8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007
MÉTODO PARA SELECCIONAR EL TREN MOTRIZ DE VEHÍCULOS DE TRANSPORTE PESADO CON USO ÓPTIMO DE COMBUSTIBLE Rafael-Morales, M.1, * 2, Lozano Guzmán, A1., Cervantes De Gortari, J 3., y López-Cajún, C. 1 1
Universidad Autónoma de Querétaro Querétaro, Qro. 76000, México E-mail:
[email protected] [email protected] [email protected] 2
Laboratorio de Ahorro de Energía - Instituto Mexicano del Transporte Sanfandila, Qro., 76700, México E-mail:
[email protected] 3
Facultad de Ingeniería, UNAM, Ciudad Universitaria, DF 04510, México E-mail:
[email protected] E-mail:
[email protected] x
RESUMEN El autotransporte de servicio pesado en México se se ve afectado por la baja eficiencia que presenta con respecto al consumo de combustible y el volumen de carga transportada transportada por unidad tractiva. A pesar de los avances tecnológicos de los que se disponen y que son adoptados por los vehículos para un mejor uso del combustible, los costos de transporte no han disminuido de manera significativa. El análisis realizado muestra muestra la influencia que tienen la selección técnica vehicular en el consumo de combustible por unidad tractiva y la selección del tren motriz, así como el desempeño del vehículo en la capacidad de ascenso en relación con el peso de la carga transportada. Para ello se desarrolló un método basado en las pruebas reales de desempeño a que puede someterse un vehículo buscando el régimen óptimo de economía del combustible. El método permite realizar la selección y evaluación del tren motriz, tanto de un vehículo nuevo como de uno usado, considerando la normatividad del país para limitar la velocidad, pesos y dimensiones. Considera además la evaluación de las capacidades de arranque y ascenso en pendientes del vehículo, así como permite visualizar la zona óptima de operación del de l motor para p ara reducir el consumo de combustible.
PALABRAS CLAVE: Vehículo pesado, tren motriz, ahorro de combustible, uso eficiente de combustible. *
Autor para correspondencia: E-mail:
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INTRODUCCION Los vehículos utilizados en las empresas de transporte de servicio pesado por lo general, han sido seleccionados de manera tradicional por los responsables de su adquisición. Es decir, la decisión de compra de un vehículo está basada en la experiencia a través de los años de los operadores, considerando un vehículo similar al que se encuentre en servicio, realizando alguna modificación para corregir alguna deficiencia o en recomendaciones comerciales [1]. Esto ha provocado una operación deficiente de los mismos debido principalmente, al desconocimiento que existe respecto al funcionamiento del tren motriz en el desempeño del vehículo. Vehículos con “aparente mismo tren motriz”, tienen desempeños diferentes en las mismas condiciones de operación, provocando una mala operación de las unidades, un desgaste prematuro de los componentes mecánicos y un elevado consumo de combustible. La selección técnica del tren motriz de la unidad permite predecir el desempeño que se puede lograr de los vehículos, tomando en consideración aspectos principales como son: la naturaleza del transporte –carga o pasajeros-, el perfil y naturaleza de las carreteras por las que transitan las unidades de acuerdo con el servicio que presten. El desempeño del vehículo, que en la práctica es conocido como performance [2] , se ve afectado por los elementos que componen el tren motriz, así como, por diversos parámetros cuantitativos de los cuales destacan principalmente dos: la pendiente más crítica por la que transitará, que a su vez depende de la ruta de operación y del peso de la carga máxima que se quiere transportar. Las condiciones orográficas del tipo de recorrido establecen las resistencias a vencer para el desplazamiento del vehículo, tales como la aerodinámica, la de rodamiento, la de inercia y la de pendiente. Conociendo estas resistencias se puede en principio determinar la potencia máxima del motor y, por consiguiente, se pueden establecer los elementos que integrarán el tipo de vehículo y su tren motriz. El peso bruto vehicular y las dimensiones requeridas, son factores que requerirán potencia adicional para arrancar y superar las pendientes críticas, así como para vencer la resistencia al rodamiento en una carretera en malas condiciones. El tren motriz es un conjunto de elementos mecánicos que transmiten la energía proporcionada por el motor y que permite el desplazamiento de un vehículo, cada mecanismo que forma parte del tren se encuentra relacionado con los demás componentes, por lo que cualquier modificación que se realice en alguno de ellos afecta al desempeño del tren motriz en su conjunto, por lo que el procedimiento de selección del tren motriz no es una tarea fácil de realizar. La selección debe además cumplir con la normatividad vigente que existe en México para limitar velocidad, pesos y dimensiones [3], para la operación de los vehículos. Por lo anterior, se diseñó y desarrolló un método que permite realizar la selección y evaluación del tren motriz, con los componentes comerciales que existen en México, tanto para un vehículo nuevo como para uno usado. El método se concibió en la prueba real de desempeño de los vehículos, es decir cumplir con la capacidad de arranque en pendiente, con la capacidad de ascenso en pendiente a una velocidad establecida y alcanzando la operación del motor dentro del régimen óptimo de economía de combustible [4]. La evaluación de los factores mencionados permite orientar al transportista sobre los elementos más adecuados para la selección o reconstrucción de los trenes motrices de sus unidades que satisfagan sus necesidades.
FUNDAMENTOS DE LA SELECCIÓN DEL TREN MOTRIZ. Los aspectos principales que se deben de tomar en consideración para el proceso de selección de los elementos del tren motriz de un vehículo, son: •
La naturaleza del transporte: Define el perfil de la unidad que se requiere, esto es: peso, dimensiones, capacidad útil y tipología del vehículo; por ejemplo autobús, camión unitario, camión remolque o tractocamión articulado. Lo que permite establecer el peso bruto vehicular máximo que puede transportar la unidad.
•
El desempeño del vehículo ( performance): Este aspecto se ve afectado por diversos parámetros cuantitativos, destacándose dos de ellos como los más importantes: la ruta de operación con la pendiente más crítica por la que transitará la unidad y el peso de la carga máxima que puede transportar. Con estos parámetros se pueden determinar, de manera preliminar la potencia máxima del motor y establecer los elementos que integrarán el tren motriz. Es importante considerar en la selección del tren motriz, la economía del combustible, siendo éste quizás el factor determinante en la selección de un vehículo.
•
La ruta de operación crítica: Considera el estado de la carretera, principalmente la rugosidad, desgaste de la superficie y los porcentajes máximos de pendiente ascendente [5], ya que estos factores requerirán potencia adicional para arrancar y remontar las pendientes críticas, así como para vencer la resistencia al rodamiento en una carretera en malas condiciones.
•
Observar la normatividad vigente: Este parámetro es un elemento fundamental para la selección del vehículo ya que se deben de cumplir con las normas vigentes en materia de pesos y dimensiones, de protección ecológica [6], y el acuerdo de velocidad máxima permitida [7].
CARACTERISTICAS DEL TREN MOTRIZ . El tren motriz, constituido por el motor, el embrague, la transmisión, el diferencial y las llantas, es el conjunto de elementos mecánicos que convierten y transmiten la energía química del combustible en movimiento del vehículo. La selección del tren motriz tiene especial importancia debido a que no es fácil encontrar el óptimo por las condiciones geográficas del país y , por otra parte, el incremento en el costo del combustible repercute directamente en los costos de operación, en particular cuando el tren motriz no es el adecuado, ya que para mover una carga, la potencia máxima que proporciona un motor, es un criterio insuficiente, ya que no corresponde al mejor desempeño de la unidad. Un adecuado tren motriz debe proporcionar las siguientes características a un vehículo:
Capacidad de arranque en pendientes
Habilidad de ascenso en pendientes
Velocidad de operación máxima
Aceleración
Capacidad de carga
Uso eficiente del combustible.
Considerando lo anterior, cada elemento del tren motriz se debe de seleccionar cuidadosamente ya que el tren motriz es un sistema dinámico en el que los elementos están íntimamente relacionados, esto hace difícil su selección. Por lo que el elemento clave para la configuración del tren motriz es la transmisión [2], ya que a través del conjunto de engranes administra la relación fuerza-velocidad del vehículo. La selección inadecuada de la transmisión dará como resultado un desempeño ineficiente del vehículo, es decir, el vehículo presentará deficiencias en su capacidad de arranque o ascenso en pendiente y nula economía de combustible.
MÉTODO PARA LA SELECCIÓN DEL TREN MOTRIZ El método para la selección del tren motriz considera disponer de información respecto a: tipo de vehículo, dimensiones máximas del vehículo –alto y ancho-, máximo PBV especificado por el fabricante por unidad de potencia, potencia neta del motor a nivel del mar, altitud, tipo de superficie de rodamiento y relación de engranes de la transmisión principal, transmisión auxiliar y diferencial [9]. Con esta información se determina lo siguiente:
Capacidad de arranque en pendiente, S , (Startability) del vehículo. Es la máxima pendiente sobre la que el vehículo puede arrancar y se satisface si la relación de paso de los primeros cambios de la transmisión tienen un valor numéricamente bajo, este valor se puede encontrar por ejemplo en el orden de 12 a 6 en la primeras seis velocidades para una transmisión de 16 velocidades. Este aspecto es importante de considerar para el desempeño de la unidad en terreno montañoso y se calcula mediante la ecuación (1).
S =
T P m
d
P
t 1
R
v
(1)
10.7PVB
Para poder iniciar la marcha en una pendiente el criterio establecido, considerando las operaciones del vehículo dentro y fuera de autopistas en México, el valor mínimo de S es 25%.
Capacidad de ascenso del vehículo en pendiente, G, (Gradeability).- Define la capacidad de un vehículo para subir una pendiente. Una transmisión mal seleccionada cuando la unidad se encuentra a su máxima capacidad de carga, puede provocar que el régimen del motor disminuya al grado de no permitir el avance del vehículo. La Gradeability G se calcula con la ecuación (2). G=
37.5 Pr PBVx10 −3 Va
(2)
El criterio de capacidad de ascenso, considerando las operaciones del vehículo dentro y fuera de autopistas en México se fija en 30% como mínimo [2].
La potencia de reserva Pr está definida por Ec. (3)
Pr = P − (Pr r + Pr a + Pr i )
(3)
Se consideró que existe una relación lineal entre el PBV y la potencia P del motor, y se determina mediante la ecuación (4). P = 0.004030PBV + 123.92
(4)
Prr y Pra están definidos por las ecuaciones (5) y (6).
-3 Prr = Va·(7.6+0.056·Va)(PBV· 10 /375)
3·
Pra = [ 0.002·Va ·(h-0.75)(w)](fa/ 375)
(5)
(6)
El factor de altitud, fa, se calcula para la corrección de la potencia neta del motor, mediante la ecuación (7).
fa = (-2464.7110-8·a)+9873.5310-4
(7)
Potencia para vencer la resistencia por inercia Pri se calcula con la ecuación (8).
Pri = (nM·PBV)+nB
(8)
La velocidad aparente, que se puede considerar como la velocidad comercial a la que el vehículo debe de ascender una pendiente, se puede establecer o determinar mediante la ecuación (9).
Va = (d·RPM)/(Pd·Pt1·336)
(9)
La velocidad óptima de operación del vehículo, permitida por la reglamentación, se debe alcanzarse dentro del rango de mínimo consumo específico de combustible del motor. El análisis de patrón de cambios de velocidades [shift pattern], se realiza a través del diagrama de velocidades con el fin de observar el comportamiento de la transmisión; en otras palabras, todos los cambios de engranes de la transmisión se deben realizar dentro del rango de mínimo consumo específico de combustible del motor. Para esto es necesario determinar el paso del diferencial , Pd, ya que las diferentes combinaciones de transmisiones y diferenciales permitirán que el vehículo tenga un buen desempeño sobre pendientes, sobre terrenos planos o ambos. El paso del diferencial se calcula como lo establece la ecuación (10).
P d =
60 C ll ( R cm + 200) 1000 P u V r
(10)
Cuando se cumple el criterio de velocidad máxima legal, dentro del rango de mínimo consumo de combustible del motor seleccionado, se procede a comprobarlo por medio del despeje de V r de la Ec (10). El límite de velocidad en México para un autobús es de 95 km/h y para un vehículo de transporte de carga es de 80 km/h; en ambos casos existe una tolerancia de, más 15 km/h para maniobras de rebase.
Los resultados se grafican con el fin de facilitar su interpretación. Las gráficas que se obtienen son la curva de capacidad de ascenso y el diagrama de velocidades. Con esto se enlistan las características del vehículo y del tren motriz seleccionado.
APLICACIÓN DEL MÉTODO Consideraciones: Se tienen que transportar una carga aproximada de 35 toneladas, en una ruta de operación conformada por 70 % de camino montañoso y 20 % de terreno. La altitud sobre el nivel del mar al que tiene que ascender el vehículo es de 2000 m. Desarrollo: En la Tabla 1 se presenta el reporte al aplicar el método descrito para la selección del tren motriz. Tabla 1
En la Figura 1, se muestra la gráfica de capacidad de ascenso del vehículo seleccionado, la configuración del tren motriz para el tractocamión T3-S2-R3 es: Motor modelo N14-500E, transmisión de 18 velocidades, diferencial con
una relación de paso de 4,11 y llantas de tamaño 295/80R22,5. En la gráfica se observa que la S tartability es de 32 % y que la Gradeability máxima es de 54%, así como, se observa como disminuye la capacidad de ascenso conforme aumenta la velocidad del vehículo para el mismo tren motriz. En la Figura 2, se muestra a manera de ejemplo el patrón de cambio de velocidades cuando se realiza dentro de la zona de mínimo consumo específico de combustible ( zona verde) del vehículo seleccionado. Es de notarse que la transmisión es adecuada para un manejo con uso eficiente de combustible, ya que todos los cambios caen dentro de la zona verde , que se encuentra en el rango de las 1100 y 1500 RPM del régimen del motor. La velocidad máxima que puede desarrollar el vehículo con el tren motriz seleccionado es de 97 Km/h. En el límite de la parte superior de la zona verde se alcanza una velocidad de 86km/h, lo que nos indica que el paso del diferencial es el adecuado- en caso contrario se seleccionaría otro paso de diferencial hasta cumplir con la velocidad reglamentaria en dicho límite-. Se observa que la velocidad reglamentaria de 80 km/h se alcanza alrededor de las 1400 RPM, en el último cambio de la transmisión. Esto permitirá siempre el manejo del vehículo con economía de combustible.
Figura 1: Diagrama de capacidad de ascenso para el vehículo con un tren motriz de: motor N14-500E; transmisión TSPO165-18HP; diferencial paso 4,11; y llantas 295/80R22,5
Figura 2: Diagrama de velocidades con el patrón de cambios de velocidad en el régimen de mínimo consumo de combustible del motor ( Zona verde) que se encuentra entre las 1100 RPM y1500 RPM
CONCLUSIONES Una selección técnica de los vehículos y en particular del tren motriz, conlleva a un conjunto de beneficios significativos para cualquier empresa de autotransporte, sobre todo si se pretende adquirir diversas unidades. Además de las economías potenciales que se pueden alcanzar en materia de ahorro de energía, el margen de utilidades al que contribuye es importante, porque permite financiar la adquisición de nuevas unidades para renovar o ampliar el parque vehicular y así expander las operaciones de la empresa. Sin embargo, el conjunto de estos beneficios sólo se pueden lograr cuando la empresa practica una política sistemática de selección vehicular sustentada técnicamente, con el apoyo de herramientas sencillas en el proceso. El método que se ha diseñado permite seleccionar el tren motriz para un vehículo nuevo, considerando los aspectos legales y técnicos que afectan la selección de vehículos y facilitando la tarea de selección.
REFERENCIAS [1]
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Unión Europea; La selección técnica de vehículos en el transporte, México, D.F., 1995. Reporte interno.
[2]
Fitch. J.W.; Motor Truck Engineering Handbook ; Society of Automotive Engineers, Inc., Warrendale, PA. U.S. A.
[3]
Secretaria de Comunicaciones y Transportes; Norma Oficial Mexicana NOM-012-SCT-2-1994, Sobre el peso y dimensiones máximas con los que pueden circular los vehículos de autotransporte que transitan en los caminos y puentes de jurisdicción federal, México, D.F., Diario Oficial de la Federación del 29 de noviembre de 1994.
[4]
Rafael M.M., Manuel F.S., Guzmán R.C., "Manual de Conducción Técnica de Vehículos Automotores Diesel", Publicación Técnica No. 70 Instituto Mexicano del Transporte, 1995.
[5]
Secretaria de Comunicaciones y Transportes, Normas de Servicios Técnicos; Proyectos Geométricos de Carreteras, México, D.F., 1984.
[6]
Secretaria del Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca; Norma Oficial Mexicana NOM-045-ECOL1996, q ue establece los niveles máximos permisibles de opacidad del humo proveniente del escape de vehículos automotores en circulación que usan diesel o mezclas que incluyan diesel como combustible, México, D.F., Diario Oficial de la Federación del 22 de abril de 1997.
[7]
Secretaria de Comunicaciones y Transportes; Norma Oficial Mexicana NOM-033-SCT-2-2000 , transporte terrestre-límites máximos de velocidad para los vehículos de carga, pasaje y turismo que transitan en los caminos y puentes de jurisdicción federal. Diario Oficial de la Federación del día 17 de Noviembre de 2001.
[8]
Thomas N. Riley, Eric A. Samuelson and Elizabeth M. Schmidt; New Ten Speed Transmissions Add Unique Features, SAE Technical Papers Series, 902277, Transmission Div., Eaton Corp., 1990.
[9]
Society of Automotive Engineers, Inc.; Truck Ability Prediction Procedure SAE J688 , Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA,
UNIDADES Y NOMENCLATURA S
Capacidad de arranque (%)
T m
Torque máximo del motor (N-m)
Pd
Relación de paso del diferencial (adimensional)
Pt1
Relación de paso de la primera velocidad (adimensional).
Rv
Revoluciones por kilómetro de la llanta (Rev/km).
PBV
Peso bruto vehicular(kg).
G
Habilidad en ascenso en pendiente (%).
Pr
Potencia de reserva (kW)
Va
Velocidad aparente (km/h)
Pd
Relación de paso del diferencial (adimensional)
C ll
Circunferencia de la llanta (m).
Rcm
Régimen de consumo mínimo de combustible del motor (Rev/min).
Pu
Relación de paso del último engrane de la transmisión (adimensional)
V r
Velocidad reglamentaria de circulación (km/h).
P
Potencia del motor (kW)
Pra
Potencia para vencer la resistencia aerodinámica (kW)
Prr
Potencia para vencer la resistencia al rodamiento (kW)
Pri
Potencia para vencer la resistencia por inercia (kW)
h
Altura del vehículo (m)
w
Ancho del vehículo(m)
a
Altitud sobre el nivel del mar (m)
fa
Factor de altitud (adimensional)
nM, nB Coeficientes de ajuste para la potencia (adimensional) d
Diámetro de la llanta (m)
RPM
Régimen del motor (Rev/min).
