las relaciones de velocidad
Diagrama de Resistencias VS velocidad
Determinación de las relaciones de velocidadPotencia absorbida por la resistencia a la rodadura,
según la fórmula de Andreu
Determinación de las relaciones de velocidad
Dependiendo del tipo de tren motriz, elegir:
1) El número de ejes de la caja de velocidades- Dos ejes (uno de entrada, uno de salida)- Tres ejes (uno de entrada, un intermedio y uno de salida)- Tres ejes (uno de entrada, dos de salida)
2) Seleccionar el número de relaciones de transmisión de la caja de velocidades (4, 5, 6, 7, 8, etc.)
3) Definir la colocación de los trenes de engranajes.
4) Definir el esquema cinemático de la caja de velocidades
Aspectos a considerar en el diseño de una caja de velocidades
Determinación de las relaciones de velocidad
- Generalmente la máxima velocidad a desarrollar, en un turismo que se consigue en 4ta, llamada directa. Las otras velocidades, 5ta, 6ta, etc., son para mayores velocidades pero en régimen económico.
Una caja de velocidades tiene varios juegos de engranajes que permiten
obtener valores que lo relacionan:
Velocidad del vehículo
rpm del motor
v
n
Determinación de las relaciones de velocidad
- El rango de velocidades es función de: * La potencia del motor * La elasticidad del motor * La aplicación del vehículo
- En cualquier caso, la caja sólo va permitir mover al vehículo en la hipérbola teórica, como máximo.
Determinación de las relaciones de velocidad
Condiciones establecidas por normas:
1) Que el vehículo sea capaz de arrancar en una pendiente del 15%, con una aceleración del 0,5 m/s2, partiendo de parado, ó
2) Superar una pendiente del 25% en 1ra velocidad.
Elección de la 1ra. velocidad
Determinación de las relaciones de velocidad
Datos de un vehículo:
Potencia: 120 HP/6000 rpm; Torque máximo: 13 kgm/4000 rpm
PBV: 2000 kg-f
radio de la rueda: 0,32 m
coeficiente de rodadura: 0,015
Cálculos:
Resistencia a la rodadura: .cos . 0,015 cof G x s(8,53 ) 2000 29,67 -
15Resistencia debida a la pendiente: . 2000 300
1002000 0,5
Fuerza necesaria para la aceleración: . 100 10
El esfuerzo total a aplicar en las ruedas es igual
o x kg f
G sen x kg f
xF m a kg f
a: 429,67 kg
El par resistente en las ruedas es igual a: 429,67 x 0,32m= 137,49 k.m
Caso 1: Que el vehículo sea capaz de arrancar en una pendiente del 15%, con una aceleración del 0,5
m/s2, partiendo de parado
Determinación de las relaciones de velocidad
Si el motor entrega =13 kg.m,
Siendo la multiplicación total en el sistema de transmisión:
.
La relación total en 1ra será:
137,49 kg.m13,225 :1
0,80x13 kg.mI
m
rtr
m
tr
M
Mi
M
i
Determinación de las relaciones de velocidad
Para el mismo vehículo:
Cálculos:
Resistencia a la rodadura: .cos . 0,015 cos(14,04 ) 2000 29,10 -
Resistencia debida a la pendiente: . 2000 (14,04 ) 485,20
El esfuerzo total a aplicar
o
o
f G x x kg f
G sen xsen kg f
en las ruedas es igual a: 514,3 kg
El par resistente en las ruedas es igual a: 514,3 x 0,32m= 164,58 k.m
La relación total en 1ra será:
164,58 kg.m15,825
0,80x13 kg.mItri
Caso 2: Que el vehículo supere una pendiente del 25%, en 1ra velocidad
Determinación de las relaciones de velocidad
( / )
Para el mismo vehículo:
Asumiendo una velocidad máxima del vehículo de 210 km/h
Cálculos:
La velocidad máxima del vehículo está dada por la siguiente expresión:
. 0,32 60000,377 0,377.
u
r mmáx km h
tr t
r n xV
i i
0,377 0,32 60003,45
210
u
u
r
tr
x xi
Caso 3: Que el vehículo alcance una velocidad máxima determinada
Determinación de las relaciones de velocidad
- A mayor número de relaciones intermedias, mejor aproximación a la hipérbola teórica, pero aumenta la frecuencia del cambio y el peso y tamaño de la caja.
- Un turismo se desplaza, a menudo, en marchas altas.
- La proporción de la utilización de cada una de las relaciones depende del tipo de vehículo, la aplicación y el entorno.
- A menor salto entre relaciones, mayor suavidad y progresividad de cambio. de un MCI
Selección de las relaciones intermedias
Determinación de las relaciones de velocidad
- La velocidad de cambio entre relaciones consecutivas debe permitir que la inferior no alcance la velocidad máxima del motor cuando la superior ha alcanzado la velocidad mínima de cambio (normalmente la de máximo par).
1 max
max
n N
n M
i n
i n
Existen dos procedimientos efectivos para calcular el escalonamiento entre relaciones de velocidad:
1) Escalonamiento geométrico: mismo salto entre todas las relaciones.
2) Escalonamiento progresivo: relaciones de velocidades más altas tienen un escalonamiento más estrecho.
Cálculo
Determinación de las relaciones de velocidad
Método del escalonamiento geométrica
Implica que todas las relaciones tienen la misma importancia, es decir, las diferencias con la hipérbola teórica son las mismas para todas las marchas
max 1
max
( ).
donde:
, la relación de velocidad determinada
, número de relaciones de la caja
N Ztotal
M
Z nn z
ni
n
i i
n
Z
Determinación de las relaciones de velocidad
Para un vehículo cuya zona de autoregulación se sitúan entre los 4000 y 6000 rpm.
Seleccionamos una caja de 5 velocidades, la 4ta es directa.
Calcular las relaciones de transmisión.
Ejemplo
max
max
( )
(4 3) (4 3)
(4 2) (4 2)
(4 1) (4 1)
(4 5) (4 5)
60001,5
4000
De la fórmula
.
1
. 1 1,5 1,5 :1
. 1 1,5 2,25 :1
. 1 1,5 3,375 :1
. 1 1,5 0,667 :1
N
M
Z nn z
IV
III IV
II IV
I IV
V IV
n
n
i i
i
i i x
i i x
i i x
i i x
Determinación de las relaciones de velocidad
Método del escalonamiento progresivo
Existe un nuevo salto que define la progresividad del escalonamiento.
11 0,5( 1)( 2)2
( ) 0,5( )( 1)1 2
1
2
1.
. .
donde:
, la relación de velocidad determinada
, número de relaciones de la caja
1,1 1,7
1 1,2
Z totalZ Z
Z n Z n Z nn z
i
i i
n
Z
a
a
2
Determinación de las relaciones de velocidad
'Las relaciones , ...... pueden representarse en el siguiente gráfico
v v
n n
Diagrama de velocidades
Determinación de las relaciones de velocidad
En la siguiente figura, muestra que el funcionamiento del vehículo en pendientes
sólo es posible en la zona donde las curvas de potencia resistentes están cubiertas
por la curva de potencia motriz en la rueda, siendo la pendiente límite, aquella en
la que las curvas son aproximadamente tangentes (7,5%).
Curvas de utilización
Curva de utilización de un vehículo en toma directa
(E= excedente de potencia en terreno horizontal)
, Potencia del motor
, Potencia en las ruedas
0,85
j
j
P
P
P P
Determinación de las relaciones de velocidad
Las rampas más fuertes no podrán subirse sino es a condición de hacer corresponder las rpm del
motor a velocidades del vehículo más pequenas. Adoptando las relaciones determinadas
anteriormente, se obtienen la curvas del siguiente gráfico
Método de las potencias
Curva de utilización de un vehículo equipado con caja de 4 velocidades
Esquema de caja de velocidades de tres ejes
Esquemas cinemáticas
Esquema cinemática de la caja de cambios de cinco velocidadesEsquema cinemática en caja de tres ejes
Esquema de caja de velocidades de dos ejes
Esquema cinemática de la caja de cambios de 5 velocidadesEsquema cinemática en caja de dos ejes
Caja de 5 velocidades en transejesEsquema de funcionamiento de caja de dos ejes
Caja de 6 velocidades en transejes
En algunos vehículos, la 6ta velocidad se logra añadiendo dos nuevos piñones que suelen situarse en la prolongación del primario y secundario.
Esquema cinemática en una caja de 6 velocidades de doble de salidaEsquema cinemática en caja de tres ejes
Curvas características del motorZona de auto regulación o velocidad de régimen