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Tema 1. El automóvil

Según las fuentes históricas que se consulten se puede considerar que el origen del automóvil actual es debido a distintaspersonas que fueron provocando su desarrollo, pero no se cometería un error apreciable si decimos que fue el ingenierofrancés Joseph Cugnot quien diseñó y construyó en 1771 el primer vehículo autopropulsado, un tractor de tres ruedas parauso militar.

En 1883 Benz comenzó a construir motores industriales, en 1885, instaló en un triciclo, un motor monocilíndrico, que condujopor toda su ciudad, funcionando adecuadamente y alcanzando la asombrosa velocidad de 15 Km/h.

Imagen 01. wikipedia. Creative commons Imagen 02. wikipedia. Creative commons

En 1886 Benz patentó su automóvil, por lo que es considerado como la persona que inventó el automóvil moderno, tal y comolo conocemos actualmente.

En 1888, se desarrollan los primeros neumáticos de caucho, hasta entonces las ruedas eran de madera o de metal, loscuales son adaptados a los nuevos automóviles desarrollados por Benz.

En 1910, Henry Ford diseña y desarrolla la cadena de montaje, levantó una fábrica para la producción en serie, sobre unacinta transportadora de 300 metros de largo se construían los automóviles ensamblando las distintas piezas y componentes,provocando una revolución en esta industria, fabricando el famoso modelo “Ford T”; con este método productivo se podíanconstruir un mayor número de automóviles a precios mucho más bajos, desde entonces el automóvil dejó de ser un artículode lujo que solo era accesible a las clases más pudientes, pasando a estar al alcance de cualquier bolsillo, incrementándoseexponencialmente su uso en principio en Norte América y progresivamente en el resto del mundo, llegando a fabricarse 2500vehículos sólo en el año 1900.

Unidad 6: Análisis de máquinas reales Tema 1: El automóvil

Tecnología Industrial II Página 1 de 43

Imagen 03. wikipedia. Creative commons

Posteriormente según los avances técnicos y las modas cambiantes se fueron desarrollando distintos modelos, como vemosen las siguientes imágenes.

Desde modelos muy populares como el Seat 600 (versión española del Fiat 500), el Mini o el VW escarabajo.


El popularisimo Escarabajo de Volkswagen comparte con el Porsche Carrera, que ves al lado, el diseñador original.Lógicamente el porsche actual difiere, pero el diseño original viene de la mano de Ferdinand porsche, padre de ambos.


Modelos como los superdeportivos que mostramos abajo, no son de gran producción pero en muchasocasiones hace deeslabón entre los avances que genera la competición (por ejemplo la Fórmula1) y la gran producción en serie.


En la actualidad, están muy de moda los llamados SUV, vehículos todoterreno bien adaptados al uso carretero. Es el ejemplodel Audi Q7 de la imagen. A pesar de su incuestionable éxito comercial, son muy criticados desde el punto de vistaambiental, por ser vehículos menos eficientes debido a sus enormes dimensiones, inecesarias en la mayoría de los usos



para los que son utilizados.


¿Qué avance es el que aporta el FORD T al desarrollo del automóvil?



1. Estructura

Un automóvil es una máquina compleja en la que se relacionan íntimamente distintos sistemas de modo que cada uno deellos cumple una función específica, que se deben desarrollar correctamente, con una gran precisión y sincronismo,configurando una estructura compacta para conseguir el objetivo final de facilitar el transporte de personas y mercancías.

Se consigue que el motor empiece a funcionar comunicándole un movimiento al tren alternativo, esta función la cumple elmotor de arranque tomando energía de la batería, así se consiguen realizar una serie de ciclos forzados hasta que el motorcomienza a actuar por sí mismo, dándose por finalizada la operación de arranque.

El sistema de distribución es el que se ocupa de sincronizar el movimiento de apertura y cierre de las válvulas, para laentrada y salida de aire y gases del cilindro. El árbol de levas arrastrado por el cigüeñal mediante una correa, establece unatransmisión que mueven los balancines de las válvulas de los cilindros.

Igualmente debe sincronizarse el momento del encendido en función del régimen del motor, de forma que el distribuidorreparte un pico de tensión de alimenación desde la bobina a cada una de las bujias dependiendo de la fase del ciclo en quese encuentra cada uno de los cilindros.

La aspiración del aire exterior se debe a la depresión generada dentro del cilindro durante la fase de admisión. Un filtro deaire retiene las partículas e impurezas que transporta el aire atmosférico, que atraviesa el carburador donde toma la gasolinapara alimentar al motor. Ésta es pulverizada por el flujo de aire a gran velocidad consiguiéndose una mezcla adecuada parala combustión.

La gasolina se bombea desde el depósito a través de una bomba accionada por el propio motor, o si es de tipo electrónicopor la energía captada desde la batería.

Mediante el pedal del acelerador y a través de la válvula de mariposa del carburador se gradúa el flujo de combustible,modificando el régimen del motor.

Imagen 11. Del "Tercer Milenio", suplemento de Heraldo de Aragón

En la figura adjunta se pueden observar los sistemas que forman parte de un automóvil con motor delantero longitudinal ytracción trasera.

Tras concluir el ciclo de trabajo la mezcla se convierte en gases que es preciso expulsar del cilindro, estos son conducidospor medio del colector de escape hacia el exterior, a través del tubo de escape. Los gases de escape son portadores de unagran energía calorífica que no se aprovecha al expulsar a la atmósfera de los gases de escape.

Parte de la energía mecánica producida por el motor, debido al rozamiento de los órganos móviles, se transforma en calor.El aceite del sistema de lubricación evita el contacto directo entre elementos móviles del motor, disminuyendo su rozamiento,



reduciendo el desgaste de estos elementos. Además actúa como refrigerante, rebajando la temperatura de algunoscomponentes.

El circuito de refrigeración impulsa un fluido mediante una bomba conectada al motor por medio de una correa, limitando elproblema de la elevación de temperatura. El radiador actúa como intercambiador de calor con el exterior, para facilitar laevacuación de calor el sistema monta un ventilador, que puede estar conectado al motor, forzando una corriente de aire através del radiador, incrementándose apreciablemente la transferencia de calor.

Los actuales automóviles suelen tener una configuración común, que consiste en un motor longitudinal delantero, con traccióndelantera, con lo que se optimiza el espacio del interior del habitáculo.



2. Motor

El motor tiene el objetivo de proporcionar al vehículo la potencia suficiente como para permitir su desplazamiento.

Imagen 12. terra.motor .©

En general los automóviles están dotados de motores de combustión alternativos, aunque se han hecho tentativas deintroducir motores rotativos (motores Wankel), que no han sido capaces de desbancar a los motores alternativosconvencionales.

Los motores de explosión basan su funcionamiento en la combustión de combustibles fósiles y transformar la energía químicaque almacenan en energía mecánica que será convenientemente transmitida a las ruedas motrices a través de los distintoselementos de los sistemas de transmisión, que analizaremos a lo largo del tema.

Estos motores pueden ser de gasolina o Diesel. Hasta hace unos años casi todos los turismos montaban motores degasolina, pero últimamente incluso son mayoría los turismos que van provistos de motores Diesel.



2.1 Motor de Otto (de gasolina o encendido de chispa)

Los motores de ciclo de Otto, normalmente utilizados en turismos, tienen cuatro cilindros y actúan con un ciclo de cuatrotiempos, admisión, compresión, combustión y escape.

Brevemente, lo que sucede en el interior de cada cilindro en cada ciclo es:

Imagen 13.wikipedia. Creative commons

Admisión [1] . Durante el tiempo de admisión, la válvula de admisión se abre cuando el émbolo comienza la carreradescendente arrastrado por el cigüeñal, dirigiéndose desde del PMS al PMI, permaneciendo cerrada la válvula de escape. Alir descendiendo el émbolo se va creando vacío dentro del cilindro. El aire externo, es aspirado por el cilindro. Esta fasetermina cuando el pistón alcanza el PMI. Si el motor dispone de carburador la corriente de aire que atraviesa el carburadorpulveriza, vaporizando la gasolina en el aire, produciéndose una mezcla explosiva de aire-gasolina.

Compresión [2] . A continuación se cierra la válvula de admisión, el émbolo asciende hasta el PMS con lo que la mezclaencerrada en el cilindro se comprime según la relación de compresión del motor, alcanzándose el máximo valor de presióninstantes antes de que el pistón ocupe el PMS al completar su carrera, con lo que la mezcla se encuentra en condicionesóptimas para recibir la chispa de la bujía e iniciar el tiempo de combustión o de explosión, (el encendido se produce antes deque el pistón alcance su PMS).

Combustión [3] . Al saltar la chispa entre los electrodos de la bujía se inicia la combustión inmediata de la mezclaaire-combustible. Esta es la fase activa del ciclo, donde se aporta la energía necesaria para empujar al cigüeñal, es, por lotanto, la fase de trabajo.

Escape [4] . Una vez concluida la combustión, a continuación la válvula de escape se abre, comienza el ascenso el émbolodesde el PMI hasta el PMS, provocando la evacuación de los gases procedentes de la combustión. Al mismo tiempo que elémbolo asciende empuja a los gases fuera del cilindro. Cuando el émbolo ha llegado a su PMS, los gases quemados salendel cilindro y de nuevo se vuelve a abrir la válvula de admisión, iniciándose el ciclo que comienza a repetirse. Los gases de lacombustión al salir del cilindro se evacuan al exterior por medio del tubo de escape.

Los cuatro cilindros que constituyen el motor del vehículo distribuyen entre ellos los distintos tiempos del siguiente modo.

CILINDRO 1 CILINDRO 2 CILINDRO 3 CILINDRO 4

AdmisiónCompresiónCombustión

Escape

CompresiónCombustión

EscapeAdmisión

EscapeAdmisión


CombustiónEscape

AdmisiónCompresión



Si no ha quedado muy claro el funcionamiento de un motor de ciclo de Otto en la explicación, quizá con el siguiente videopuede quedar mejor explicado.

Multimedia 01. MotorGiga.com. ©

El número de válvulas es siempre 2, una de admisión y otra de escape

Verdadero Falso

La bujía crea una chispa eléctrica en el interior del cilindro

Verdadero Falso

El pistón va sujeto por la biela

Verdadero Falso

La distancia entre el PMI y el PMS, se llama Cubicaje

Verdadero Falso

Un motor de ciclo de otto, tiene un buen número de piezas, que deben funcionar como un equipo perfectamentesincronizado.

En el siguiente vídeo puedes ver una infografía de su montaje.



Multimedia 02. urbancivic. ©



2.2. Motor Diesel

Durante mucho tiempo los motores Diesel se empleaban en aplicaciones donde se desarrollaran grandes potencias y cuyafiabilidad estuviese contrastada, como en generación de energía, propulsión de trenes, barcos, autobuses, camiones,...

Su gran desarrollo técnico ha provocado que estos motores irrumpan en el sector automovilístico, de modo que en laactualidad los motores Diesel ofrecen cualidades propias de motores de gasolina, mejorando las relativas a economía ycontaminación, por lo que más de la mitad de los turismos montan este tipo de motores.

La diferencia fundamenteal de funcionamiento respecto al motor de explosión (encendido por chispa, ciclo de Otto o motor degasolina), es que en el motor Diesel la combustión se produce por la autoignición del combustible al ser inyectado en unazona donde existe aire comprimido a elevada presión y temperatura.

El motor Diesel, desde un punto de vista tecnológico, todavía tiene recursos sobre los que se puede investigar y mediante losque se podrán mejorar sus actuales prestaciones.

Para mejorar la combustión se han desarrollado inyectores electrónicos de combustible optimizando el instante de lainyección y mejorando la dosificación de combustible a requerimiento del motor. La incorporación de tecnología multiválvulamejora la ventilación del cilindro. Los motores con inyección directa, sin precámaras, mejoran el rendimientos térmico delmotor.

Los nuevos materiales constructivos no restan rigidez y consistencia al motor, consiguiendo en cambio una muy sigificativaredución de peso, con lo que se aumenta ostensiblemente la relación potencia/peso, parámetro trascendental en el diseño devehículos.

A continuación describimos brevemente el ciclo de cuatro tiempos de un motor diesel.


Admisión. La válvula de admisión se abre al tiempo que el émbolo, arrastrado por el cigüeñal, comienza su carreradescendente, dirigiéndose desde PMS al PMI, la válvula de escape se encuentra cerrada. El movimiento del émbolo generauna depresión dentro del cilindro que aspira el aire del exterior que procede del filtro. No existe carburador, la fase terminacuando el pistón alcanza el PMI.

Compresión. Entonces se cierra la válvula de admisión, quedando el cilindro totalmente estanco, el émbolo inicia su carreraascendente hasta el PMS con lo que el aire se comprime según la relación de compresión del motor, aumentando sutemperatura a unos 600ºC y su presión entre 30 y 50 bar.

Comparando esta fase con la de un motor de gasolina se comprueba que estos motores precisan ser mucho más robustosya que las presiones que debe soportar son mucho mayores.

Combustión. Instantes antes de alcanzar el émbolo su PMS, muy próximo al final del tiempo de compresión, se inyecta en lacámara de combustión la cantidad adecuada de gasoil pulverizado, e inmediatamente después de empezar la inyección seproduce el encendido expontáneo del combustible al entrar en contacto con el aire a 600ºC (el punto de inflamación del gasoiles de 280ºC).

La combustión incrementa la presión dentro de la cámara del cilindro hasta 80 bar, alcanzándose temperaturas muyelevadas.

La fuerza ejercida por estas elevadas presiones desplaza violentamente el émbolo hacia su PMI.

Durante la fase de inyección, es cuando se aporta el trabajo mecánico al ciclo.

Escape. Después de que el émbolo ha entregado la energía recibida en la combustión, comienza la carrera de ascenso delémbolo hasta el PMS. Entonces se abre la válvula de escape y pone en comunicación interior del cilindro con la atmósfera,



permitiendo la expulsión de los gases de combustión por el tubo de escape.

Cuando el émbolo ha alcanzado el PMS, los gases de combustión han sido arrastrados del interior del cilindro, se abre laválvula de admisión y el ciclo se inicia de nuevo.

En motores de cuatro cilindros, se alternan las fases en cada uno de ellos, tal como se indica en el cuadro adjunto.

CILINDRO 1 CILINDRO 2 CILINDRO 3 CILINDRO 4

AdmisiónCompresiónCombustión

Escape


EscapeAdmisión

EscapeAdmisión


CombustiónEscape

AdmisiónCompresión

En el siguiente vídeo puedes ver una magnífica infografía del funcionamiento de un motor Diesel

Imagen 03. urbancivic. ©

Los motores de gasolina (ciclo de otto) o diesel, comparten muchas similitudes. En el video anterior te decíamos quese trata de un motor Diesel, pero ¿cómo saberlo?

¿Podrías decir por qué se trata de un motor Diesel?



2.3. Comparación entre el motor Diesel y motor de gasolina

MOTOR DIESEL FRENTE A MOTOR DE GASOLINA

MOTOR DIESEL MOTOR DE GASOLINA

Consumo Menor consumo. Mayor consumo.

Combustible Gasóleo (económico). Gasolina (más caro).

Precio inicial Mayor desembolso inicial. Mecánica máscara.

Más barato en general.

Reparaciones Más caras. Más baratas.

Cambio de aceite 20000 Km. 10000 Km.

Contaminación Menor contaminación. Combustión limpia. Mayor contaminación.

Encendido No precisa electricidad, más fiable. Por bujía.

Sobrealimentación Turbo (generalmente). Turbo (generalmente).

Potencia Menor potencia a igual cilindrada. Mayor potencia a igual cilindrada.

Par Motor Mayor par a igual potencia. Menor par a igual potencia.

Peso Mayor peso al ser más robusto. Menor peso.

Ruido Más ruidoso. Menos ruidoso.

Relación de compresión Mayor (1:14:23). Menor (1:8:10).

Los motores diesel se caracterizan por las siguientes ventajas frente a los de gasolina:

Mecánica más robusta y fiable.Régimen de giro menor que los motores de gasolina. por lo que son más duraderos.Menor conumo de combustible, lo que redunda en una mayor autonomía.Combustible más barato, ya que el gasóleo se refina más fácilmente que la gasolina.Mayor seguridad en caso de colisión, ya que el gasoil no explota como la gasolina.Componentes técnicamente más sencillos, excepto el sistema de inyección.Equipo de arranque eléctrico más simple, lo disminuye el riesgo de averías.Los motores turboalimentados aumentan apreciablemente su potencia, mejorando lcombustión, por lo que son menoscontaminantes.Las emisiones de un motor Diesel son tres veces menos dañinas que las que debidas a los motores de gasolina.

Aunque también presentan los siguientes inconvenientes:

Son mucho más ruidosos.Emiten una apreciable cantidad de humos.Al requerir un motor de arranque más potente, la batería debe proporcionar mayor corriente lo que supone un mayorpeso del equipo de arranque.Los motores diesel son más caros que los de gasolina, al igual que las reparaciones.



Los gastos de mantenimiento y las piezas de repuestos son más caros en general.

Los desarrollos constantes de la tecnología y los cambios en la coyuntura económica hacen que algunas de lasventajas e inconvenientes enunciados ya no sean tales o al menos estén muy minimizados.

Por ejemplo:

Combustible más barato, ya que el gasóleo se refina más fácilmente que la gasolinaLa popularización de los coches Diesel, ha hecho que en este momento el precio del gasolina y Gasoil (Diesel)sea prácticamente el mismo, e incluso mayor el del Diesel en algunos paisesSon mucho más ruidosos.Los sistemas de insonorización y antivibración han reducido tanto la sonoridad y vibración que son equiparablesa cualquier modelos de gasolinaEmiten una apreciable cantidad de humosAdemas, son humos muy negros con partículas en suspensión. Los últimos modelos incorporan FiltrosAntiPartículas (FAP) que minimizan esta emisión



2.4. Turbocompresor

Para aumentar la potencia de los motores puede actuarse en el propio diseño del motor (aumentando la cilindrada),aumentando el régimen de funcionamiento, o bien hacer uso de la técnica de sobrealimentación, recurriendo al uso de losturbocompresores.

En 1905 el ingeniero A. Büchi patentó el primer turbocompresor y en 1911 fabricó el primer motor sobrealimentado. En 1953Volvo presentó el primer motor turbo diesel para camiones. En 1967 Saab introdujo el turbocompresor en sus motores deserie, lo que significó un cambio muy apreciable en el sector de los automóviles.

En motores diesel el turbo se ha convertido en una necesidad, con un ligero aumento de cilindrada, un intecooler y losinyectores electrónicos, los motores diesel están desbancando en el mundo de los turismos a los antiguamente hegemónicosmotores de gasolina, ya que estos motores perezosos se convierten en un rival a tener en cuenta para sus homólogos degasolina.

La instalación de un turbocompresor en un vehículo, al margen de que sea un motor diesel o gasolina, aumentasignificativamente su potencia y rendimiento.

Actúa sobrealimentando el motor comprimiendo el aire que entra en el cilindro; al aumentar la cantidad de aire que se puedequemar, también se aumenta la cantidad de combustible, consiguiendo mayor riqueza en la mezcla por lo que la cantidad deenergía que se convierte en trabajo útil aumenta, realizándose la combustión en condiciones más favorables.

El turbocompresor consiste en una turbina accionada mediante los gases expulsados en el escape. Esta turbina gira solidariacon un compresor que comprime el aire que accede al pistón, siguiendo el siguiente proceso: El aire entra al compresor através de un filtro, es comprimido e introducido en el cilindro y se quema con el combustible, y los gases de escape accionanla turbina para posteriormente ser expulsados a la atmósfera.

La energía térmica residual de los gases de escape se aprovecha para, mediante la turbina, accionar el compresor,mejorando apreciablemente el rendimiento del motor.


Debido a que al aumentar la presión también lo hace la temperatura, si se desean alcanzar presiones elevadas es necesariorefrigerar el aire antes de que acceda al cilindro, para lo que se utiliza un cambiador de calor llamado intercooler, con el seconsiguen sobrepresiones de hasta 2,5 atm, sin que signifique perjuicio para el motor.

El incremento de potencia que se alcanza con el turbo es de hasta un 50 %, con unas sobrealimentaciones reducidas, de 0,3a 0,4 atm. En motores turboalimentados dotados de intercooler se consiguen mayores sobrealimentaciones, obteniéndoserendimientos todavía superiores.

El coste por unidad de potencia disminuye, pese a ser más caro un motor sobrealimentado que un motor atmosférico, ya quela potencia es muy superior en el primero, con lo que se consigue aligerar el vehículo y al utilizar la energía de los gases deescape, se aprovecha una energía que se desecharía, mejorando el rendimiento del proceso.

El turbo, ha tenido más implantación en los motores diesel que en los de gasolina, en los que presentaba algunos problemasde fiabilidad por las elevadas temperaturas de trabajo y baja progresividad, ya que cuando entraba en funcionamiento dabaun fuerte empuje que contrastaba con la fata de emuje a bajas revoluciones.



2.5. Motor eléctrico

Recientemente han surgido automóviles movidos por motores eléctricos que cada vez más incrementan su presencia en elsector de la automoción.

Una de las principales ventajas del motor eléctrico es la simplicidad de su sistema regulador de velocidad. El conductor solodebe preocuparse de accionar el pedal del freno o del acelerador (que podrían integrarse en un solo elemento lo quefacilitaría su uso a discapacitados).


El controlador, constituido por reguladores y amplificadores, regula el consumo de la corriente eléctrica almacenada en labatería hacia el motor.

Allí es donde se convierte la energía eléctrica en mecánica. El reductor aumenta el par disminuyendo la velocidad de giro ymanteniendo la potencia mecánica constante. El diferencial distribuye esta potencia a cada una de las ruedas motrices.

Estos motores tienen la característica de que pueden funcionar como generador y recuperar la energía cinética de vehículo,en el caso de que se invirtiese el sentido de la corriente del motor, como ocurre durante el proceso de frenado, por lo que noson necesarios los frenos habituales de fricción, excepto para aparcar.

El empleo del motor eléctrico provocaría un efecto descontaminante en las ciudades ya que al no haber combustión tampocose producen emisiones de gases de escape. Además tiene la ventaja de que es mucho más silencioso que sus posiblescompetidores.

El motor eléctrico es mecánicamente mucho más simple, no dispone de embrague ni caja de cambios, por lo que tienemuchas menos piezas que uno de cuatro tiempos, lo que hace que desde este punto de vista sus costes de mantenimiento yreparación sean muy inferiores a los otros tipos de motor.

El inconveniente fundamental es su baja autonomía, que obliga a baterías muy grandes y pesadas (aunque cada vez sefabrican más livianas y con mayor rendimiento) y a la necesidad de recarga de éstas, a día de hoy todavía no exístelainfraestructura adecuada de una red de abastecimiento de energía eléctrica como para recargar los vehículos.

Otro inconveniente significativo es su elevado precio de coste, aunque las empresas productoras de automóviles han optadopor esta vía y todos los grandes fabricantes tienen líneas de investigación en este campo y han desarrollado prototipos,empezando a aparecer vehículos híbridos, que permiten elegir la opción de funcionamiento del motor alternativo de cuatrotiempos para su uso en carretera, la opción motor eléctrico para su uso en ciudad.

Actualmente estos modelos presentan precios muy elevados que no les hace competitivos, aunque parece que es el futuroinmediato de la industria del automóvil.



3. Cadena de transmisión

Es la que se encarga de transmitir el par y la potencia del motor hasta las ruedas y consta de los siguientes elementos:Embrague. Caja de cambios. Árbol de transmisión. Diferencial. Palieres o semiejes. De modo que la ubicación de cada unode estos elementos depende de la posición de motor y del tipo de tracción del automóvil

En las figuras que se adjuntan se pueden observar posibles cadenas de transmisión.


Si a la salida de la caja de cambios el arbol de transmisión gira a 2000 rpm, a qué velocidad girará el eje de lasruedas si la reducción en el diferencial es 5:1.



3.1. Embrague

Es el órgano que conecta o desconecta el eje del motor con el sistema de tracción, suelen ser de dos tipos, de fricción ehidraúlicos:

En el de fricción el disco conducido es presionado por el plato conductor. La fuerza ejercida provoca rozamiento entreel disco y el volante de inercia del motor. Como el disco es solidario al eje de entrada de la caja de velocidades, setransmite el giro del motor al resto de elementos de la cadena de transmisión.

Imagen 19. Ciudad madrid. © Imagen 20. wikipedia. Creative commons

En el hidráulico la potencia se transmite mediante un aceite, un disco de paletas conectado al volante del motor agitael aceite con la fuerza suficiente como para provocar el giro de otro disco (rotor) conectado a la transmisión.

El elemento actuador es el pedal de embrague. Cuando no se pisa el pedal de embrague se dice que el sistema estádesembragado y se produce la transmisión entre el motor y la caja de cambios, mientras que cuando se pisa el pedal deembrague el sistema se dice que está embragado rompiéndose la cadena de transmisión desde el motor a la caja decambios.

En el siguiente video se explica graficamente la función del embrague

Multimedia 04. Motorgiga.com. ©

Y en este otro video, muestran un montaje didáctico de cómo actua un embrague real:



Multimedia 05. tomaspau. ©



3.2. Caja de cambios

Es el órgano que se encarga de seleccionar el par y la velocidad según las necesidades de régimen, de modo que cuantomayor sea la velocidad menor será el par y viceversa. Se encuentra entre el embrague y la transmisión.

La constituyen dos ejes sobre los que se montan piñones fijos y desplazables de distintos tamaños, cuando seleccionamosdiferentes relaciones de transmisión, se consigue que aunque el eje del motor gire a la misma velocidad, las ruedas motoraslo hagan a distinta. Permitiendo desarrollar una gran fuerza a velocidades reducidas (arranque, 1ª,…) y en cambio cuando elrégimen de marcha no requiera una gran fuerza se selecciona una marcha que permita avanzar a gran velocidad, aunque nose desarrollen fuerzas importates (4ª, 5ª), ya que la potencia que proporciona el motor se puede considerar que se mantieneaproximadamente constante y es igual a producto del par por la velocidad de giro.

[AMPLIAR]

Imagen 21. mecanicavirtual.org. ©

Imagen 22. 8000vueltas.com. © Imagen 23. elperiodicodelmotor. ©

El eje de entrada, unido al embrague, arrastra el eje secundario, uno de cuyos piñones fijos engrana con el piñón desplazabledel eje de salida. El piñón desplazable corresponde a la marcha seleccionada. Para conseguir la marcha atrás se añade un



piñón adicional con el que se invierte el sentido de giro del eje de salida.

Con la palanca de cambios selecionamos las distintas marchas. Generalmente los automóviles disponen de 5 marchas +marcha atrás y punto muerto, aunque las últimas grandes berlinas tienen cajas de hasta 7 velocidades como la de la imagen.

Imagen 24. motorspain. ©

En el siguiente video se explica gráficamente la función de la caja de cambios.

Multimedia 06. Motorgiga.com. ©

Una caja de cambios, esta esquemáticamente representada en la siguiente imagen (se supone engranada la 2ª. Lasdemás pueden engranarse moviendo los ejes a derecha e izquierda):



Completa la tabla siguiente si el eje primario gira a 1500 rpm:

VelocidadPiñon eje

primario

Piñon eje

secundario

Relación de

Transmisión (i)rpm del eje secundario

Primera (1ª)

Segunda (2ª)

Tercera (3ª)

Cuarta (4ª)

Quinta (5ª)



3.2.1. Caja de cambios automática

El sistema de cambio automático realiza todos los procesos de selección de marchas por sí mismo sin requerir laparticipación directa del conductor ajustándolos a las necesidades del automóvil en cada instante.

El paso de una relación de velocidad a otra se realiza dependiendo tanto de la velocidad del vehículo como del régimen degiro del motor, por lo que el automóvil no necesita ni de pedal de embrague, ni de palanca de cambios.Al pisar el pedal del acelerador se produce el cambio de relación, cuando el motor varía de régimen de giro. El conductoraprecia que se realiza un cambio de marcha que no produce tirones, por lo que el cambio automático provoca unaconducción más confortable, mejorando la seguridad activa del vehículo.

Los principales elementos que constituyen el cambio automático son:

Un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida, al par que se precisa en latransmisión.

Imagen 25. mecanicavirtual.com. ©




Un tren de engranajes epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio,





Un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epicicloidales. Este sistema de mandopuede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos.

La mayor innovación de que disponen los cambios automáticos actuales, es el control electrónico, permitiendo que elconductor del vehículo seleccione entre diferentes modos de conducción (económico, verano, invierno, deportivo), por mediode una palanca de selección, aunque los cambios automáticos más modernos y sofisticados son capaces de discernirautónomamente el modo de conducción óptimo en cada situación, para ello analizan, la pendiente de la carretera, el númerode curvas que presenta, la frecuencia con que se pisa el freno….

La siguiente imagen es la de una caja automática de un vehículo real, un Hyunday.

Imagen 29. motoradictos. ©



¿Sabrías identificar la turbina o rotor conducido?



3.2.2. Caja de cambios pilotada

Las cajas de cambios pilotadas, son cajas de cambios que tienen sistema de embrague (de doble embrague en algunosfabricantes), pero no pedal de embrague, puesto que el embrage se acciona con un sistema electromencánico.

Esto permite que el cambio de marchas se pueda efectuar o de modo automático, segun la programación de una centralitainstalada en el vehículo o manual (pero sin embragar) mediante unas levas marcadas con + y - (o una palanca de cambos dedos posiciones + y -)

En las imágenes vemos la palanca de cambios, quetiene cuatro posiciones:

R: Marcha AtrásN: Punto muertoA: AutomáticoM: Manual

En A el vehículo funciona como un coche automático y cambia en valores que optimizan el consumo.

En M, el conductor debe pulsar la leva marcada con +, para ir aumentado de velocidad y la leva - para poder reducir.

Imagen 30. Elaboración propia



3.3. Árbol de transmisión

Transmite el giro del motor desde la salida de la caja de velocidades hasta el puente trasero.

Suele estar formado por dos tubos de acero unidos mediante estrías (junta deslizante) lo que permite modificar la longitud dela transmisión según las necesidades de la marcha.

Estos tubos están unidos por medio de juntas elásticas tipo cardan, al objeto de absorber las oscilaciones de las ruedasdurante la marcha del automóvil.

Cuando la tracción se situa en el mismo eje que el motor son los semiejes o palieres los que hacen la función del árbol detransmisión.

Imagen 31. bmwfaq. © Imagen 32. websters. ©



3.4. Puente trasero y diferencial

Es el conjunto de mecanismos que se encarga de transmitir el giro de la caja de velocidades a las ruedas traseras, sueleestar constituido por una cadena de elementos: diferencial, trompetas y semiejes o palieres.

En la figura se observan los elementos que lo componen; el movimiento se transmite desde el piñon del diferencial a lacorona, ésta gira arrastrando a los satélites que engranan con los planetarios, que están unidos a los palieres que transmitenel movimiento a las ruedas.

Imagen 33. automotriz. ©



Imagen 34. El rincon de la f1. ©

Partes fundamentales de un puente trasero.

Si un plano queda fijo el otro sigue moviéndose a mayor velocidad, repartiendo la velocidad de giro a ambas ruedas medianteel diferencial, el par es transmitido al motor desde el diferencial por medio de los palieres.

El diferencial es el encargado de transmitir el par a las dos ruedas motrices consiguiendo que éstas giren a distintasvelocidades, sin pérdida de potencia.

En una curva, las ruedas interiores efectúan un recorrido más corto que las exteriores. Si ambas estuvieran fijas sobre elmismo eje girarían a las mismas revoluciones, y la rueda interior patinaría. Para evitarlo se divide el eje posterior en dossemiejes acoplados por medio del diferencial, consiguiendo que cada semieje gire independientemente, mientras la ruedainterna reduce su velocidad de giro, la exterior la aumenta.

Sección de un diferencial.

En el caso de los vehículos con tracción en las cuatro ruedas se utilizan dos diferenciales, uno para las ruedas delanteras yotro para las traseras.

En el siguiente video, se muestra una animación de un diferencial

Multimedia 07. tecnonora. ©

En este se muestra un diferencial montado de forma didáctica, para comprender su funcionamiento.

Multimedia 08. luisesMK1. ©



4. Sistema de dirección

Permite orientar las ruedas delanteras convenientemente, se gobierna mediante un volante montado sobre una columnainclinada en conexión con las ruedas delanteras por medio de diferentes mecanismos, la dirección más habitual es lacremallera.

La figura adjunta muestra las partes fundamentales de este sistema y su ubicación respecto a otros elementos del puentedelantero.

Para facilitar la acción de conducción se emplea la servodirección o dirección asistida, un mecanismo hidráulico que minimizael esfuerzo necesario para mover el volante.




5. Sistema de frenado

Los frenos disminuyen la velocidad del vehículo, reduciendo la velocidad de giro de las ruedas por medio de elementos quemediante fuerzas de rozamiento convierten la energía cinética en calor.

Existen varios sistemas de frenos: de disco, de tambor,….

El más utilizado en los vehículos es el de disco, en éstos unas pastillas (ferodos) presionan el disco de freno produciéndosefuerzas de rozamiento muy elevadas, sin llegar a producir el bloqueo de la rueda.

Imagen 36. sabelotodo.com. © Imagen 37. tallervirtual. ©

En los de tambor, el frenado se realiza por medio de unas zapatas, presionadas por un cilindro hidráulico sobre el tambor delfreno.

Imagen 38. potencia-sin-control. © Imagen 39. webcaravana. ©

El pedal de freno se encuentra situado entre el embrague y el acelerador y se activa con el pie derecho, antes se transmitíala fuerza de frenado directamente mediante sirgas u otros elementos rígidos, actualmente el sistema de frenado incorpora uncircuito hidráulico, que multiplica enormemente la fuerza de frenado.

La alta presión del líquido de freno a la salida de la bomba es transmitida hasta los discos o tambores.

En la figura siguiente puede verse un sistema de frenado típico con circuito separado para ambos ejes, y despiece de unfreno de disco.




El freno de mano actúa sólo sobre las ruedas traseras o sobre el árbol de la transmisión. Se acciona mediante la palanca defreno ubicada a la derecha del conductor, próxima a la palanca de cambio de marchas, suele estar unida a través de untrinquete mediante sirgas o varillas a los frenos traseros.

ABS proviene del alemán Antiblockiersystem y es un dispositivo muy empleado en aviones y automóviles, para evitar que losneumáticos pierdan la adherencia con el suelo durante el proceso de frenado.

En 1978 Bosch hizo historia cuando introdujo el primer sistema electrónico de frenos antibloqueo, tratando de conseguir quefuera más difícil bloquear una rueda en una frenada brusca, con lo que se consigue una mayor seguridad (no sólo paracoches, sino también para camiones, trenes y aviones).


El ABS se suma al sistema de frenado tradicional. Consiste en una bomba incorporada a los circuitos del líquido de freno yunos sensores que controlan la velocidad de giro de las ruedas. De modo que si al frenar bruscamente una o varias ruedasreducen repentinamente sus revoluciones, es detectado por el ABS que interpreta que las ruedas están a punto debloquearse sin que el vehículo se haya parado, por lo que éste empezará a patinar sin control, para evitarlo los sensoresmandan una señal a la central del sistema de control del ABS, que sin la intervención del conductor reparten la presión quese realiza en cada freno sobre cada rueda. En el momento que se ha normalizado la situación devuelve el control del freno alconductor que continúa presionando el freno sobre las ruedas con intensidad plena.

Para que el ABS entre en funcionamiento el conductor debe mantener presionado el pedal de freno a tope, y como elproceso de control se repite con una frecuencia superior a cincuenta veces por minuto, el conductor detecta una ciertavibración en el pedal de freno mientras actúa el ABS.

Con el ABS se mantiene el coeficiente de rozamiento estático durante la frenada, evitando el deslizamiento del automóvilsobre el piso, de modo que la distancia de frenada siempre es menor cuando actúa el sistema ABS de frenada.



6. Suspensión

Para mejorar la estabilidad del automóvil se incorporan un conjunto de mecanismos que provoca que el chasis no oscilecuando se circula por firmes irregulares.

La suspensión la constituyen los neumáticos, los elementos elásticos (las ballestas, muelles, barras de torsión,…) y losamortiguadores. Para unirlos al chasis se emplean rótulas y articulaciones.

Hay suspensiones neumáticas e hidráulicas, aunque lo más común son las que se basan en muelles y amortiguadores.

También se utilizan las barras estabilizadoras para mejorar la estabilidad del automóvil.

Generalmente los fabricantes montan sistemas estabilizadores independientes, para que el movimiento de cada rueda noafecte directamente a la otra de su eje. Empleando unas barras de acero elástico unidas a los amortiguadores.




7. Equipo eléctrico

Lo constituyen la batería, el alternador, el motor de arranque, el sistema de luces y otros sistemas auxiliares comolimpiaparabrisas o aire acondicionado.

Batería. Almacena la energía eléctrica para alimentar a los sistemas eléctricos del automóvil que lo precisen. Laconstituyen varias celdas electroquímicas en serie, proporcionando una tensión de 12V de corriente continua en susbornes, que es la tensión de alimentación de los receptores eléctricos del automóvil, se recarga a través de la energíaeléctrica que se va generando en el alternador cuando el vehículo está en marcha.


Motor de arranque. Los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas hasta que no inician sufuncionamiento, por ello debe provocarse el movimiento inicial del tren alternativo hasta que arranca el motor. Elelemento encargado de esta función es el motor de arranque. Antes de la incorporación del sistema de arranque pormotor eléctrico los motores eran arrancados mediante manivelas, con las que manualmente se hacía girar el trenalternativo del motor.

El motor de arranque consta básicamente de un motor eléctrico y de un sistema mecánico de conexión con el motor.Generalmente esta conexión se realiza por medio de un piñón a la corona dentada del volante de inercia del cigüeñal.El piñón se desacopla después de arrancar el motor.

El accionamiento del motor de arranque se realiza desde la llave de contacto. Cuando se conecta el piñón engranacon el volante de inercia y el motor eléctrico tomando energía de la batería poniéndose en movimiento, arrastrando asu vez el tren alternativo del motor.




Alternador. Siempre que el eje del motor esté girando, el alternador, mediante una correa une el eje del motor con elrotor del alternador, tomando la energía cinética del motor, la convierte en energía eléctrica mediante inducciónelectromagnética. La corriente generada pasa por un regulador que la estabiliza para mantener cargada la batería.



8. Sistemas de seguridad

Continuamente nos llegan noticias de las graves consecuencias que tienen los accidentes de automóvil, los fabricantes tratande analizar las posibles distintas situaciones que pueden darse en las colisiones y procuran incorporar como equipos de seriecomponentes que mejoran la seguridad pasiva de los ocupantes de los vehículos.

Todos los sistemas de seguridad del coche, desde las estructuras deformables del bastidor hasta el airbag lateral, estánconcebidos para proteger a los ocupantes con el cinturón puesto.

Imagen 48. chinasmack. © Imagen 49. wired.com. ©

Por ello el cinturón de seguridad , que es un arnés que sujeta al ocupante del vehículo en caso de colisión, manteniéndoleen su asiento, su uso en autóviles es en estos momentos obligatorio en muchos paises y está considerado el sistema deseguridad pasiva más efectivo que existe, por delante del airbag, de las carrocerías deformables o de cualquier otroadelanto técnico que pueda producirse hoy en día.

El cinturón sirve para que, en caso de golpe, el cuerpo avance lentamente hacia el salpicadero o el volante. También cumpleuna función de sujección, que asegura que el cuerpo permanezca unido al asiento en golpes frontales no muy fuertes o enlaterales o vuelcos.

El ingeniero de Volvo Nils Bohlin fue el que inventó el cinturón de tres puntos de anclaje, que fue adoptado por todos losfabricantes de automóviles, gracias a que la firma Volvo liberó la patente sobre el invento.

El primer cinturón de seguridad de serie fue montado en 1959 en el modelo Amazon de Volvo.

Para aumentar la efectividad del cinturón de seguridad convencional se puede utilzar el pretensor del cinturón. Su funciónconsiste en tensar el cinturón cuando se produce una colisión de este modo la distancia cedida por el cinturón es muchomenor disminuyéndose los posibles daños en el ocupante.

Existen dos tipos de tensores, los que funcionan mediante una pequeña carga explosiva y los que tiran de la hebilla delcinturón mediante la expansión de un muelle.



Imagen 50. chusticieros. © Imagen 51. km77. ©

Los reposacabezas se instalaban normalmente en los asientos delanteros, aunque en la actualidad se intalan también en lostraseros. En caso de impacto el reposacabezas avanza hasta encontrar la cabeza del pasajero, así se evita el llamadolatigazo de la cabeza que puede provocar graves lesiones cervicales.

Imagen 52. circulaseguro. © Imagen 53. 3.bp . ©

En ocasiones se piensa en el reposacabezas como elemento de confort, pero se trata de un sistema de seguridad.

El airbag es un sistema de seguridad patentado por Mercedes-Benz el 23 de octubre de 1971 y el primer automóvil que loincorporó fue el modelo clase S en 1981. Actualmente es uno de los sistemas de seguridad pasiva que llevan montadostodos los coches.

Consiste en una bolsa que se infla en caso de colisión en función de la velocidad y gravedad de la colisión y deteniendo elproceso de hinchado cuando ya no es necesario. Llevan sensores que detectan si el asiento está vacío. Al incorporarequipos de control electrónicos se ha mejorado ostensiblemente su funcionamiento, se ha demostrado la eficacia del airbagen más del 60% de los accidentes.



Imagen 54. autohoy. © Imagen 55. circulaseguro. ©

El sistema se instaló en los automóviles para crear un colchón de aire en el que impacten el conductor o acompañantedespués de que esté totalmente inflado.

Imagen 56. motoradictos.com. ©

Se ha comprobado que en personas de baja estatura y en niños pequeños el sistema puede producir daños, ya que elimpacto los lanza contra el airbag cuando éste se está inflando, pudiendo provocar graves lesiones aún teniendo el cinturónde seguridad puesto, por este motivo se recomienda llevar a los niños en la parte trasera del vehículo y siempre con elcinturón de seguridad correctamente colocado.



9. Parámetros de diseño

Para facilitar la comprensión del funcionamiento de un motor de combustión interna se definen una serie de parámetrosgeométricos y de diseño, los más comunmente empleados por los mecánicos son:

PMI. Punto Muerto Inferior. Posición extrema en la que se encuentra el pistón cuando está totalmente extraido delcilindro después de entregar todo el trabajo tras la combustión.PMS. Punto Muerto Superior. Posición extrema del pistón, cuando se encuentra totalmente introducido dentro delcilindro, coincide con la posición teórica de inyección de combustible.Diámetro del cilindro. Es la anchura del cilindro por donde se desplaza el pistón.Carrera del pistón. Distancia entre el PMS y el PMI.

Imagen 57. automotriz. © Imagen 58. Mecanicavirtual. ©

Cilindrada. Volumen generado por el pistón al desplazarse desde el PMS al PMI multiplicado por el número decilindros. Este dato suele darse en c.c. (cm3, centímetros cúbicos) o en litros.Relación de compresión. Es el cociente entre el volumen del cilindro, cuando el pistón se encuentra en el PMS y elque ocupa cuando está en el PMI. En motores diesel esta relación está entre 14 y 23 y en motores de gasolina entre8 y 10.Potencia. Es la capacidad de desarrollar trabajo que presenta motor se mide en CV (Caballo de vapor) o en Kw(Kilovatios).Par Motor. Momento de fuerza que produce el motor. Se mide en Nm (Newton por metro) o en kgm (kilogrametros).Curvas de comportamiento del motor. Muestran la variación de potencia y de par del motor respecto al régimen degiro del eje del motor.

Imaen 59. gstatic. ©

Potencia máxima. No se encuentra el origen de la referencia.. Máxima potencia que puede entregar el motor. En lafigura adjunta la potencia máxima es de 95,2 CV a 3.900 rpmPar máximo. Par máximo que puede alcanzar el motor, en la figura el par máximo que alcanza el motor es de 20,5kgm a 3530 r.p.m.



Consumo específico. Consumo de combustible por hora y por caballo de potencia desarrollado, se suele medir en g/ CV h.Los rendimientos nos dan información acerca del funcionamiento del motor, con su análisis se puede estudiar si unmotor está o no cerca del comportamiento esperado. Los rendimientos más importantes del motor son:

Rendimiento térmico. Es la relación entre la cantidad de energía térmica transformada en energía mecánica yla cantidad de energía calorífica que proporciona la combustión completa de la mezcla presente en los cilindrosde cada ciclo. Un factor de gran transcendencia en este rendimiento es la relación de compresión. Como losmotores diesel tienen relaciones de compresión mayores, presentan rendimientos térmicos superiores a losmotores de gasolina.Rendimiento volumétrico. Es la cantidad de aire que absorben los cilindros en cada ciclo y la que ocuparía unvolumen igual a la cilindrada del motor a la presión atmosférica. En los motores diesel y para condicionesóptimas su valor está entre 0,80 y 0,85, algo menor que el de los motores de gasolina de elevadasprestaciones.Rendimiento mecánico. Es la relación entre la potencia que el cigüeñal transmite al embrague y la generadateóricamente en los cilindros. Este rendimiento es ligeramente inferior en los motores diesel respecto a los delos motores de gasolina.

Si en un pistón, el volumén en el PMI es 2000 cc, y en el PMS es 100 cc. ¿Cúal es la relación de compresión?



10. Desarrollos sobre y a partir del automóvil

Para terminar, unas cuantas curiosidades, que pretenden hacer ver el potencial de desarrollo que hay sobre el automóvil.Desde el desarrollo de todo tipo de sistemas de confort y ayuda, a nuevos combustibles como el Higrógeno.

¿Sabías que…?

Actualmente muchos vehículos van dotados de una cámara de visión trasera que se conecta al seleccionar la marchaatrás, y por medio de gráficos indica la posición en que quedará el automóvil según el giro que vamos aplicando a ladirección, dando un aviso acústico en caso de proximidad con algún obstáculo, lo que facilita los desplazamientosmarcha atrás y los aparcamientos.

¿Sabías que…?

Aparcar nunca había sido tan fácil como ahora, gracias al Park Assit, es un sistema electrónico de control que detectacuando hay un hueco disponible avisando al conductor, que solamente debe ocuparse de seleccionar la marcha atrás,acelerar y frenar, ya que el Park Assist se encarga de girar el volante, consiguiendo una maniobra perfecta.

¿Sabías que…?

En septiembre de 2009 se presentó en el circuito de Motorland, Alcañiz (Teruel) un kart de hidrógeno, fabricado enAragón, detrás del que hay un gran equipo de investigadores de la Universidd de Zaragoza, la fundación delHidrógeno, la Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia, la empresa Inycom, el Team Elías y la Universidad SanJorge.



Imagen 60. motorland. ©

Se trata de un prototipo, que pesa 273Kg, tiene 32 CV de potencia, alcanza una velocidad punta de 135 Km/h, acelerade 0 a 100 Km/h en menos de 7 segundos y tiene nula emisión de contaminantes.

Aun es pronto para poder ver este tipo de automóviles circulando por las calles y carreteras, pero pronto se empzarána emplear para transporte interno en fábricas, etc…

Además durante la Expo celebrada en Zaragoza durante el verano de 2008, circularon en su recinto un autobús, tresminibuses, cinco escúteres y veinte biccletas, propulsados por hidrógeno, lo que hizo necesario la instalación de una“hidrogenera” que los abasteciera.



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