Tren de Fuerza I Generalidades del curso
En este módulo estudiaremos los componentes y las operaciones básicas de los sistemas del tren de fuerza usados en las máquinas Caterpillar. Se incluyen los componentes básicos, los embragues, los convertidores de par, las transmisiones manuales y las servotransmisiones. Los componentes básicos y sus funciones se explican según se relacionen con la operación de los diversos sistemas del tren de fuerza. Los diferenciales, los mandos finales y el tren de rodaje no son parte de este curso y se tratarán en el curso del Tren de Fuerza II. Este programa del curso se desarrolló usando los materiales de referencia indicados en las siguientes páginas.
© 2003 Caterpillar Inc. Revisión: 9 de mayo, 2003
Propiedad de Caterpillar Inc.
o s r u c l e d s e d a d i l a r e n e G
NOTAS NOT AS
Tren de Fuerza I Índice
UNIDAD 1: Introducción al tren de fuerza Lección 1: Componentes principales del tren de fuerza y teoría de operación Lección 2: Métodos de transferencia de fuerza Lección 3: Engranajes y conjuntos de engranajes
UNIDAD 2: Acoplamientos Lección 1: Embrague del volante Lección 2: Convertidores de par y divisores de par
UNIDAD 3: Transmisiones Lección 1: Transmisión manual Lección 2: Servotransmisión Lección 3: Sistemas de control de las servotransmisiones
e c i d n Í
NOTAS
Tren de Fuerza I Desarrollo del curso Descripción 1. Curso del tren de fuerza I 2. Número del curso ___________ 3. Requisito: Ninguno 4. Cuatro horas de clase y seis horas de prácticas de taller por semana. 5. Crédito: tres horas semestrales
Métodos de presentación 1. Clase y explicación 2. Demostraciones 3. Soporte de los ejercicios y hojas de trabajo de las prácticas de taller
Evaluación sugerida para calificar los logros del estudiante 1. Exámenes de las unidades ______% 2. Hojas de trabajo de las prácticas de taller ______% 3. Examen final ______% 4. Participación en clase y en las prácticas de taller _______%
o s r u c l e d o l l o r r a s e D
NOTAS
Tren de Fuerza I Objetivos
Al terminar este curso, el estudiante podrá: • Demostrar y entender los componentes básicos del tren de fuerza y la teoría de operación • Identificar los componentes y explicar la operación de los embragues de dirección • Identificar los componentes y explicar la operación de los convertidores de par y los divisores de par • Identificar los componentes y explicar la operación de las transmisiones manuales • Identificar los componentes y explicar la operación de las servotransmisiones y los sistemas de control de la transmisión • Desarmar y armar un convertidor de par, un divisor de par, una transmisión manual y una servotransmisión.
s o v i t e j b O
NOTAS
Tren de Fuerza I Materiales de referencia Se deben pedir el Manual de Armado y Desarmado, el Manual de Especificaciones y la guía del manual de reutilización de piezas correspondientes u obtenerlos del SIS, para tener toda la información de los componentes del tren de fuerza usados en los ejercicios de las prácticas de taller. El libro de los engranajes
SEBV0533*
Animaciones del tren de fuerza* * Vea la información complementaria en el CD-ROM del Tren de Fuerza I de Caterpillar.
a i c n e r e f e r e d s e l a i r e t a M
NOTAS
Tren de Fuerza I Herramientas Consulte, en el módulo apropiado de desarmado y armado, la lista de herramientas requeridas para el servicio de los componentes del tren de fuerza usados en los ejercicios de las prácticas de taller.
s a t n e i m a r r e H
NOTAS
UNIDAD 1 Introducción al tren de fuerza
Introducción En esta unidad haremos una introducción al tren de fuerza, comenzando con los componentes principales y la teoría de su funcionamiento. Esta unidad también trata acerca de los métodos de transferencia de fuerza, los engranajes y los conjuntos de engranaje.
Objetivos Al terminar esta unidad, el estudiante podrá: • Demostrar y entender los componentes básicos del tren de fuerza y la teoría de operación • Identificar los métodos y los componentes usados para transferir potencia a través del tren de fuerza • Identificar los tipos y funciones de los engranajes y conjuntos de engranajes usados en el tren de fuerza.
Materiales de referencia El libro de los engranajes
SEBV0533*
Animaciones del tren de fuerza* *
Vea la información complementaria en el CD-ROM del Tren de Fuerza I de Caterpillar.
Herramientas Ninguna
a z r e u f e d n e r t l a n ó i c c u d o r t n I : 1 d a d i n U
NOTAS
Lección 1: Componentes principales del tren de fuerza y teoría de operación
Introducción En esta lección veremos los componentes principales y la teoría de operación del tren de fuerza. También se verán brevemente los tres tipos básicos de trenes de fuerza.
Objetivos Al terminar esta lección, el estudiante podrá: Identificar y explicar los componentes principales y la teoría de operación del tren de fuerza, y los tipos básicos de trenes de fuerza.
Materiales de referencia Ninguno
Herramientas Ninguna
n ó i c a r e p o e d a í r o e t y a z r e u f e d n e r t l e d s e l a p i c n i r p s e t n e n o p m o C : 1 n ó i c c e L
Unidad 1 Lección 1
1-1-2
Tren de Fuerza I
Fig. 1.1.1 Molino de agua
El tren de fuerza es un grupo de componentes que trabajan juntos para transferir potencia desde la fuente donde se produce hasta el punto donde se usa para realizar un trabajo. Esta definición podría compararse con un “tren de carga”. El tren de carga es un conjunto de componentes formado por la locomotora y los vagones. La función es llevar la carga desde donde se produce hasta el sitio donde se necesita. El término tren de fuerza no es nuevo y se han usado desde hace mucho tiempo para describir los componentes que transfieren potencia de un lugar a otro. En los primeros molinos hidráulicos (figura 1.1.1) usados durante el tiempo de la Colonia, el término tren de fuerza se refería a la maquinaria que transportaba potencia desde la rueda hidráulica hasta el sitio de trabajo, por ejemplo, los molinos de harina, los telares o los aserraderos.
Unidad 1 Lección 1
1-1-3
Tren de Fuerza I
FUNCIÓN DEL TREN DE FUERZA 1. Conectar y desconectar la potencia del motor 2. Modificar la velocidad y el par 3. Proveer un medio para marcha en retroceso 4. Regular la distribución de potencia a las ruedas de impulsión
Fig. 1.1.2 Funciones del tren de fuerza
En una máquina industrial moderna típica, el tren de fuerza transfiere potencia del volante del motor a las ruedas o cadenas que impulsan la máquina. Sin embargo, el tren de fuerza no solamente transfiere potencia. Si un motor está acoplado directamente a las ruedas de impulsión del vehículo, el vehículo se desplazará constantemente a la velocidad del motor. El tren de fuerza proporciona un medio para desconectar y controlar la potencia del motor. Las funciones básicas del tren de fuerza son: • Conectar y desconectar la potencia del motor a(de) la(s) rueda(s) de mando • Modificar la velocidad y el par • Proveer un medio para marcha en retroceso • Regular la distribución de potencia a las ruedas de mando (para hacer que el vehículo gire)
Potencia =
Trabajo Tiempo
Fig. 1.1.3 Principio de la potencia
Potencia es un término usado para describir la relación entre trabajo y tiempo. La potencia se define como la velocidad a la que se realiza el trabajo o la transferencia de energía. En otras palabras, la potencia mide la rapidez con que se hace el trabajo. La potencia es igual al trabajo realizado dividido por el tiempo que toma en hacerlo, o P=W/t.
Unidad 1 Lección 1
1-1-4
Tren de Fuerza I
Trabajo = Fuerza x Distancia Potencia =
Fuerza x Distancia Tiempo
Fig. 1.1.4 Trabajo y potencia
El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto multiplicada por la distancia que el objeto se mueve. La fuerza es una medida de la potencia de empuje que un objeto ejerce sobre otro. De acuerdo con las leyes de movimiento del físico Isaac Newton, cuando se mueve un objeto, el trabajo es igual a la fuerza multiplicada por la distancia, o W = F x d. Si sustituimos la definición de trabajo en la fórmula de la potencia, se demuestra que la potencia es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto, multiplicada por la distancia que el objeto recorre, y el resultado dividido por la velocidad, o P = F x d/t
Fig. 1.1.5 Par
El par es un esfuerzo de torsión aplicado a un objeto que tiende a hacer que el objeto gire alrededor de su eje de giro. La cantidad de par es igual a la magnitud de la fuerza aplicada, multiplicada por la distancia entre el eje de giro del objeto y el punto donde se aplica la fuerza. Así como una fuerza aplicada a un objeto tiende a cambiar la velocidad del movimiento lineal del objeto, un par aplicado a un objeto tiende a cambiar su velocidad de movimiento de giro. La cantidad de par disponible de una fuente de potencia es proporcional a la distancia desde el centro a la cual se aplica el par. En la figura 1.1.5, la palanca tiene más par cuando el punto de apoyo se acerca al objeto de aplicación de la fuerza (diagrama de la derecha). Sin embargo, la palanca debe girarse aún más para obtener este par.
Unidad 1 Lección 1
1-1-5
Tren de Fuerza I
CONEX. TIERRA
MANDO FINAL
MOTOR
CONEXIÓN
TRANSM.
DIFER.
MANDO FINAL
CONEX. TIERRA
Fig. 1.1.6 Tren de fuerza mecánico
Los trenes de fuerza usados en la mayoría de las máquinas de construcción actuales pueden clasificarse en tres tipos básicos: - Mecánicos - Hidrostáticos - Eléctricos En un tren de fuerza mecánico, la potencia del motor se transfiere a través de un acoplamiento (embrague o convertidor de par) a la transmisión. De la transmisión, la potencia se transfiere al diferencial, a los mandos finales y a las ruedas o cadenas. Los siguientes son los componentes principales del tren de fuerza mecánico típico.
Motor: Suministra la potencia para operar el vehículo y el dispositivo de acoplamiento
Acoplamiento: Conecta la potencia del motor al resto del tren de fuerza. Los acoplamientos del embrague del volante pueden desconectar la potencia del motor del resto del tren de fuerza. Esto hace que el motor funcione cuando la máquina no está en movimiento. Los convertidores de par y los divisores de par suministran siempre un acoplamiento hidráulico, para conectar el motor al resto del tren de fuerza. La conexión puede ser directa si la máquina tiene un embrague de traba.
Transmisión: Controla la velocidad de salida, la dirección y el par de fuerza suministrado al resto del tren de fuerza.
Diferencial: Transmite la potencia al mando final y a las ruedas, mientras hace que cada rueda gire a diferente velocidad.
Mando final: Conecta la potencia a las ruedas o cadenas. Mecanismo de tracción: Impulsa la máquina por medio de las ruedas o cadenas.
Unidad 1 Lección 1
1-1-6
Tren de Fuerza I
Fig. 1.1.7 Compactador 826G con los componentes de tren de fuerza mecánico
Las máquinas mostradas en las figuras 1.1.7 y 1.1.8 están equipadas con trenes de fuerza mecánicos.
Fig. 1.1.8 Tractor D11R con los componentes de tren de fuerza mecánico
Unidad 1 Lección 1
1-1-7
BOMBA HIDRÁULICA
MOTOR
Tren de Fuerza I
MOTOR HIDRÁULICO
TRANSMISIÓN O DIFERENCIAL
MANDO FINAL
CONEXIÓN AL TERRENO
CONEXIÓN HIDRÁULICA
MOTOR
MOTOR HIDRÁULICO
MANDO FINAL
CONEXIÓN AL TERRENO
MOTOR HIDRÁULICO
MANDO FINAL
CONEXIÓN AL TERRENO
BOMBA HIDRÁULICA
Fig. 1.1.9 Tren de fuerza de mando hidrostático
Como su nombre lo indica, en los mandos hidrostáticos se usa fluido para transmitir la potencia del motor al mando final de la máquina. La potencia del motor se transfiere a una bomba hidráulica. La bomba hidráulica suministra el flujo de aceite a un motor de impulsión. El motor de impulsión transfiere la potencia a la transmisión o directamente al mando final. Los siguientes son los componentes principales de un tren de fuerza hidrostático típico.
Motor: Suministra la potencia para operar el vehículo y la(s) bomba(s) hidráulica(s).
Bomba(s): Produce(n) el flujo hidráulico para accionar el (los) motor(es) de impulsión.
Motor(es): Suministra(n) la potencia a la transmisión o al mando final.
Transmisión (si está equipado): Controla la velocidad de salida, la dirección y el par de fuerza entregados al resto del tren de fuerza.
Diferencial (si está equipado): Transmite la potencia al mando final y a las ruedas, mientras hace que cada rueda gire a diferente velocidad.
Mando final: Conecta la potencia a las ruedas o cadenas. Mecanismo de tracción: Propulsa la máquina a través de las ruedas o cadenas.
Unidad 1 Lección 1
1-1-8
Tren de Fuerza I
Fig. 1.1.10 Cargador de Cadenas 953C con los componentes del tren de fuerza hidrostático
Las máquinas mostradas en las figuras 1.1.10 y 1.1.11 están equipadas con trenes de fuerza hidrostáticos.
Fig. 1.1.11 Cargador de ruedas pequeño con los componentes del tren de fuerza hidrostático
Unidad 1 Lección 1
1-1-9
Tren de Fuerza I
CONEXIÓN CON TERRENO
Fig. 1.1.12 Componentes del mando eléctrico CC
En el mando eléctrico CC se usa electricidad para transmitir la potencia del motor al mando final de la máquina. La potencia del motor se transfiere a un generador CA. La electricidad del generador CA se usa para impulsar los motores en el mando final.
Motor: Suministra la potencia para operar el vehículo. Generador CA: Convierte la potencia mecánica del motor en electricidad.
Rectificador: Convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).
Excitador de campo: Controla la velocidad de los motores. Motores CC: Suministran la potencia al mando final. Mando final: Conecta la potencia a las ruedas. Mecanismo de tracción: Impulsa la máquina a través de las ruedas.
CONEXIÓN CON TERRENO
Fig. 1.1.13 Componentes del mando eléctrico CA
Un mando eléctrico CA opera lo mismo que un mando eléctrico CC, excepto que un inversor de CC a CA variable controla la velocidad del motor, y los motores eléctricos son motores CA que suministran potencia al mando final.
Unidad 1 Lección 1
1-1-10
Tren de Fuerza I
RECTIFICADOR E INVERSOR
REJILLA
GEN. CA
MOTOR
Fig. 1.1.14 Ubicación típica de los componentes del mando eléctrico CA
Los mandos eléctricos se usan en algunos camiones de minería de la competencia. La mayoría de los camiones de minería de la competencia tienen un mando eléctrico CC; sin embargo, los camiones grandes de minería actuales tienen un mando eléctrico CA. Los camiones de minería con mandos mecánicos generalmente tienen un tren de fuerza de mayor eficiencia y mayor velocidad de operación en pendientes fuertes. Los camiones de minería de la competencia también cuentan con frenado dinámico, en lugar de frenos de disco enfriados por aceite.
NOTA: Debido a que actualmente Caterpillar no fabrica equipos con mandos eléctricos, no se tratará más acerca de estos mandos en el resto del curso.
