Construcción de Vehículos I Diseño en una caja de velocidades mecánica.

Construcción de Vehículos I

Diseño en una caja de velocidades mecánica

Determinación de las relaciones de velocidad

Aspectos a considerar en el diseño de un tren motriz

1. Tipo de vehículo2. Dimensiones del motor (potencia, torque, rpm)3. Tipo de tren motriz (FFWD, FRWD, RRWD, 4WD, AWD)4. Arquitectura del motor (motor transversal, longitudinal).5. Dimensiones de la rueda6. Fuerza máxima de tracción en las ruedas7. Velocidad tangencial máxima en las ruedas o velocidad del

vehículo


Transmisión de potencia en un tren motriz

Ing. Hugo L. Agüero Alva

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

Eficiencia en un sistema de transmisión


Diagrama de Resistencias VS velocidad

Determinación de las relaciones de velocidadPotencia absorbida por la resistencia a la rodadura,

según la fórmula de Andreu


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.)

3) Definir la colocación de los trenes de engranajes.

4) Definir el esquema cinemático de la caja de velocidades

Aspectos a considerar en el diseño de una caja de velocidades


- 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

rpm del motor

v

n


- El rango de velocidades es función de: * La potencia del motor * La elasticidad del motor * La aplicación del vehículo

- En cualquier caso, la caja sólo va permitir mover al vehículo en la hipérbola teórica, como máximo.


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.

Elección de la 1ra. velocidad


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: .cos . 0,015 cof G x s(8,53 ) 2000 29,67 -

15Resistencia debida a la pendiente: . 2000 300

1002000 0,5

Fuerza necesaria para la aceleración: . 100 10

El esfuerzo total a aplicar en las ruedas es igual

o x kg f

G sen x kg f

xF m a kg f

a: 429,67 kg

El par resistente en las ruedas es igual a: 429,67 x 0,32m= 137,49 k.m

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


Si el motor entrega =13 kg.m,

Siendo la multiplicación total en el sistema de transmisión:

.

La relación total en 1ra será:

137,49 kg.m13,225 :1

0,80x13 kg.mI

m

rtr

m

tr

M

Mi

M

i


Para el mismo vehículo:

Cálculos:

Resistencia a la rodadura: .cos . 0,015 cos(14,04 ) 2000 29,10 -

Resistencia debida a la pendiente: . 2000 (14,04 ) 485,20

El esfuerzo total a aplicar

o

o

f G x x kg f

G sen xsen kg f

en las ruedas es igual a: 514,3 kg

El par resistente en las ruedas es igual a: 514,3 x 0,32m= 164,58 k.m

La relación total en 1ra será:

164,58 kg.m15,825

0,80x13 kg.mItri

Caso 2: Que el vehículo supere una pendiente del 25%, en 1ra velocidad


( / )

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:

. 0,32 60000,377 0,377.

u

r mmáx km h

tr t

r n xV

i i

0,377 0,32 60003,45

210

u

u

r

tr

x xi

Caso 3: Que el vehículo alcance una velocidad máxima determinada


- 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 relaciones, mayor suavidad y progresividad de cambio. de un MCI

Selección de las relaciones intermedias


- 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).

1 max

max

n N

n M

i n

i n

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.

Cálculo


Método del escalonamiento geométrica

Implica que todas las relaciones tienen la misma importancia, es decir, las diferencias con la hipérbola teórica son las mismas para todas las marchas

max 1

max

( ).

donde:

, la relación de velocidad determinada

, número de relaciones de la caja

N Ztotal

M

Z nn z

ni

n

i i

n

Z


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.

Ejemplo

max

max

( )

(4 3) (4 3)

(4 2) (4 2)

(4 1) (4 1)

(4 5) (4 5)

60001,5

4000

De la fórmula

.

1

. 1 1,5 1,5 :1

. 1 1,5 2,25 :1

. 1 1,5 3,375 :1

. 1 1,5 0,667 :1

N

M

Z nn z

IV

III IV

II IV

I IV

V IV

n

n

i i

i

i i x

i i x

i i x

i i x


Método del escalonamiento progresivo

Existe un nuevo salto que define la progresividad del escalonamiento.

11 0,5( 1)( 2)2

( ) 0,5( )( 1)1 2

1

2

1.

. .

donde:

, la relación de velocidad determinada

, número de relaciones de la caja

1,1 1,7

1 1,2

Z totalZ Z

Z n Z n Z nn z

i

i i

n

Z

a

a

2


'Las relaciones , ...... pueden representarse en el siguiente gráfico

v v

n n

Diagrama de velocidades


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%).

Curvas de utilización

Curva de utilización de un vehículo en toma directa

(E= excedente de potencia en terreno horizontal)

, Potencia del motor

, Potencia en las ruedas

0,85

j

j

P

P

P P


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

Método de las potencias

Curva de utilización de un vehículo equipado con caja de 4 velocidades

Esquema de caja de velocidades de tres ejes

Esquemas cinemáticas

Esquema cinemática de la caja de cambios de cinco velocidadesEsquema cinemática en caja de tres ejes

Esquema de caja de velocidades de dos ejes

Esquema cinemática de la caja de cambios de 5 velocidadesEsquema cinemática en caja de dos ejes

Caja de 5 velocidades en transejesEsquema de funcionamiento de caja de dos ejes

Caja de 6 velocidades en transejes

En algunos vehículos, la 6ta velocidad se logra añadiendo dos nuevos piñones que suelen situarse en la prolongación del primario y secundario.

Esquema cinemática en una caja de 6 velocidades de doble de salidaEsquema cinemática en caja de tres ejes

Curvas características del motorZona de auto regulación o velocidad de régimen

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