SELECCION DEL TREN MOTRIZ DE VEHICULOS DE SERVICIOPESADO (CARGA Y PASAJEROS ) BASADA EN LA EFICIENCIAENERGETICA

RESUMEN

Entre los problemas que afectan a la economía del sector de autotransporte en México,especialmente en el transporte destinado al servicio pesado, está el de la baja eficiencia en elconsumo de combustible. No obstante la avanzada tecnología de que generalmente se vadisponiendo y adoptando en el parque vehicular con relación a la eficiencia energética, elcosto por tonelada transportada no ha disminuido de manera importante. En estedocumento se presenta la influencia que tiene la selección de los componentes del trenmotriz con el consumo de combustible y en la capacidad de ascenso del vehículo en relacióncon el peso de la carga transportada. Considerando los resultados de pruebas realizadas,con diferentes tipos de vehículos destinados al servicio de carga y de pasajeros, sedesarrolló un programa de computo basado en las pruebas reales de desempeño a que puedesometerse un vehículo buscando el régimen óptimo de economía del combustible. Elprograma permite a las empresas de transporte, seleccionar los componentes del tren motrizmás adecuado para cada vehículo teniendo en cuenta las operaciones a que deberá sujetarseen un determinado servicio.

Introducción

El transporte pesado en México utiliza vehículos que han sido seleccionados de maneratradicional, esto es, basada en la experiencia de los operadores, en preferencias personalesde los transportistas o en recomendaciones comerciales, esto ha provocado una deficienteoperación de los mismos; debido principalmente a la falta de conocimiento que existe en lostransportistas, en relación con el funcionamiento de los componentes del tren motriz en eldesempeño de la unidad, así como, su relación con el consumo de combustible y el peso dela carga transportada.

Una selección adecuada de los elementos que integran el tren motriz de la unidadprovocaran una correcta operación de las unidades de acuerdo con las características delservicio que prestan. Por lo que es necesario entonces, que el transportista cuente conelementos que le ayuden a seleccionar y analizar técnicamente el desempeño del tren motrizde los vehículos que tiene que adquirir, ya sea por renovación o por reposición de lasunidades.

Debido a que el procedimiento de selección del tren motriz no es un trabajo fácil de realizar,ya que cada mecanismos que lo integra se encuentra relacionado con los demáscomponentes, por lo que cualquier modificación que se realice en alguno de ellos afecta aldesempeño del tren motriz en su conjunto; además de que deben de cumplir con lareglamentación vigente para la operación de los vehículos. Esto hace de la selección unproceso que requiere de gran cantidad de tiempo para su realización; por lo que se vio lanecesidad de lograr que el proceso de selección fuera un proceso más rápido y confiable.

Como consecuencia de esto se diseñó y desarrolló de un programa de computo quepermitiera realizar la selección y evaluación del tren motriz, con los componentescomerciales que existen en nuestro país, tanto para un vehículo nuevo como para unousado, además de cumplir con la normatividad que existe en México para limitar velocidad,pesos y dimensiones.

El programa de computo que se desarrolló está basado en el cumplimiento de la prueba realde desempeño a que puede ser sometido un vehículo, esto es, cumplir con la capacidad dearranque en pendiente, con la capacidad de ascenso en pendiente y lograr la operación delmotor dentro del régimen óptimo de economía de combustible para reducir el consumo decombustible. La evaluación de los factores mencionados permite orientar al transportistasobre los elementos más adecuados para la selección o reconstrucción de los trenesmotrices de sus unidades que satisfagan sus necesidades. Es de hacer notar, que al inicio delas operaciones del servicio de transporte de lujo para pasajeros las primeras unidades quese importaron presentaron fallas en el tren motriz durante su operación, esto debido a queno se tomo en consideración que el tren motriz que constituía a dichos vehículos fueronseleccionados para condiciones geográficas diferentes a las de nuestro país.

Bases de la selección del tren motriz.

Los aspectos principales que se deben de tomar en consideración para el proceso deselección de los elementos del tren motriz un vehículo son:

El tipo de actividad: Define la naturaleza del transporte, esto es, si es de carga o depasajeros, y por lo tanto, permite establecer el peso bruto vehicular máximo que puedetransportar la unidad.

La ruta de operación más crítica: Este aspecto permite establecer los porcentajes dependiente ascendente máximos, ya que estos factores requerirán potencia adicional paraarrancar y superar las pendientes críticas, así como para vencer la resistencia al rodamientoen una carretera en malas condiciones (rugosidad y desgaste de la superficie de la carretera),lo que permite poner particular atención al desgaste de las llantas.

El desempeño del vehículo (performance): El desempeño del vehículo se ve afectadoprincipalmente por dos parámetros cuantitativos: el peso de la carga máxima que puedetransportar y la pendiente crítica por la que transitará que a su vez depende de la ruta deoperación. Conociendo estos parámetros se pueden determinar, de manera preliminar lapotencia máxima del motor y, por consiguiente, establecer los elementos que integrarán eltipo de vehículo y su tren motriz. Es importante considerar en la selección del tren motriz.la economía de combustible, siendo este quizá el factor preponderante en la selección de unvehículo para quien debe tomar la decisión en una empresa de transporte.

Potencia máxima de un motor: En la selección del tren motriz para mover una carga lapotencia máxima que proporciona un motor, aspecto de gran importancia, es un criterioinsuficiente, ya que no corresponde al mejor desempeño de la unidad particularmente en la

capacidad de arranque en pendientes (startability) o en la habilidad de ascenso enpendientes (gradeability).

Cumplimiento de la normatividad para la circulación o construcción de los vehículosen México: Este es un elemento clave para la selección del vehículo ya que se deben deobservar las normas vigentes en materia de pesos y dimensiones, de protección ecológica, yel acuerdo de velocidad máxima permitida, ya que estas pueden imponer algunasrestricciones de uso. Por ejemplo, el combustible Diesel Sin cumple en México y en losEstados Unidos con las normas ecológicas vigentes, pero las empresas mexicanas estánexpuestas a las rigurosas normas de los Estados Unidos sobre el ruido de los automotores,lo que podría impedir su operación internacional.

Selección del tren motriz. El tren motriz es un sistema dinámico en el que los elementosestán íntimamente relacionados, lo que hace difícil su selección, en el programa que sedesarrolló para la selección y evaluación de trenes motrices se tomó en cuenta la eficienciaenergética de la unidad. En donde la transmisión es el elemento clave para cumplir concaracterísticas tales como:

- Capacidad de arranque en pendiente (startability).- Capacidad de ascenso en pendiente (gradeability).- Velocidad adecuada de operación.- Aceleración.- Capacidad de carga.

Esto debido a:

- La velocidad óptima de operación del vehículo, permitida por la reglamentación,debe alcanzarse dentro del rango de mínimo consumo específico de combustible delmotor. El análisis de patrón de cambios de velocidades [shift pattern], se realiza através del diagrama de velocidades con el fin de observar el comportamiento de latransmisión, esto es, todos los cambios de engranes de la transmisión se debenrealizar dentro del rango de mínimo consumo específico de combustible del motor.

- La transmisión influye directamente sobre la capacidad de arranque en pendiente delvehículo, debido a la relación de paso del primer engrane o marcha, una relación depaso con un valor numéricamente bajo tendrá como consecuencia baja capacidad dearranque, lo cuál es importante de considerar para el desempeño de la unidad enterreno montañoso tal como el de las sierras.

- Otra característica asociada con la transmisión es la capacidad de ascenso delvehículo en pendiente, ya que una transmisión mal seleccionada cuando la unidad seencuentra a su máxima capacidad de carga, puede hacer que el régimen del motordisminuya al grado de no permitir el avance del vehículo.

De lo anterior se infiere que el elemento que proporciona las características de operaciónmás importantes del vehículo es la transmisión, por esta razón se le considera como base dela selección en el algoritmo desarrollado.

Algoritmo para la selección del tren motriz

El algoritmo de selección del tren motriz se presenta en el diagrama de flujo de la figura 1.

Entrada de datos

El primer paso es proporcionar el tipo de vehículo, el peso bruto vehicular, tipo de camino,esto se refiere a la altura sobre el nivel del mar y la pendiente máxima a transitar. Dandolugar a la primera selección del vehículo tomando en cuenta el reglamento de pesos ydimensiones, determinando el número de ejes y el número de llantas. El peso bruto vehicularque exceda las disposiciones establecidas en el reglamento es rechazado.

Selección de llantas

Con la primera selección del vehículo el programa selecciona el tamaño de las llantas,considerando la capacidad de carga de las mismas, su número y el peso bruto vehicular. Elmodelo toma en cuenta que cada una de ellas soporta un peso igual al de las restantes, y quesólo estará cargada el 80% [8], de su capacidad de carga con el fin de prolongar su vidaútil.

Selección de la transmisión

La transmisión se selecciona de acuerdo al peso bruto vehicular de la unidad considerandoel torque nominal de entrada de esta transmisión, la cual se selecciona de una base de datosdenominada “transmisión”.

Selección del motor

El motor se selecciona de acuerdo a la capacidad torsional de la transmisión y su potenciadebe ser mayor a la potencia estimada, la cual se determina tomando en consideración

PBVSPe 033.2¨03.12 += (1)

donde:

Pe = Potencia estimada.

S = Superficie frontal del vehículo.

PBV = Peso Bruto Vehicular.

Selección del diferencial

Con la ecuación 2 se calcula el paso del diferencial, el resultado de esta fórmula proporcionauna relación de paso cercana a las comerciales, que puede utilizarse para alcanzar la máximavelocidad permitida, dentro del área de mínimo consumo específico de combustible.

V rPu

RcmCllPd 1000

)200(60 += (2)

donde:

Pd = Relación de paso del diferencial.

Cll = Circunferencia de la llanta.

Rcm = Régimen de consumo mínimo de combustible del motor.

Pu = Relación de paso del último engrane de la transmisión.

Vr = Velocidad reglamentaria de circulación.

Capacidad de arranque

La capacidad de arranque se expresa en porcentaje y el óptimo se considera de 25% cuandoel motor esta a torque maximo debido a las condiciones geográficas del país; en caso de nocumplir con este criterio se selecciona una nueva transmisiòn para cumplirlo y se inicia otrociclo.

Al cumplirse el criterio de capacidad de arranque, se procede a evaluar la potencia dereserva del motor de acuerdo a la norma SAE J688, si la reserva es igual a cero iniciara otrociclo.

Capacidad de ascenso

El criterio de capacidad de ascenso se fija en 30%, de acuerdo a información proporcionadapor fabricantes de motores, en caso de no cumplir este criterio se selecciona un motor demayor potencia para iniciar otra iteración.

Resultados

Los resultados se presentan en forma de gráficas con el fin de facilitar su interpretación.Las gráficas mencionadas son el diagrama de velocidades y la gráfica de capacidad deascenso. Así como el listado de las características del vehículo y del tren motrizseleccionado

Se muestra a manera de ejemplo en la figura 2, el patrón de cambio de velocidades cuandose realizan dentro de la zona de mínimo consumo específico de combustible, de un vehículo

con 36 320 kg de PBV con la siguiente configuración del tren motriz: motor Cummins NTC400, transmisión: TSP 1414 A, diferencial: Eaton de 5.29, llantas: Goodyear 11.00 R22; esde hacer notar que para efectos de eficiencia energética el modelo de la transmisión no es laadecuada para un manejo con economía de combustible, ya que no todos los cambios caendentro de régimen de consumo mínimo localizado entre las 1400 rpm y 1800 rpm (zonaverde) del motor.

En la figura 3, se muestra la gráfica de capacidad de ascenso del mismo vehículo y en ella seobserva como disminuye la capacidad de ascenso conforme aumenta la velocidad delvehículo para el mismo tren motriz.

COMENTARIOS

Una selección técnica de los vehículos y en particular del tren motriz, conlleva a unconjunto de beneficios significativos para cualquier empresa de autotransporte, sobre todosi pretende adquirir diversas unidades. Además de las economías potenciales que se puedenalcanzar en materia de ahorro de energía, el margen de utilidades al que contribuye esimportante, porque permite financiar la adquisición de nuevas unidades para renovar oampliar el parque vehicular y así expander las operaciones de la empresa. Sin embargo, elconjunto de estos beneficios sólo se pueden mantener cuando la empresa practica unapolítica sistemática de selección vehicular sustentada técnicamente, con el apoyo deherramientas sencillas en proceso.

El programa diseñado en el Instituto Mexicano del Transporte permite seleccionar el trenmotriz para un vehículo nuevo, considerando los aspectos legales y técnicos que afectan laselección de vehículos, facilitando la tarea de selección y reduciendo el tiempo invertido enella.

El programa permite al transportista realizar modificaciones a las bases de datos de acuerdocon sus necesidades y evaluar el desempeño de un tren motriz existente en sus unidades, yauxiliar al transportista en la reconstrucción de trenes motrices, si así se requiere.

INICIO

DATOS

SELECCIONA LLANTAS

SELECCIONA TRANSMISION

CALCULA LA POTENCIA ESTIMADA

SELECCION DEL MOTOR

SELECCION DEL DIFERENCIAL

¿CUMPLE VELOCIDAD MAXIMA ?

SI

CALCULA LA CAPACIDAD DE ARRANQUE

¿CUMPLE CRITERIO DE CAPACIDAD DE ARRANQUE?

SI

CALCULA LA RESERVA DE POTENCIA

¿CUMPLE RESERVA DE POTENCIA?

SI

CALCULO DE LA CAPACIDAD DE ASCENSO

¿CUMPLE CAPACIDAD DE ASCENSO

SI

GRAFICA: DIAGRAMA DE VELOCIDADES

DIAGRAMA DE CAPACIDAD DE ASCENSO

FIN

Figura 1. Algoritmo de selección.

Figura 2. Diagrama de velocidades con el patrón de cambios de velocidad en elregimen de mínimo consumo de combustible del motor.

Figura 3. Diagrama de capacidad de ascenso para el vehículo con un tren motriz de:motor Cummins NTC 400, transmisión; TSP 1414 A, diferencial; Eatonpaso 5.29 y llantas; Goodyear 11.00 R22