Aplicaciones de Engranajes Caja de Velocidades

APLICACIONES DE ENGRANAJES CAJA DE VELOCIDADES MANUAL

DANIEL NEIRA GALVIS

ANDRÉS FELIPE OSPINA ÁLVAREZ

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

INGENIERÍA MECÁNICA

TALLER MÁQUINAS

PEREIRA-RISARALDA

2014

CAJA DE VELOCIDADES MANUAL

Es un mecanismo utilizado en los vehículos, para poner en marcha automotores y una vez en movimiento, a través del cambio de relaciones aplicado por una palanca o embrague, se escoge la relación más óptima para un momento específico.

Los engranajes en las cajas de velocidades son helicoidales debido a que éstos permiten reducir el ruido, lo cual reduce el desgaste por fatiga y evita que el sistema pueda presentar daños prematuramente, sin embargo la marcha trasera funciona con un piñón de dientes rectos, debido a que éstos están en funcionamiento poco tiempo, por lo cual no representa un riesgo significante y su producción es menos costosa. Los engranajes de diente helicoidal también permiten una optimización en la transmisión de potencia porque tienen una capacidad de carga mayor, ya que el área de contacto entre engranes helicoidales es mayor al contacto que se presenta en los engranajes rectos.

Actualmente se puede hablar de dos tipos de cajas de velocidades:

De dos ejes: Un eje primario que recibe el par motor y luego lo transmite a otro eje de salida de forma directa para que accione el grupo diferencial.

De tres ejes: Un eje primario recibe el par motor a través del embrague, éste a su vez lo transmite a un eje intermedio que se encarga de transmitir el par a un eje secundario, que es coaxial con el primero y acciona el grupo diferencial.

Cajas de velocidades de tres ejes

Este tipo de cajas son las que están presentes en la mayoría de vehículos que se están diseñando, debido a que como la caja se compone de tres ejes, se reduce el esfuerzo en los piñones, por lo cual se evita un desgaste prematuro y se puedan reducir gastos de producción.

A continuación se muestra una caja de cambios de 4 velocidades seccionada longitudinalmente, donde se puede notar que el par motor se transmite desde el cigüeñal del motor hasta la caja de cambios a través del embrague, a la salida del embrague va conectado el eje primario girando ambos de forma solidaria, de forma coaxial con el eje primario gira el eje secundario transmitiendo el par desmultiplicado hacia el grupo cónico diferencial, la trasmisión y desmultiplicación se da a través del eje intermedio.

La toma de velocidad se consigue por medio de sincronizadores, compuestos esencialmente por un conjunto montado en un estriado sobre el eje secundario, pudiéndose desplazar lateralmente en cierto recorrido, en dicho recorrido sobre el estriado el sincronizador acopla con los piñones que están girando locos sobre el eje secundario.

En la figura que se encuentra abajo se muestra el despiece de una caja de velocidades de tres ejes con los sincronizadores, de engranajes helicoidales.

Como se puede ver el funcionamiento de una caja de velocidades depende intrínsecamente de la combinación de engranajes, por ende del tamaño de su tamaño.

Para poder obtener diferentes relaciones el conductor debe accionar una palanca de cambios, por la cual se produce el desplazamiento de los diferentes sincronizadores que engranan con los piñones que finalmente generan el movimiento y entregan el par a las ruedas.

Punto muerto:

El punto muerto en la caja de cambios se presenta porque los sincronizadores no engranan con los piñones por lo cual no se puede producir el movimiento.

marcha atrás

3ª marcha

2ª marcha1ª marcha

4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.

1-1'.- Reducción Primario-intermediario.2-2'.- Reducción correspondiente a 1ª marcha.3-3'.- Reducción correspondiente a 2ª marcha.4-4'.- Reducción correspondiente a 3ª marcha.5-5'.- Reducción correspondiente a 4ª marcha.6-6'.- Reducción correspondiete a marcha atrás.7.- Piñón inversor.8.- Eje secundario estriado.9.- Eje intermediario liso.

Punto muerto

Primera velocidad:

Se produce por el desplazamiento del sincronizador de primera y segunda hacia la derecha, por lo cual produce el enclavamiento del piñón loco de primera velocidad

con el eje intermedio, lo cual proporciona un movimiento solidario. En esta velocidad se obtiene la máxima reducción de giro, por lo cual se aumenta el par y se disminuye la velocidad.

marcha atrás

3ª marcha


4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.


Punto muerto

Segunda velocidad:

Se logra haciendo que el sincronizador de primera y segunda se desplace hacia la izquierda, enclavándose allí para unirse con el eje secundario que se hace solidario con este eje. En esta velocidad se obtiene una reducción del par, por lo cual aumenta la velocidad.

marcha atrás

3ª marcha


4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.


Punto muerto

Tercera velocidad:

Se desplaza el sincronizador de tercera y cuarta, hacia la derecha produciendo el acoplamiento con el eje secundario que es solidario con este eje. Con este desplazamiento se reduce más el torque que en el caso anterior, aumentando más la velocidad.

marcha atrás

3ª marcha


4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.


Punto muerto

Cuarta velocidad:

Se desplaza el sincronizador de tercera y cuarta hacia la derecha, produciendo el acoplamiento de este eje con el eje secundario que se mueve solidariamente. En este caso no interviene el eje intermedio, al no existir intervención de dicho eje no se presenta una reducción en la velocidad, por ende se puede obtener la velocidad máxima transmitida por el motor y el par es mínimo.

marcha atrás

3ª marcha


4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.


Punto muerto

Marcha hacia atrás:

Con la selección de esta velocidad, el piñón de reenvío o engrane se desplaza hacia para acoplar con otros dos piñones que tienen la particularidad de que son piñones rectos, a diferencia de las otras velocidades. Estos piñones se engranan al eje intermediario y eje secundario respectivamente, con esto se consigue una nueva relación y se invierte el giro del eje secundario con respecto al eje primario.

marcha atrás

3ª marcha


4ª marcha

1

1' 23

4 5

6

9

7

8

6'5'4'

2'3'

1ª 2ª 3ª 4ª M.A.


Punto muerto

Los motores normales operan en un rango de entre 600 y 7000 revoluciones por minuto – siendo menor en los motores diésel - mientras que el régimen de giro de las ruedas está alrededor de 0 y 1800rpm. Para nuestro caso vamos a analizar la construcción de una caja de velocidades de un Renault 5-TL.

Marcha Z primario Z secundarioPrimera 12 44Segunda 17 38Tercera 24 35Cuarta 29 30Marcha atrás 13 42

Como conocemos la velocidad angular a la salida del embrague podemos determinar la velocidad angular en cada marcha, mediante la siguiente formula:

W salida=Wentrada∗Z primario

Z secundario

Para nuestro caso vamos a utilizar una velocidad de entrada de 2000 rpm, las velocidades de salida dependiendo de la marcha serán:

Primera: W salida=2000∗1244

=545,45rpm

Segunda:

W salida=2000∗1738

=894,73 rpm

Tercera:

W salida=2000∗2435

=1371,428 rpm

Cuarta:

W salida=2000∗2930

=1933,33 rpm

Marcha atrás:

W salida=2000∗1342

=619,04 rpm

De=M n( zcosβ

+2)

D p=De−2 Mn

H=2,167∗M

M c= Mcosβ

Pc=π∗Mcosβ

Pn=Mn∗π

Ph= π∗Dptanβ

Ph= π∗Dptanβ

J hel=6∗kPh

N= 1000∗Vcπ∗Dfresa

Por especificaciones técnicas, el módulo de los engranajes helicoidales es:

M=8,5 mm

Su ángulo de presión es igual a:

β=20 °

Por lo tanto los siguientes valores son iguales para los 8 engranajes helicoidales:

H=18, 18 mm

Pn=26,357 mm

Mc=8,928 mm

Pc=28, 04 mm

Para z=12

De=123,921 mm

Dp=107,141 mm

Ph=924,783 +/- 20 und

J hel= 48∗4072∗100

= ZconductoresZconducidos

¿Dc=8024

=3vueltas y8agujeros enel circulo de24

Para z=17

De=168,564 mm

Dp=151,784 mm

Ph=1310,12 +/- 20 und

J hel=24∗43248∗88


¿Dc=8034

=2vueltas y 12agujerosen el circulo de34

Para z=24

De=231,063 mm

Dp=214,283 mm

Ph=1849,57 +/- 20 und

J hel= 24∗40100∗72


¿Dc=4024

=1vuelta y 16agujerosen el circulo de24

Para z=29

De=275,705 mm

Dp=258,925 mm

Ph=2234,9 +/- 20 und

J hel= 24∗3272∗100


¿Dc=8058

=1vuelta y22agujeros enel circulo de58

Para los z secundarios tenemos:

Para z=44

De=409,631 mm

Dp=392,851 mm

Ph=3390 +/- 20 und

J hel= 24∗30102∗100


¿Dc=6066

=60vueltas y 66agujeros enel circulo de66

Para z=38

De=356,061 mm

Dp=339,281 mm

Ph=2928,48 +/- 20 und

J hel= 24∗32120∗100

=ZconductoresZconducidos

¿Dc=4038

=1vuelta y 2agujerosenel circulo de38

Para z=35

De=329,275 mm

Dp=312,495 mm

Ph=2697,28 +/- 20 und

J hel= 24∗32120∗72


¿Dc=3228

=1 vuelta y 4agujeros enel circulo de28

Para z=30

De=284,633 mm

Dp=267,853 mm

Ph=2311 +/- 20 und

J hel= 24∗2448∗116

=ZconductoresZconducidos

¿Dc=4030

=1vuelta y 10agujerosenel circulo de 30

Cálculo para los piñones cilíndricos rectos se utilizarán las siguientes fórmulas

M= Pπ

H 1=M

H 2=1,16 M

H=2,16M

E=π2

Dp=Z∗M

De=Dp+2 M

Di=Dp−2,32 M

¿Dc=KZ

Para z=13

P=26,357mm

H1=8,5mm

H2=9,86mm

H=18,18mm

E=1,57mm

Dp=109,07mm

De=125,85mm

Di=89,60mm

¿Dc=4013

=8026

3 vueltas + 2 agujeros en el círculo de 26

Para z=42

P=26,357mm

H1=8,5mm

H2=9,86mm

H=18,18mm

E=1,57mm

Dp=357mm

De=374mm

Di=337,28mm

¿Dc=4042

40 agujeros en el círculo de 42

Para z intermedio=22

P=26,357mm

H=8,5mm

H2=9,86mm

H=18,18mm

E=1,57mm

Dp=187mm

De=204mm

Di=167,28mm

¿Dc=4022

=12066

1 vuelta más 54 agujeros en el círculo de 66

http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios1.htm

http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios1.htm

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