Construcción de Vehículos I
Diseño en una caja de velocidades mecánica
Aspectos a considerar en el diseño de un tren motriz 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tipo de vehículo Dimensiones del motor (potencia, torque, rpm) Tipo de tren motriz (FFWD, FRWD, RRWD, 4WD, AWD) Arquitectura del motor (motor transversal, longitudinal). Dimensiones de la rueda Fuerza máxima de tracción en las ruedas Velocidad tangencial máxima en las ruedas o velocidad del vehículo
Determinación de las relaciones de velocidad
Determinación de las relaciones de Transmisión de potencia en un tren motriz velocidad
Rendimiento en un sistema de transmisión
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 Ing. Hugo L. Agüero Alva
Aspectos a considerar en el diseño de una caja de velocidades 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.)
Determinación detrenes las de relaciones 3) Definir la colocación de los engranajes.
velocidad
de
4) Definir el esquema cinemático de la caja de velocidades
5. 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 v rpm del motor n
Determinación de las relaciones de velocidad
6.
El vehículo debe disponer de las suficientes relaciones de transmisión para: a. Arrancar con una cierta aceleración bajo condiciones exigentes. b. Alcanzar la máxima velocidad c. Mantener el motor trabajando en el rango óptimo de funcionamiento.
Determinación de las relaciones de velocidad
7.
El rango de velocidades del vehículo es función de: a. La potencia del motor b. La elasticidad del motor c. 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
Esquemas cinemáticas
Esquema de caja de velocidades de tres ejes
Esquema cinemática de la caja de cambios Esquemade cinemática caja de tres ejes cinco en velocidades
Esquema de caja de velocidades de dos ejes
Esquema cinemática de la caja de cambios Esquema en caja de dos ejes decinemática 5 velocidades
Caja de 5 velocidades en transejes Esquema de funcionamiento de caja de dos ejes
En algunos vehículos, la 6ta velocidad se logra añadiendo dos nuevos piñones que suelen situarse en la prolongación del primario y secundario.
Caja de 6 velocidades en transejes
Esquema cinemática en una caja de 6 Esquema cinemática en caja tres ejes velocidades de doble dedesalida
Zona de auto regulación o velocidad de régimen
Curvas características del motor
Cálculo de las relaciones de velocidad en un vehículo convencional Cálculo de las relaciones de velocidad en un vehículo convencional
PRIMERA VELOCIDAD-FUNCIÓN DEL MÁXIMO REQUERIMIENTO DE TRACCIÓN Máxima pendiente o máxima aceleración desde parado. Está limitada por la capacidad de tracción del sistema vehículo – neumático – superficies.
Determinación de las relaciones de velocidad
Determinación de las relaciones de velocidad Diagrama de Resistencias VS velocidad
Determinación de las relaciones de Potencia absorbidavelocidad por la resistencia a la rodadura, según la fórmula de Andreu
Elección de la 1ra. 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.
Determinación de las relaciones de velocidad
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 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: f .cos .G 0, 015 x cos(8,53o ) x 2000 29, 67 kg - f 15 Resistencia debida a la pendiente: G.sen 2000 x 300 kg f 100 2000 x0,5 Fuerza necesaria para la aceleración: F m.a 100 kg f 10 El esfuerzo total a aplicar en las ruedas es igual a: 429,67 kg El par resistente en las ruedas es igual a: 429,67 x 0,32m= 137,49 k.m
Determinación de las relaciones de velocidad
Si el motor entrega M m =13 kg.m, Siendo la multiplicación total en el sistema de transmisión: Mr itr .M m La relación total en 1ra será: 137,49 kg.m itrI 13, 225 :1 0,80x13 kg.m
Determinación de las relaciones de velocidad
Caso 2: Que el vehículo alcance una velocidad máxima determinada 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: r .n 0,32 x6000 Vmáx ( km / h ) 0,377 r m 0,377. itru itru
itru
0,377 x0,32 x6000 3, 45 210
Determinación de las relaciones de velocidad
Caso 2: Que el vehículo alcance una velocidad máxima determinada Hay tres enfoques diferenciados para seleccionar n para la velocidad máxima del vehículo: -Diseño optimo -Sobrerevolucionado -Subrevolucionado
Determinación de las relaciones de velocidad
Selección de las relaciones intermedias -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 progresividad de cambio.
relaciones,
mayor
suavidad
Determinación de las relaciones de velocidad
y
-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). in 1 in
nN max nM max
Determinación de las relaciones de velocidad
Cálculo 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.
Método del escalonamiento geométrica Implica que todas las relaciones tienen la misma importancia, es decir, las diferencias con la hipérbola teórica son las Determinación de las relaciones de mismas para todas las marchas nN max nM max in iz .
velocidad Z 1
itotal
( Z n)
donde: n, la relación de velocidad determinada Z , número de relaciones de la caja
Ejemplo 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.
Determinación de las relaciones de velocidad nN max nM max
6000 1,5 4000
De la fórmula in iz .
( Z n)
iIV 1 iIII
iIV .
(4 3)
1x1,5(4
3)
1,5 :1
iII
iIV .
(4 2)
1x1,5(4
2)
2, 25 :1
iI
iIV .
(4 1)
1x1,5(4 1) 3,375 :1
iV
iIV .
(4 5)
1x1,5(4
5)
0,667 :1
Método del escalonamiento progresivo Existe un nuevo salto escalonamiento.
1
2
que define la progresividad del
Determinación de las relaciones de 1 velocidad Z 1 . i 0,5( Z 1)( Z 2) total 2
in iz .
( Z n) 1
.
0,5( Z n )( Z n 1) 2
donde: n, la relación de velocidad determinada Z , número de relaciones de la caja 1 1,1 a 1,7 2
1 a 1, 2
Diagrama de velocidades Las relaciones
v v' , ...... pueden representarse en el siguiente gráfico n n
Determinación de las relaciones de velocidad
Curvas de utilización 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%).
P, Potencia del motor Pj , Potencia en las ruedas Pj
0,85P
Curva de utilización de un de vehículo en relaciones toma Determinación las de directa (E= excedente de potencia en terreno horizontal) velocidad
Método de las potencias 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
Determinación de las relaciones de Curva de utilización de un vehículo equipado con caja de 4 velocidades velocidad
