CAJAS de CAMBIOS Power Shift Equipos Pesados
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Teoría de Funcionamiento
¿Por qué se necesita una caja de
cambios Bueno, la caja de
cambios se hace necesaria porque
un motor por sí solo no basta. El
trabajo que se realiza con la
maquinaria de construcción
requiere tanto velocidades altas
como bajas, pero en cada
velocidad el par motor tiene que
ser suficiente.
El problema está en que un motor
sólo da realmente potencia en una
gama determinada de
revoluciones por minuto (r.p.m)
Si el motor funciona por debajo
de dicha gama no tendrá la
potencia necesaria. Se podría
construir un motor con un par
enorme en una gama amplia de
r.p.m. pero tendría que ser tan
grande ....
...que se necesitaría un King-
Kong para operarlo. Por esta
razón, se utiliza una caja de
cambios con la que se mantiene el
motor a las r.pa.m. apropiadas,
realizando así un trabajo que de
otra manera sería o demasiado
lento o demasiado rápido para ese
motor. La caja de cambios es lo
que da la flexibilidad necesaria
para trabajar a diversas
velocidades.
Entonces, ¿qué es una caja de
cambios?
Es un conjunto de engranajes y
ejes que transmiten la energía del
motor a las ruedas de tracción de
la maquinaria.
En primer lugar, no hay que
tener trabajando constantemente
la máquina mientras el motor
esté funcionando. Basta poner la
caja de cambios en punto muerto
para que el motor siga girando
aunque la maquinaria esté
totalmente parada.
En segundo lugar, cuando son
grandes la potencia y el par
motor que se necesitan, como
por ejemplo, para subir algo
pesado, se tiene una relación de
desmultiplicación elevada en la
caja de cambios. Esta elevada
relación de desmultiplicación es
lo que se denomina,
comúnmente, primera velocidad.
Y, finalmente, cuando se necesita
velocidad se tiene una relación
de desmultiplicación baja o
marcha directa.
Hay todo tipo de cajas de
cambio. Existen los tipos de
engranajes de desplazamiento
sincronizado, en los que estos
engranajes son deslizantes y el
embrague es mecánico de
fricción.
Las cajas de cambio “Power-
Shift” son parecidas a una caja de
cambios automática, en cuanto
que los engranajes están
constantemente engranados y la
potencia procede de un
convertidor de par. Pero en lugar
de cintas de embrague de este
tipo, lleva discos de embrague
que acoplan las velocidades, y
estos embragues hidráulicos no se
activan como ningún tipo de
regulador mecánico, sino que son
accionados por el propio
conductor.
De aquí se deduce que, si se
entienden estos embragues
hidráulicos de disco, se tendrá un
conocimiento bastante bueno de
lo que es, en general, una
transmisión “Power shift”.
Tenemos también la caja de
cambios automática, que utiliza
un fluido hidráulico para
accionar las cintas de embragado.
En este tipo de caja de cambios,
los engranajes no deslizan, sino
que están siempre engranados.
Un regulador controla la
velocidad y la carga y dirige el
aceite hidráulico a aquellas cintas
de embrague que proporcionan la
mejor relación de
desmultiplicación para el trabajo
que se está realizando. Para
suavizar el proceso, este tipo de
transmisión toma su potencia de
un acoplamiento hidráulico.
Este es un juego de engranajes
planetarios. El portaengranajes
va conectado al eje de salida del
convertidor de par. Cuando la
máquina tiene carga, el
portaengranajes y el eje de salida
reducen su velocidad. Esto da
comienzo al movimiento relativo
de los engranajes del juego de
engranajes planetarios.
Divisor de par:
El divisor de par es casi idéntico al convertidor de par. La diferencia
es que el divisor de par tiene un juego de engranajes planetario que
multiplica aún más el par cuando la demanda lo requiere.
Cuanto mayor sea la carga impuesta
sobre la máquina, mayor será el
movimiento relativo del juego de
engranajes planetarios
correspondiente al divisor de par.
Esto aumenta cada vez más la ventaja
mecánica. Comprenderá mejor esto
después de leer la próxima sección,
Servotransmisiones Planetarias.
El divisor de par se utiliza sólo en las
máquinas más grandes porque éstas
requieren mayor par para operar. Esto
se debe a que el divisor de par puede
proporcionar impulsión de
convertidor de par cuando se
necesita, y conexión mecánica
adicional cuando la operación lo
requiere.
Tomemos como ejemplo un
tractor grande de cadenas que
cargue por empuje una traílla de
gran capacidad, en donde un
aumento rápido de par facilitaría
la carga en el momento en que la
traílla entra en el corte. Otro
ejemplo es un tractor grande de
cadenas en una aplicación de
desgarramiento de roca, en donde
se requiere también un aumento
en la multiplicación de par.
Durante la marcha a velocidad de
trabajo el impulsor solo gira un poco
más que la turbina. Sin embargo, debe
girar más rápidamente a fin de que
continúe descargando aceite y aplique el
par a los alabes de la turbina. Esta
diferencia de velocidad, o de rpm,
representa una pérdida de potencia. Por
esta razón se están introduciendo
algunas cajas de cambios que tienen un
convertidor de par con enclavamiento.
Es decir, cuando el equipo alcanza la
velocidad de trabajo, el convertidor se
enclava. De esto resulta mayor
economía de combustible. Además el
aceite de la caja de cambios no se
calienta en este modo de enclavamiento.
El embrague de traba se conecta a
aproximadamente 7,2 km/h (4,5
mph) (Dependiendo del modelo).
Durante los cambios el embrague
de traba se suelta rápidamente y
vuelve a conectarse para reducir
las cargas de torsión del tren de
fuerza. Dicha operación hace
posibles cambios más suaves,
prolonga la duración de los
componentes y brinda más
comodidad al operador.
El avance, el retroceso y los
cambios de velocidad se
obtienen engranando
mecánicamente diferentes
“trenes” de engranajes en ejes
paralelos. Los engranajes
transmiten y modifican la
fuerza de impulsión. Un tren
de engranajes consta de una
serie de engranajes que van
conectados o engranados.
El engranaje impulsado hace
girar un eje impulsado (conocido
como el eje de salida). El
engranaje impulsado lo hace
girar el engranaje impulsor del
tren de fuerza. Como puede ver,
el engranaje impulsor y el
engranaje impulsado giran en
dirección opuesta.
En algunos casos, un engranaje
impulsor y un engranaje
impulsado están demasiado
separados para engranar. En
otros, el engranaje impulsor y el
engranaje impulsado deben girar
en la misma dirección. En estos
casos se coloca una rueda guía
entre el engranaje impulsor y el
engranaje impulsado. Se usa una
rueda guía para cambiar la
dirección de rotación del eje
impulsado (o de salida).
Un tren de engranajes consta de un engranaje impulsor, el engranaje
más pequeño a la izquierda, el cual lo hace girar un eje impulsor
(conocido como eje de entrada). El engranaje impulsor hace girar el
tren de engranajes en el que se encuentra.
Esta es la forma en que puede
usarse un tren de engranajes para
hacer cambios de velocidad.
El engranaje impulsor (el
engranaje más pequeño a la
izquierda) tiene doce dientes. El
engranaje impulsor engrana con
un engranaje impulsado (el
engranaje más grande a la
derecha) de veinticuatro dientes.
Si el engranaje impulsor gira una
rotación completa, cada uno de
los doce dientes engrana y hace
girar doce dientes del engranaje
impulsado.
Esto hace que el engranaje impulsado
haga un medio giro. Por lo tanto, el
engranaje impulsor de doce dientes
debe girar dos veces para que el
engranaje impulsado más grande de
veinticuatro dientes haga un giro
completo. El engranaje impulsor gira
dos veces más rápido que el engranaje
impulsado. Dicho de otra forma, el
engranaje impulsado de veinticuatro
dientes gira más lentamente que el
engranaje impulsor de doce dientes.
Por esto, este tren de engranajes se
lo llama tren de engranajes reductor
de velocidad.
Si el engranaje impulsor gira una vez (hace un giro completo), los
doce dientes de este engranaje empujan doce dientes del engranaje
impulsado.
Por otra parte, supongamos que el
engranaje más grande de
veinticuatro dientes se torna en
engranaje impulsor (ilustración
anterior). Mientras el engranaje
grande gira una vez, el engranaje
pequeño de doce dientes (que
ahora es el engranaje impulsado
gira dos veces. Este tren de
engranajes es ahora un tren de
engranajes de aumento de
velocidad.
Principios de cambios de sentido
de marcha:
El cambio de neutral a avance
requiere el engrane de un tren de
engranajes doble - un engranaje
impulsor y uno impulsado. El
engranaje impulsor estriado engrana
con el ese de entrada. El eje de
entrada gira siempre en la misma
dirección que el volante del motor.
Como queremos avanzar, querernos
que el eje de entrada y el eje de
salida giren en dirección opuesta.
Como puede verse en la ilustración
anterior, el engranaje impulsor (en
el eje de entrada) y el engranaje
impulsado (en el eje de salida) giran
en dirección opuesta.
Como queremos retroceder,
queremos que el eje de salida,
al cual el manguito del engranaje
impulsado engrana con estrías,
gire en la misma dirección que
gira el eje de entrada. En la
ilustración anterior, puede ver el
engranaje impulsor (en el eje de
entrada) y el engranaje
impulsado (en el eje de salida)
girando en la misma dirección.
Ahora, el cambio de neutral a retroceso requiere el engrane de un
tren de engranajes de tres engranajes - el engranaje impulsor
(nuevamente en el eje de entrada), el engranaje de la rueda guía y el
engranaje impulsado (nuevamente en el eje de salida)
Recuerde, utilizamos el engranaje de la rueda guía para cambiar la
dirección de rotación del eje de salida. .
Además, al conectar un portador al juego de
engranajes planetarios, conecta estos a un eje.
Para cambiar la dirección de rotación,
colocamos una rueda guía entre el piñón y el
engranaje. Esto se puede explicarse mejor si nos
referimos a nuestro sistema solar. Como usted
sabe, los planetas giran alrededor del sol. Un
sistema de engranajes planetarios opera de la
misma forma, pero cambiando los términos.
Hablemos ahora de las servotransmisiones planetarias.
Principios de los engranajes planetarios:
El juego básico de engranajes estándar consta de un engranaje y un
piñón. Sin embargo, se requiere menos espacio en una transmisión
si se utilizan engranajes de dientes internos o engranajes
planetarios, en vez de engranajes de dientes externos. Esto se debe a
que el piñón puede estar dentro del engranaje planetario.
El piñón es el sol (el engranaje
central en la ilustración anterior).
El engranaje de la rueda guía es el
engranaje planetario (en este caso,
se ven cuatro engranajes de rueda
guía que se mueven alrededor del
centro, o sol). Y, el portador es el
portasatélites.
Cada servotransmisión planetaria
tiene juegos de engranajes
planetarios. Esta es la manera en
que se obtienen las diferentes
combinaciones de velocidad, par y
sentido de marcha.
Los engranajes planetarios y/o los
portasatélites de estos juegos de
engranajes planetarios están
fijados (o sujetos) por embragues
hidráulicos. A continuación se
explica el procedimiento
específico:
La presión del aceite es lo
suficientemente alta para mover
el pistón, forzar los discos de
fricción a que se junten con los
platos del embrague, vencer la
fuerza de los resortes y trabar
los platos del embrague con los
discos de fricción (3). Los
discos estriados engranan con el
engranaje planetario (4). Al
activarse el embrague
hidráulico, éste junta los platos
del embrague (5) con los discos.
Esto evita que giren los discos.
Las válvulas de control hidráulico de la transmisión dirigen el aceite
bajo presión en una cavidad (1) detrás de la cara de un plato de
presión (2). En realidad, este plato de presión es un pistón circular.
Note que los platos del embrague
están sujetados por pasadores de
reacción. Los platos del
embrague nunca giran. Cuando se
juntan estos platos, se detienen
los engranajes planetarios.
Para desengranar el embrague,
hay que interrumpir el flujo de
aceite a presión al pistón. Esto
hace que el pistón se retraiga.
Cuando esto sucede, los discos de
fricción ya no están trabados con
los platos del embrague. Los
discos girarán ahora
independientemente de los platos.
Esto es lo que sucede cuando un
operador hace cambios de
velocidad y de sentido de marcha
en una máquina durante la
operación. Como indicamos
anteriormente, el operador
conecta y desconecta los
embragues para obtener las
diversas combinaciones de
velocidad, par y sentido de
marcha.
Piezas que se desgastan con
mayor rapidez y se reemplazan
con mayor frecuencia:
Las piezas que se desgastan con
mayor rapidez en cualquier
servotransmisión son los
cojinetes y los sellos. Además...
Otros discos de embrague utilizan discos
de bronce sinterizado, y otros son de
celulosa. Todos estos materiales se
desgastan. Los platos de presión del
embrague también se desgastan. En
algunos casos, estos se puede pulir. Pero,
si el desgaste ha sido demasiado, habrá
que reemplazarlos. Uno de los principales
factores que acelera el desgaste es la
contaminación. Examinemos el desgaste
que causa la contaminación.
Los discos de fricción del embrague (a la izquierda), así como los
platos de presión del embrague (los platos de acero a la derecha)
también se desgastan. Algunos discos de sentido de marcha del
embrague se fabrican de un compuesto de goma, como el de la
izquierda en la ilustración. Este material tiene cualidades superiores
de absorción de calor y energía.
Toda clase de contaminación
taponará con el tiempo los
orificios del sistema hidráulico y
reducirá la presión de engrane del
embrague. En este momento,
debido a la baja presión de aceite,
el pistón ya no ejerce suficiente
fuerza para superar la inercia de
los discos y de los platos, y la
presión de los resortes para
mantener juntos los discos y los
platos.
• El resultado es calor y fricción
causados por el patinaje de los
discos y platos.
• La fricción hace que los platos se
calienten y se alabeen. Esto hace que
los platos y los discos hagan
contacto sólo en los puntos más
altos.
• En estos puntos altos, el material
de fricción se desprende de los
discos y contamina aún más el
sistema. Se acelera el desgaste.
• La contaminación causará el
desgaste de los cojinetes. Esto puede
dar lugar a que se desgasten los
juegos de engranajes planetarios y,
finalmente, los costosos
portasatélites.
Una caja de cambios Power shift no es más que una serie de estos
embragues que blocan entre sí engranajes y ejes para seleccionar
diferentes relaciones de desmultiplicación o el punto muerto. Esta
caja de cambios Power shift tiene un embrague para cada una de las
velocidades, más otro para marcha adelante y un último para marcha
atrás. Es decir, una caja de cambios de seis velocidades tiene un total
de ocho embragues hidráulicos.
En cualquier momento en que
el vehículo se esté moviendo
estarán acoplados dos de los
embragues: el embrague de
marcha adelante o el embrague
de marcha atrás, y uno de los
embragues de las seis
velocidades.
Estos embragues se accionan
mediante un dispositivo
denominado válvula de mando
de la caja de cambios, la cual va
montada en la parte superior del
cárter de la caja de cambios. Esta
válvula de mando realiza dos
funciones controla la presión del
aceite sobre los embragues y
permite o impide que el aceite
fluya hacia los diferentes
embragues...
...como si fuera un policía de
tráfico que dirige el aceite por un
camino y detiene el paso del que
quiere ir por otro camino.
Empecemos por explicar cómo la
válvula regula la presión.
El aceite se bombea hacia la
válvula mediante una bomba de
engranajes, algunas veces
denominada bomba de carga del
convertidor. Pero los embragues
sólo trabajan correctamente
cuando lo hacen dentro de un
margen limitado de presión.
La válvula reguladora de presión consiste en una corredera de
acero templado que se desplaza muy ajustada en un orificio. El
aceite que entra en la caja de cambios procedente de la bomba de
carga tiene que pasar por la válvula reguladora. Después de salir de
esta válvula, el aceite accionará un embrague de velocidad y ahí se
para. Al detenerse en el embrague el flujo del aceite aumenta la
presión y el aceite fluye por un conducto que hay detrás de la
corredera, obligando a ésta a moverse contra el muelle.
A medida que la
corredera se desplaza,
va abriendo una
lumbrera que permite
que el exceso de aceite
cargue al convertidor
de par. Todo esto
ocurre en una fracción
de segundo.
El muelle que mantiene la tensión
contra la corredera es lo que
regula la presión del embrague en
la caja de cambios.
Para accionar los diferentes
embragues se utilizan elementos
muy similares.
Después de haber pasado el
aceite por la corredera del
regulador de presión, se dirige
hacia la corredera de marcha
adelante/marcha atrás. Cuando la
corredera se encuentra en la
posición que muestra la figura,
se acciona el embrague de
marcha adelante.
Inmediatamente al lado se
encuentra la corredera que
determina la primera, segunda,
tercera, y siguientes velocidades.
...o cuarta. Y similarmente para las
otras velocidades. Y como la
corredera de marcha
adelante/marcha atrás es
independiente de la corredera de
selección de velocidad, se puede
tener cualquiera de estas
velocidades, tanto en marcha atrás
como en marcha adelante.
Observamos, por tanto, que en
una válvula de mando de caja de
cambios intervienen,
básicamente, tres correderas.
En primer lugar, la corredera que
regula la presión.
Después la que nos determina la
marcha adelante o la marcha
atrás.
Y, por último, la que selecciona la
velocidad.
En los manuales de taller hay
diagramas más detallados en los
que se explican los circuitos de
potencia de las distintas
transmisiones Power shift.
El diagrama ilustra el
aumento gradual de la
presión de la transmisión
modulada.
Y la figura, la valvula
moduladora.
Bueno, esto es todo. Una
transmisión Power shift no es otra
cosa que una serie de embragues
que blocan entre sí, engranajes y
ejes para seleccionar diferentes
relaciones de desmultiplicación y
las marchas adelante y atrás.
Y esta selección se lleva a cabo
por medio de la válvula de
mando de la caja de cambios que
dirige el aceite a cualquiera de
los embragues que seleccione el
conductor.
