Informe análisis de caja de cambios PDF

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este es un informe donde se muestra detalladamente los pasos a seguir para poder calcular y analizar una caja de cambios ....

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CARRERA: Ingeniería mecatr INFORME# TÍTULO: análisis de caja de cambios DESARROLLO

A: mecánica de materiales

Resumen En este documento se realizará un análisis sobre la caja de cambios de un automóvil la cual es una caja metálica (fundición o aluminio), en cuyo interior se hallan dispuestos grupos o pares de engranajes, que se hacen actuar mediante un comando exterior, estableciéndose diferentes reducciones o desmultiplicaciones de velocidad. La caja de cambios, también conocida como caja de velocidades es, por tanto, un componente imprescindible del sistema de transmisión del vehículo. Su función es hacer de intermediaria entre el cigüeñal y las ruedas de manera que éstas obtengan siempre el par motor necesario para desplazar el vehículo subiendo y bajando la cantidad de revoluciones para sacarle el mayor partido posible al motor de nuestro vehículo. Además, realizaremos un análisis de los elementos que componen una caja de cambios y su funcionamiento. Palabras Clave: engranaje, caja de cambios, cigüeñal, sistema de transmisión, motor. I.

INTRODUCCIÓN

La “caja de velocidades o de cambios” del automóvil, es una caja metálica (fundición o aluminio), en cuyo interior se hallan dispuestos grupos o pares de engranajes, que se hacen actuar mediante un comando exterior, estableciéndose diferentes reducciones o desmultiplicaciones de velocidad. Permitiendo adaptar el funcionamiento a todas las condiciones de tracción impuestas por el vehículo en diferentes circunstancias [3].

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Figura 1. Caja de cambios [3] La función de la CDV es la de aprovechar al máximo el rendimiento del motor; para ello es preciso que el giro del motor se realice entre los valores comprendidos de par máximo y potencia máxima. Si no se dispusiera de la CDV, las RPM del motor se transmitirían íntegramente a las ruedas, con lo que el par desarrollado por el motor debería ser igual al par resistente en las ruedas. Así pues, tanto habría que aumentar la potencia del motor, en cualquier circunstancia de marcha, como lo hiciera el par resistente, contando para ello con un motor de una potencia tal que fuera capaz de absorber los diferentes regímenes de carga. Como no se dispone de motores que cubran la anterior circunstancia, se colocan en los vehículos la CDV, con el fin de obtener el par motor necesario en las diferentes condiciones de marcha, aumentando el par y disminuyendo el número de revoluciones de las ruedas. [3]

Figura 2. Descripción de la caja de cambios [3] 1.1. Tipos de cajas de cambios Existen 4 tipos de cajas de cambios que abarcan desde las manuales que llevan la mayoría de los Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

vehículos hasta la caja de cambios de variación de continua. Cada vez son más los vehículos que llevan una caja de cambios automática y la tendencia del mercado es seguir investigando en ese campo [4].  Caja de cambios manual: Son las más habituales y suelen tener tres ejes. Un eje primario recibe el par del motor a través del embrague y lo transmite a un eje intermediario. Su principal diferencia con el resto de cajas es que no puede alterar por sí misma la transmisión, debe ser el conductor a través de la palanca de cambios.  Caja de cambios pilotada o robotizada: Estas cajas automáticas presentan un control electrónico para el embrague y la caja de cambios. El modelo más habitual es el de dos embragues, uno para las relaciones impares y otro para las pares. Este tipo de caja de cambios automática es la más extendida a día de hoy por su bajo coste con respecto a sus rivales.  Caja de cambios automática con convertidor par: Caja automática que tiene un convertidor que comunica la caja de cambios con la transmisión. Los coches con caja de cambios DSG ahorran un 10% de combustible frente al resto y se cree que la industria apostará por ellos cada vez más.  Caja de cambios con variación continua: Aunque en ciclomotores son muy frecuentes, pocos son los automóviles que llevan una caja CVT. Tiene un controlador electrónico y caja automática. II.

ANÁLISIS DE LA CAJA DE CAMBIOS MANUAL

1ª velocidad. - El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la derecha, produce el enclavamiento del correspondiente piñón loco (I) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose la oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene la máxima reducción de giro, y por ello la mínima velocidad y el máximo par [6].

Figura 3. Caja de cambios 1ª velocidad [6]

2ª velocidad. - El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la izquierda, produce el enclavamiento del correspondiente piñón loco (J) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose la oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye.

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Figura 4. Caja de cambios 2ª velocidad [6] 3ª velocidad. - El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la derecha, produce el enclavamiento del correspondiente piñón loco (H) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose la oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye.

Figura 5. Caja de cambios 3ª velocidad [6]

4ª velocidad. - El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la izquierda, produce el enclavamiento del correspondiente piñón de arrastre o toma constante (B) del eje primario, que se hace solidario con el eje secundario, sin intervención del eje intermediario en este caso. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose una conexión directa sin reducción de velocidad. En esta velocidad se obtiene una transmisión de giro sin reducción de la velocidad. La velocidad del motor es igual a la que sale de la caja de cambios, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye.

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Figura 6. Caja de cambios 4ª velocidad [6] Marcha atrás (M.A.).- Cuando se selecciona esta velocidad, se produce el desplazamiento del piñón de reenvió (T), empujado por un manguito. Al moverse el piñón de reenvió, engrana con otros dos piñones cuya particularidad es que tienen los dientes rectos en vez de inclinados como los demás piñones de la caja de cambios. Estos piñones pertenecen a los ejes intermediario y secundario respectivamente. Con esto se consigue una nueva relación, e invertir el giro del tren secundario con respecto al primario. La reducción de giro depende de los piñones situados en el eje intermediario y secundario por que el piñón de reenvió actúa únicamente como inversor de giro. La reducción de giro suele ser parecida a la de 1ª velocidad. Hay que reseñar que el piñón del eje secundario perteneciente a esta velocidad es solidario al eje, al contrario de lo que ocurre con los restantes de este mismo eje que son "locos".

Figura 7. Caja de cambios marcha atras[6] La caja de cambios utiliza diferentes tipos de engranajes los cuales son: Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

•Los engranajes de dientes rectos son los más utilizados y económicos del mercado, aunque también son los más ruidosos y no se pueden utilizar para trabajar a grandes velocidades.

Figura 8. Engranajes de dientes rectos •Los engranajes helicoidales son silenciosos, con una transmisión de fuerza más uniforme y segura.

Figura 9. Engranajes de dientes helicoidales

2.1 Elementos que componen la caja de cambios. Los elementos principales que componen un cambio de velocidades es, sin duda, el conjunto formado por los trenes de engranajes. Sin embargo, existen también otros elementos secundarios, pero no menos importantes para hacer un buen cambio y hacer posible su cómoda utilización. De estos elementos, los más interesantes y necesarios son los siguientes: •Los cojinetes. •Los elementos de sincronización. 2.1.1 Cojinetes Se denominan cojinetes, a toda superficie cilíndrica cóncava en la cual se apoya un eje para poder girar. Ya que conocemos que los cojinetes del cigüeñal, son superficies que cumplen este concepto, aunque sean de un material antifricción relativamente blando para el eje, pero muy resistente al desgate. Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

En las cajas de velocidades, los ejes de la misma, (árbol de entrada o directa, eje secundario o intermediario, y árbol primario o principal), necesitan apoyos muy sólidos y que no sufran desgaste prematuramente. Estos apoyos se llevan a cabo por medio de cojinetes de bolas (bolilleros), cojinetes a rodillo (rodamientos), y cojinetes a agujas (pequeños rodillos). Los cojinetes deben trabajar debidamente lubricados para asegurar el mejor desplazamiento de sus bolas o rodillos y lograr con ello una prolongada duración. Cuando un cojinete que soporta un eje se deteriora y toma juego, el eje pierde su linealidad produciendo ruido, dificultad en la entrada de los cambios y desajustes de los trenes de engranajes, ocasionando un desgaste acelerado de los dientes. Por tal motivo, cuando se detecta una mala situación de un cojinete, hay que proceder a desmontar la caja de velocidad para llevar a cabo su rápida sustitución. 2.1.2 Elementos de sincronización En las primeras cajas de velocidad, el cambio de velocidad se establecía por el desplazamiento de los engranajes ubicados sobre el árbol primario, siendo estos de dientes rectos, haciéndolos engranar con los dientes del eje intermediario, contando con que la caja fuese de tres ejes. Este sistema requería detener prácticamente el vehículo para cambiar de velocidad o de gran habilidad por parte del conductor para la selección de otra velocidad. Con posterioridad se emplearon los collarines desplazables, similares a los que hoy se utilizan, pero sin el sincronizador. De esta manera, lo que se desplazaba era tan solo el collarín y los engranajes podían montarse en toma constante con la nueva disposición del tallado de los dientes, que paso de ser rectos a ser del tipo helicoidal, logrando con esto, un mejor ajuste entre ellos, disminución de ruidos y vibraciones.

Figura 10. Estructura de la doble sincronización

Aun así, la habilidad del conductor era quien evitaba la sonoridad al realizarse la maniobra del cambio de marchas, hecho que se logra con el doble embrague, con el fin de igualar las velocidades de los ejes. En base de lo expuesto deducimos que: El objetivo de los sincronizadores es, entonces, acelerar o frenar el eje primario (cajas-puente), y árbol de entrada con el intermediario (cajas longitudinales), para igualar sus velocidades angulares en el momento de la selección de una marcha. Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

Con los sincronizadores, las operaciones del cambio de marchas, se han simplificado, se han reducido los ruidos y se ha logrado mayor duración.

Figura 11. Despiece parcial de un sincronizador

2.2 Cálculo de velocidades para una caja de cambios Como el par motor se transmite a las ruedas y origina en ellas una fuerza de impulsión que vence las resistencias que se opone al movimiento, la potencia transmitida (Wf) debe ser igual, en todo momento, a la potencia absorbida en llanta; es decir:

DONDE: Cm.- par desarrollado por el motor Cr.- par resistente en las ruedas n.- número de revoluciones en el motor n1.- número de revoluciones en las ruedas Si no existiera la caja de cambios el número de revoluciones del motor (n) se transmitiría íntegramente a las ruedas (n = n1), con lo cual el par a desarrollar por el motor (Cm) sería igual al par resistente en las ruedas (Cr). Para calcular las distintas relaciones de desmultiplicación que se deben acoplar en una caja de cambios, hay que establecer las mismas en función del par máximo transmitido por el motor, ya que dentro de este régimen es donde se obtiene la mayor fuerza de impulsión en las ruedas. Para ello, basta representar en un sistema de ejes coordenados las revoluciones máximas del motor, que están relacionadas directamente con la velocidad obtenida en las ruedas en función de su diámetro y la reducción efectuada en el puente. Siendo "n" el número de revoluciones máximas del motor y "n1" el número de revoluciones al cual se Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

obtiene el par de transmisión máximo del motor (par motor máximo), dentro de ese régimen deben establecerse las sucesivas desmultiplicaciones en la caja de cambios. Entre estos dos limites (n y n1) se obtiene el régimen máximo y mínimo en cada desmultiplicación para un funcionamiento del motor a pleno rendimiento.

Figura 12. Grafica para el cálculo de velocidades [5] 2.3 Cajas de cambio de engranajes paralelos Esta caja de cambio es la más utilizada en la actualidad para vehículos de serie, por su sencillo funcionamiento. Está constituida por una serie de piñones de acero al carbono, que se obtienen por estampación en forja y sus dientes tallados en máquinas especiales, con un posterior tratamiento de temple y cementación para obtener la máxima dureza y resistencia al desgaste. Estos piñones, acoplados en pares de transmisión, van montados sobre unos árboles paralelos que se apoyan sobre cojinetes en el interior de una carcasa, que suele ser de fundición gris o aluminio y sirve de alojamiento a los piñones y demás dispositivos de accionamiento, así como de recipiente para el aceite de lubricación de los mismos. Los piñones, engranados en toma constante para cada par de transmisión, son de dientes helicoidales, que permiten un funcionamiento más silencioso y una mayor superficie de contacto, con lo cual, al ser menor la presión que sobre ellos actúa, se reduce el desgaste en los mismos. Los números de dientes del piñón conductor y del conducido son primos entre sí, para repartir el desgaste por igual entre ellos y evitar vibraciones en su funcionamiento.

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Figura 13. Transmisión de par y velocidad [5]

II.4 Calculo de una caja de cambios a partir de los datos reales que nos proporciona el fabricante: Para el cálculo de las velocidades y potencia de entrada y salida se realizará de un automóvil marca (Peugeot 405 Mi16) Cilindrada (cc): 1998 Potencia (CV/rpm): 155/5600 Par máximo (mkgf): 19,3/3500 Neumáticos: 195/55 R14 Relación de transmisión

rt (1ª velocidad) = 13/38 = 0,342 rt (2ª velocidad) = 23/43 = 0,534 rt (3ª velocidad) = 25/32 = 0,781 rt (4ª velocidad) = 32/31 = 1.032 rt (5ª velocidad) = 37/28 = 1,321 rt (M.A: marcha atrás) = 12/40 = 0,30

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Figura 14. Engranes paralelos [5] Además de la reducción provocada en la caja de cambios también tenemos que tener en cuenta que en el grupo diferencial hay una reducción, este dato también lo proporciona el fabricante. rt (G.C: grupo piñón-corona diferencial) = 14/62 = 0,225

rt (caja cambios)

rt (diferencial)

rT

nº rpm a Pmax. (5600)

1ª velocidad

13/38 = 0,342

14/62 = 0,225

0,0769

430,64 rpm

2ª velocidad

23/43 = 0,534

14/62 = 0,225

0,120

672 rpm

3ª velocidad

25/32 = 0,781

14/62 = 0,225

0,175

974,4 rpm

4ª velocidad

32/31 = 1,032

14/62 = 0,225

0,232

1299,3 rpm

5ª velocidad

37/28 = 1,321

14/62 = 0,225

0,297

1663,2 rpm

M.A (Marcha atras)

12/40 = 0,30

14/62 = 0,225

0,0675

371,2 rpm

•rT (nª velocidad): es la relación de transmisión total, se calcula multiplicando la rt (caja cambios) x rt (diferencial). •Pmax: es la potencia máxima del motor a un numero de revoluciones determinado por el fabricante. •nº rpm a Pmax: se calcula multiplicando rT x nº rpm a potencia máxima. 2.4.1 cálculo de la velocidad a máxima potencia para cada marcha de la caja de cambios Para calcular la velocidad necesitamos saber las medidas de los neumáticos y llanta, este dato también lo proporciona el fabricante. En este caso tenemos unas medidas de neumático195/55 R14. Para calcular la velocidad necesitamos saber el diámetro de la rueda (Ø).

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Figura 15. Medida de la rueda [5]

El diámetro de la rueda (Ø) es la suma del diámetro de la llanta más el doble del perfil del neumático. El diámetro de la llanta es 14", para pasarlo a milímetros (mm) tenemos que multiplicar: 14" x 25,4 mm = 355,6 mm. El perfil del neumático es el 55% de 195 (195/55) = 107,2 mm Por lo tanto, diámetro de la rueda = diámetro de la llanta + el doble del perfil del neumático = 355,6 + (107,2 x 2) = 570,1 mm. Ahora ya podemos calcular la velocidad (v) del vehículo a máxima potencia para cada marcha de la caja de cambios.

Donde: v = velocidad (km/h) Pi = 3,14 Ø = diámetro de rueda (metros) nc = nº rpm en la rueda k = constante Utilizando estas fórmulas tenemos:

v (1ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 430,64 = 46,20 km/h Resolución CS N° 076-04-2016-04-20

v (2ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 672 = 71,90 km/h v (3ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 974,4 = 104,26 km/h v (4ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 1299,3 = 139,02 km/h v (5ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 1663,2 = 177,96 km/h v (M.A) = k x nc = 0,107 x 371,2 = 39,71 km/h

nº de velocidad

velocidad a Pmax.

1ª velocidad

46,20 km/h

2ª velocidad

71,90 km/h

3ª velocidad

104,26 km/h

4ª velocidad

139,02 km/h

5ª velocidad

177,96 km/h

M.A (marcha atrás)

39,71 km/h

III.

RESULTADOS

Con estos resultados tenemos que la velocidad máxima de este vehículo cuando desarrolla su máxima potencia es de 177,96 km/h. Este dato no suele coincidir con el que proporciona el fabricante ya que la velocidad máxima del vehículo es mayor que la de la máxima potencia y llegaría hasta el nº de rpm en que se produce el corte de inyección del motor. Sabiendo que este motor ofrece la máxima potencia a 5600 rpm, podemos hacer el gráfico anterior sabiendo a qué velocidad es conveniente actuar sobre la caja de cambios y escoger la velocidad adecuada [5].

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Figura 6. Velocidades para actuar sobre el cambio [5]

IV.

REFERENCIAS

Online: [1]A. Duato, "Qué es el engranaje epicicloidal | Blog SEAS", Blog SEAS, 2018. [Online]. Available: https://www.seas.es/blog/diseno_mecanico/el -engranaje[2]N.Sanchez, "mecanismos", Tecnologia fuentenueva.wikispaces.com, 2018. [Online]. Available: https://tecnologiafuentenueva.wikispaces.co m/file/view/Mecanismos_II_cambios.pdf. [Accessed: 04- Jul- 2018]. [3]http://escueladeltrabajo.net/cajas.pdf?fbclid=IwAR1uKEbq8hZ2bAip07nWK0hy0c21OWQqPq2Ay10sZ2 obS0cNSSLcFQjf5Zo [4]http://kilometrosquecuentan.com/tipos-cajas-cambios/ [5]http://www.salamecanica.net/caja-cambios.htm [6]http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios1.htm

Nombre de estudiante: _____________________________

Firma de estudiante: _______________________________

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