Caja De Cambios 1u1a73

Funciones: Transmitir la potencia a las ruedas Cambiar el torque y velocidad del motor en el torque y la velocidad requerida por las ruedas en cada trabajo.

Conceptos Básicos: BHP Torque

BHP

La potencia del motor a una determinada velocidad de régimen de giro del motor es siempre la misma

Combustible V (rpm) TE: Torque en el motor NE: Velocidad en el motor (rpm)

Se cumple que: TE.NE.= TW.NW ≈ Constante

Tw: Torque en la rueda (1)

Nw: Velocidad en la rueda (rpm)

: Eficiencia de transmisión Debe haber un medio de cambiar la relación de giro entre el motor y las ruedas para cumplir los diferentes requerimientos de trabajo del tractor.

Pérdidas de potencia en las transmisiones 0.87 – 0.90

MOTOR 0.96 – 0.98

0.90 – 0.92

TRANSMISION 0.85 – 0.89

T D F

0.44 – 0.96

0.75 – 0.81

EJE 0.92 – 0.93

0.80 – 0.89

BARRA DE TIRO

Por cada par de engranajes se pierde entre 3 y 4 % de potencia. P TDF = (0.87 – 0.90). PM

P BT = (0.75 – 0.81). PM

Como se cumple le relación 1. se tienen las siguientes curvas de tiro – velocidad de avance del tractor.

P.V HP   274.4

La complejidad de la transmisión de potencia se ha ido incrementando con el tiempo. 1941:

4 velocidades

1962:

8 velocidades

2004:

16 – 18 - 20 velocidades adelante y atraz.

Las transmisiones variables se pueden clasificar en: 1. Cambios selectivos, radio fijo (convencional) 2. Cambios selectivos, radio fijo mas un planetario

Automáticas, cambios hidráulicos o manuales

3. Planetarios en serie 4. Hidrodinámica (hidrocinética) mas cambios selectivos

Se puede equipar para que la transmisión se pueda bloquear para condiciones de carga estable

5. Hidrostática 6. Mecánica de variación infinita.

En pequeños tractores de jardín y en combinadas en sistemas de correa en V

La diferencia entre la transmisión de un tractor y un automóvil es: En el tractor a cualquier cambio se puede trabajar continuamente bajo muchos rangos de carga En un automóvil la transmisión puede fallar si trabaja en cambios bajos a toda potencia por tiempos prolongados.

Diseño de los dientes de los piñones Los engranajes fallan por flexión o por su uso. Por eso se han desarrollado ecuaciones para su cálculo según estos dos criterios. Esfuerzo de superficie: Es el factor que mas afecta la duración por uso, esta gobernado por las propiedades del material. Ecuación de Buckingham para la carga límite de desgaste en un engrane recto:

Fw  D p bKQ

  2 sen   k    4 x0.35 

 1  1     E  E p g  

2N Q n N

Fw: Carga equivalente, sobre la cual se espera un desgaste rápido. (lb) Dp: Diámetro de paso del menor piñón o engrane. (in) b: Ancho de la cara del engrane. (in) : Límite de endurecimiento de la superficie del material. Ep: Modulo de elasticidad del material del piñón Eg: Módulo de elasticidad del material del engrane n: Número de dientes en el piñón N: Número de dientes en el engrane.

  400 xBHN  10000 psi

Para algunos aceros de engranes

Ecuación de Barth. Esfuerzo de trabajo seguro en función de velocidad del diámetro de paso de los engranes y de su exactitud.

A c  . A V c: Esfuerzo seguro de trabajo del material : Esfuerzo estático seguro del material A: Factor que depende de la seguridad de los engranajes V: Velocidad del diámetro de paso

Con A = 2000 y  = 240000, La mayoría de los engranajes de los tractores fallan en el 10% del valor de = 240.000 El límite de velocidad del diámetro de paso para los engranajes es de 10.16 m/seg aprox.

El esfuerzo por flexión no es un limitante en los engranajes, pero este factor debe ser chequeado. Se tiene la fórmula de Lewis.

Fs  pby

Fs: Resistencia del diente (lb) : Esfuerzo de trabajo seguro del material, psi p: Paso circular, in b: ancho de la cara del engrane, in y: factor de forma del diente.

Cálculo de y: De la figura, y=2x/3p, considerando el engrane como una barra fija a un lado y cargada al otro.

Valores de y para la ley de Lewis con dientes a 20° No. dientes

y

No. dientes

y

No.dientes

y

10

0.064

19

0.100

43

0.126

11

0.072

20

0.102

50

0.130

12

0.078

21

0.104

60

0.134

13

0.083

23

0.106

75

0.138

14

0.088

25

0.108

100

0.142

15

0.092

27

0.111

150

0.146

16

0.094

30

0.114

300

0.150

17

0.096

34

0.118

cremallera

0.154

18

0.098

38

0.122

El esfuerzo para tractores de oruga es menor que para los de rueda, por lo cual una oruga puede transmitir más del 50% de la potencia del motor según los fabricantes.

Transmisión de Carga Para el diseño y selección de transmisiones en tractores se debe conocer la experiencia de uso de varios cambios para varios porcentajes de máxima potencia en el PTO y el la barra de tiro. Para el TDF del tractor y de las máquinas se debe conocer la magnitud de la carga torsional impuesta debido a las altas inercias de las partes del tractor o del implemento. Datos para diseño de transmisiones de tractores Velocidad

Rango mph

% de Carga de máxima operación

Horas totales

95

75

50

25

1.5 – 3

45

250

180

125

600

Despacio

3.0 – 5.0

730

1825

1990

555

5100

Media

5.0 – 9.0

940

860

350

50

2200

Alta

10 – 25

50

200

150

200

600

Reversa

0.5 – 5.0

20

65

125

90

300

80

600

470

50

1200

Horas Motor

1865

3800

3265

1070

10000

PTO

100

300

240

160

800

Baja

Potencia en Correa

NECESIDAD DE LA CAJA DE CAMBIOS Potencia: Trabajo realizado en la unidad de tiempo: P= W= t=   W F •d p  t t

W P t

Como d/t = v

potencia. Trabajo. Tiempo.

  W  F •d

Si están en la misma dirección

Producto escalar: Fuerza . Distancia

F •d N t

P  F •V

La expresión anterior sólo es válida si la dirección de la fuerza y de la velocidad son coincidentes.

BHP Torque

En los tractores agrícolas la potencia del motor a una determinada velocidad de régimen de giro del BHP

Consumo específico

motor es siempre la misma. Por lo tanto, Si se

V (rpm)

aumenta la velocidad de avance V del tractor, disminuye su fuerza F, pues el valor de la potencia requerida al motor sobrepasará a la de su capacidad al determinado régimen de giro

Si no hubiera medio de variar la relación de giro entre el motor y las ruedas, el tractor marcharía siempre a la misma velocidad debido a la relación constante de los engranajes en la transmisión. El trabajo no siempre es el mismo, porque, por ejemplo, arar cuesta arriba requiere mayor esfuerzo que en llano, de modo que si el tractor está adecuado para esto último, le faltará potencia en las partes empinadas, y entonces se recurre a que vaya más despacio para que el producto no sobrepase el máximo valor de N permitido por el motor. No todas las labores requieren la misma velocidad. y el transporte por carretera, se hace a unos 30 Km/h.

Estas necesidades se satisfacen con el cambio de velocidades.

- Eje primario: unido al embrague transmite el giro del motor y termina en un piñón fijo, engranado constantemente con otro que mueve el denominado eje intermediario o contraeje. - Eje intermediario en el que hay varios engranajes fijos a él con distintos tamaños que independientemente transmiten a otros situados en el eje secundario. -Eje secundario, en prolongación pero separado del eje primario estriado con ranuras a lo largo en las que pueden deslizarse engranajes desplazables que giran solidarios con el árbol secundario y que el puede mover adelante y atrás con la palanca de mando del cambio. Dichos engranajes forman parejas de transmisión con los del eje intermediario.

El engranaje pequeño que conecta con intermediario motor.

del eje primario es más el del intermediario que él de modo que el gira más despacio que el

Si el tractorista hace engranar el engranaje de mayor diámetro del eje secundario con el menor del eje intermediario el giro se transmite al eje secundario de nuevo reducido. Como es la combinación que da la velocidad de giro del secundario más baja, se le llama primera velocidad. A la relación entre el radio del engranaje del intermediario y el del secundario se le llama relación de transmisión.

Si la pareja de engranajes que se conectan es la de siguiente tamaño del secundario y del intermediario accionando la palanca del cambio, produciendo el previo desengrane de la anterior pareja el giro del motor llega al secundario menos rebajado, menos demultiplicado, ésta sería la segunda velocidad. .

Combinando adecuadamente las parejas de engranajes correspondientes del eje intermediario y del secundario se obtienen las diferentes velocidades hacia delante de la caja de cambios

Para moverse el tractor hacia atrás, se mueve el desplazable correspondiente del eje secundario a engranar con un engranaje intermedio, que invierte el giro del correspondiente del eje intermediario, y así el eje secundario girará en sentido contrario al normal y las ruedas también, con lo que el tractor se desplazará marcha atrás

Hay una posición de los engranajes en la que ninguno conecta con otro, es decir, que no se transmite movimiento porque el eje intermediario gira en vacío, sin que ningún engranaje desplazable del eje secundario engrane con su correspondiente del eje intermediario. Esta posición se llama punto muerto. Cada vez que se desengrana o engrana una pareja de piñones del cambio, es necesario desconectar el giro del motor, y para ello se desembraga previamente, volviendo a embragar con suavidad progresiva después de actuar sobre la palanca del cambio. Se desprende que la misión de la caja de cambios es, de acuerdo con la fuerza que exige la realización de una labor determinada, adaptar la velocidad de avance del tractor de manera que el aprovechamiento de la potencia del motor sea máximo. Es evidente que una velocidad larga desarrollará menos fuerza que una velocidad corta, y viceversa. Esto explica claramente que los tractores agrícolas actuales dispongan de una caja de cambios con una gama amplia de velocidades, con el fin de poder adaptarse a las exigencias de las muy diferentes labores que deben realizar en la explotación agrícola.

1.- Eje secundario 2.- Hidráulico 3.- Diferencial 4.- Trompeta

COMPONENTES BÁSICOS y FUNCIONAMIENTO DE LA CAJA DE CAMBIOS La necesidad de los tractores agrícolas de disponer de un elevado número de velocidades les obliga a disponer de un grupo reductor o multiplicador colocado antes de la caja de cambios. El grupo reductor es accionado mediante una palanca llamada palanca reductora, que oscilando sobre una rótula mueve varios engranajes desplazables que engranan en sus correspondientes engranajes de diferente tamaño montados sobre el eje de salida del grupo reductor. Cada engranaje desplazable se desliza sobre un eje estriado que recibe el movimiento del disco de embrague. Accionada por el eje de salida del grupo reductor hay una caja de cambios que, como se ha expuesto, en esencia consta de tres ejes denominados: primario, intermediario y secundario. El eje primario recibe el movimiento del grupo reductor y tiene dos piñones en toma constante, uno engranando con el grupo reductor y el otro engranando constantemente con un engranaje del eje intermediario.

EMBRAGUE-CAJA DE CAMBIOS

1.- Embrague 2.- Reductora 3.- Caja de cambios

1.- Embrague 2.- Reducción primario-intermediario 3.- Reductora 4.- Caja de cambios 5.- Diferencial 6.- Reducción final 7.- Toma de fuerza

El eje intermediario lleva varios engranajes de diferentes tamaños solidarios a él, uno en toma constante con otro del eje primario que es por donde recibe el movimiento, otro engranado con un pequeño engranaje inversor de sentido de giro para conseguir la marcha atrás, y otros que engranan alternativamente, según se desee, con los correspondientes del eje secundario para conseguir las diferentes velocidades que ofrece la caja de cambios. Sobre el eje secundario van colocados engranajes desplazables, independientes unos de otros, que pueden deslizarse sobre el estriado de este eje. Cada desplazable va unido a un collarín, en la garganta del cual se aloja una horquilla que se acciona por medio de la palanca de cambio mediante unas barras. Hay que indicar que al ser los desplazables interiormente estriados y el eje secundario también, los piñones pueden deslizarse longitudinalmente sobre él pero, si giran engranados con su correspondiente engranaje del eje intermediario que les da movimiento, transmiten su movimiento al eje secundario que girará a su misma velocidad y transmitirá su par motor correspondiente.

El funcionamiento del grupo reductor es en esencia como sigue: La palanca reductora tiene dos, tres y hasta cuatro posiciones: velocidades largas, medias, cortas y punto muerto. Poniendo la palanca en la posición de velocidades largas el engranaje más grande del desplazable engrana con el correspondiente que es el más pequeño del eje conducido, con lo cual se consigue un mayor régimen de revoluciones en el eje de salida del grupo reductor. Poniendo la palanca en la posición de punto muerto no hay conexión entre los engranajes del desplazable y los del eje conducido, por lo que no hay transmisión de movimiento. Colocando la palanca en la posición de velocidades medias o cortas los engranajes más pequeños del eje motor engrana con los más grandes del eje conducido según correspondan, con lo cual se obtienen regímenes de revoluciones medios o cortos, del eje de salida del grupo reductor. De esta forma se consiguen a la entrada de la caja de cambios dos velocidades diferentes de giro en el eje primario, lo cual multiplica por dos el número de combinaciones de marchas de la caja de cambios.

2

4'

3

1

6

5

4 2'

3'

1.- Eje estriado con engranajes cilíndricos de dientes rectos desplazables. 2-2'.- Primera reducción. 3-3'.- Segunda reducción. 4-4'.- Reducción para conexión al primario de la caja de camibos. 5.- Eje liso con engranajes cilíndricos de dientes rectos fijos en él. 6.- Eje de salida de reductora.

1.- Embrague 2.- Eje primario 3.- Eje intermediario 4.- Eje secundario

Si, por ejemplo, en la caja de cambios la palanca de cambio puede ocupar cinco posiciones: punto muerto, primera velocidad, segunda velocidad, tercera velocidad y marcha atrás. En la posición de punto muerto no se encuentra engranado ningún piñón del eje secundario con ninguno del eje intermediario, por lo que no hay transmisión de movimiento. Al colocar la palanca de cambio en la posición de primera velocidad el engranaje desplazable se desliza hacia la izquierda engranando su engranaje con el correspondiente del intermediario. Al ser este pequeño y el conducido grande, la velocidad de giro del eje secundario será pequeña. Para pasar a segunda velocidad habrá que pasar la palanca de cambio de la posición de primera a punto muerto, con lo cual el engranaje desplazable de primera velocidad queda desconectado del intermediario. A continuación la palanca pasa a la barra correspondiente al desplazable correspondiente que engrana con el correspondiente del eje intermediario con lo que se obtiene una velocidad de giro en el eje secundario mayor que la alcanzada en la primera velocidad.

Para pasar a la tercera velocidad la palanca pasará primero por el punto muerto desengranando los piñones de la segunda velocidad, y después pasará a la posición de tercera velocidad, con lo que el engranaje correspondiente se desplazará al correspondiente del eje primario. Para poner la marcha atrás pasando por el punto muerto, se desplaza la palanca hacia la posición de marcha atrás con lo cual el engranaje desplazable correspondiente engrana con el de marcha atrás, el cual a su vez está engranado constantemente con el correspondiente del intermediario. El engranaje inversor está situado entre el eje intermediario y el secundario, lo cual provoca un cambio del sentido de giro del secundario, haciendo que el tractor se desplace en sentido contrario que en las demás velocidades.

1 2 4ª

3ª 3 4

1ª

2ª

Para evitar que con las vibraciones y los movimientos bruscos que sufre el tractor en las labores agrícolas, los engranajes desplazables del secundario puedan cambiar de posición por sí solos, las barras que mueven a las horquillas llevan unas muescas esféricas en las que se aloja un fijador consistente en una bola presionada por un muelle. Al cambiar de velocidad la fuerza que se ejerce sobre la palanca de cambio se transmite a la bola, la cual al remontar la muesca esférica presiona al muelle hacia el lado contrario de donde está la muesca, permitiendo así el desplazamiento de las barras. Además de éstos, existe un fijador de seguridad consistente en un pequeño bulón situado entre ambas barras que, al estar desplazada una de ellas en la posición de velocidad, bloquea a la barra opuesta en la posición de punto muerto, impidiendo de esta forma que puedan ponerse dos velocidades a la vez, lo que provocaría el bloqueo o la rotura de la caja.

CAJA DE CAMBIOS CON ENGRANAJES EN TOMA CONSTANTE Los engranajes de la caja de cambios anterior son cilíndrico de dientes rectos. Esto ocasiona ruidos de funcionamiento y dificultad al cambiar de marcha. En la caja de cambios con engranajes en toma constante los engranajes del eje secundario y del intermediario permanecen conectados constantemente. Los engranajes del secundario no van unidos al eje mediante estrías, pudiendo girar libremente sobre dicho eje. Además, estos engranajes llevan adosado a uno de los lados un piñón más pequeño, que se denomina piñón lateral. Entre cada dos engranajes del eje secundario va colocado un desplazable que en su parte central lleva un orificio estriado que puede deslizar por el estriado correspondiente que en esta zona lleva el eje secundario.

4 1

En ambos lados de los desplazables van talladas interiormente dos coronas dentadas acoplables a sus correspondientes piñones laterales. En la posición de punto muerto el desplazable se encuentra situado entre los piñones, sin engranar con ninguno de ellos. Aunque el eje intermediario esté girando y los piñones del secundario en toma constante también giren, no hay transmisión de movimiento, pues éste no llega al eje secundario al girar libremente sobre él los engranajes de transmisión de movimiento desde el eje intermediario.

5

2

3 2'

5'

Para conectar una velocidad se desliza el desplazable a uno de los lados, con lo que la corona interior de éste engrana con el piñón lateral del engranaje, pasando el movimiento al eje secundario a través del propio desplazable. En esta caja de cambios con cada desplazable se pueden conseguir dos velocidades, girando el eje secundario con una velocidad de giro determinada por la relación entre los engranajes correspondientes del eje intermediario y del secundario. Para reducir ruidos en la transmisión los engranajes se construyen del tipo cilíndrico con dientes helicoidales.

5

2 4

1.- Eje secundario. 2-2'.- Pareja de engranajes cilíndricos con dientes helicoidales en toma constante. y piñones laterales solidarios. 3.- Eje intermediario. 4.- Desplazable con manguito central estriado y coronas laterales. 5-5'.- Pareja de engranajes correspondientes a otra marcha.

1

3 2'

5'

CAJA DE CAMBIOS SINCRONIZADA

En las cajas de cambios anteriores, al intentar conectar engranajes que no giran a su misma velocidad, hay dificultad para hacer coincidir los dientes del primero con los huecos del segundo, lo que se traduce en un fuerte golpeteo de uno contra otro, desgastes, roturas y dificultad de cambio de marcha. Esto desaparece cuando los dos engranajes o los dos piñones están quietos o cuando giran a la misma velocidad. Hasta la aparición de las cajas de cambios sincronizadas para poder realizar cambios de velocidad era preciso detener el tractor o, con gran destreza, aprovechar el momento en que los dientes se mueven a la misma velocidad.

En la práctica se hace el doble embrague. Esto consiste en pisar el embrague, poner punto muerto, soltar el embrague, acelerar el motor, volver a pisar el embrague y poner la velocidad elegida. La explicación es la siguiente: el secundario gira a más velocidad que el intermediario, acelerando en punto muerto aumenta el régimen de giro del intermediario y no del secundario. Una aceleración, por exceso o por defecto, en el doble embrague, traerá como consecuencia no igualar el movimiento de los dientes y, por tanto, el rozamiento de piñones, es por ello que se precisa de destreza y práctica para hacerlo.

Los constructores de automóviles solucionaron este problema hace algunos años, mediante el cambio sincronizado que actualmente se usa también en los tractores por la gran ventaja que supone el poder cambiar de velocidad sin detener la marcha del tractor. El cambio sincronizado es un cambio de marchas con engranajes en toma constante en el que los piñones laterales llevan adosada una pieza en forma de tronco de cono llamada cono de sincronización. Entre los engranajes hay un núcleo solidario con el eje secundario. Unidos al núcleo van dos piñones llamados piñones de sincronismo, desplazables cuyo interior tiene una cavidad de forma cónica. Sobre el núcleo se sitúa un desplazable cilíndrico con estrías interiores coincidentes con el dentado del núcleo, y que, por la parte exterior, lleva una garganta en la que se aloja la horquilla del cambio de velocidad. El piñón lateral, el piñón de sincronismo y la corona son del mismo diámetro y tienen iguales sus dientes. El desplazable cilíndrico desplaza también al piñón de sincronismo hasta un cierto punto en el que entran en o cono y contracono.

Al tomar o la fricción entre ellos hace que alcancen una misma velocidad de giro. A este proceso se le denomina fase de sincronización. Al seguir deslizándose el desplazable y haber equivelocidad de giro, engranará con toda facilidad con el piñón lateral ya que ambos giran a la misma velocidad después de la fase de sincronizado. A este proceso se le denomina fase de transmisión. Al quitar el pie del pedal del embrague el movimiento se transmite del eje intermediario al piñón del secundario, de éste al piñón lateral y, por medio del desplazable, al núcleo y eje secundario. Aunque la caja de cambios sea sincronizada es conveniente, al reducir de velocidad, hacer el doble embrague pues con ello se alarga considerablemente la duración de los mecanismos de sincronización.

10

2 6

5

3 4 1

4' 9

3'

7

8

2'

10'

1.- Eje secundario. 2-2'.- Pareja de engranajes cilíndricos con dientes helicoidales en toma constante. 3-3'.- Piñón solidario al engranaje. 4-4'.- Cono de sincronización. 5.- Desplazable con corona interior de igual paso que el piñón. 6.- Tallado en desplazable idéntico al del piñón. 7.- Fiador de muelle y bola. 8.- Escotadura para la horquilla de desplazamiento. 9.- Contracono de sincronización. 10-10'.- Pareja de engranajes cilíndricos de dientes helicoidales correspondiente a otra marcha.

CAMBIOS REALES DE LOS TRACTORES AGRÍCOLAS El cambio de marchas de los tractores sirve para transformar la velocidad de giro del motor en un número determinado de velocidades de las ruedas motrices a la vez que se modifica su par motor. Su necesidad es consecuencia de la relativa falta de elasticidad de los motores de combustión interna, que no pueden emplearse correctamente más que entre límites de velocidad bastante estrechos. Bloques de marchas: Permite ampliar el número de marchas sin alargar excesivamente la transmisión. Así por ejemplo, para 24 marchas sólo son necesarios 2 bloques, uno con 6 marchas (1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª y 6ª) y otro con 4 (L, lenta,; M, media; H, alta y R retroceso), con lo que en vez de 24 pares de engranajes sólo se necesitan 10 pares.

Uno de los casos más sencillos de un cambio de marchas de engranajes es el de algunos motocultores. Está compuesto de sólo dos ejes, uno primario de entrada y otro secundario de salida. El eje primario es accionado desde el motor y lleva tres engranajes desplazables a lo largo del que conectan independientemente con otros tres del eje secundario. Para cada régimen de giro n r.p.m. del motor se obtienen tres regímenes distintos del eje secundario: n1, n2 y n3. Las relaciones de transmisión respectivas son: z6 z2 z4 n n n i1   ; i2   ; i3   n1 z 1 n2 z 3 n3 z 5

Actualmente los tractores no llevan una única palanca de mando para el cambio de velocidades, sino dos o más, para manejar el bloque reductor y la caja de cambios.

Los tractores modernos llevan acoplado en la caja de cambios el denominado inversor y el superreductor. El inversor hace posible invertir el sentido de desplazamiento sin mas que actuar sobre una palanca que invierte el sentido de rotación de todos los engranajes. El mecanismo inversor usa un tren de engranajes planetarios y es particularmente útil en los trabajos con cargador frontal, horquillas, niveladoras y para maniobrar en espacios restringidos. El superreductor permite obtener velocidades sumamente bajas, necesarias en trabajos como excavación, despedregado y plantación. Este mecanismo está situado delante de la caja de cambios y utiliza pares de engranajes cilíndricos con grandes reducciones de demultiplicación.

ESCALONAMIENTO DE LAS RELACIONES DE MARCHA El escalonamiento lógico de las relaciones de demultiplicación de las cajas de cambios se puede demostrar que es aquel en el que dichas relaciones están en progresión geométrica, pues así se consigue el máximo aprovechamiento de la elasticidad del motor del tractor. Si la curva de par del motor del tractor es la que se presenta en la figura, se sabe que el régimen del motor al realizar una determinada labor debe variar desde a para trabajar en la denominada zona flexible.

Si en unos ejes cartesianos se presentan en abscisas el máximo régimen de giro del secundario necesario para que el tractor circule a la velocidad punta deseada y en ordenadas y correspondientes a la zona flexible del motor del tractor. Una caja de cambios de cuatro marchas adelante tendrá en dichos ejes la representación: Primario n máx 2ª

1ª

4ª

3ª

n mín

2 4 n1

n2

1

3 n3

n4

n5 Secundario

Las relaciones de demultiplicación primario/secundario vendrán dadas por:

Las relaciones de demultiplicación primario/secundario vendrán dadas por: Primario n máx 2ª

1ª n mín

4 n1

n2

1

3 n3

nmáx  tg 4 n5

r4 

nmáx  tg 3 n4

r4' 

nmín  tg 3 n3

r3 

nmáx  tg  2 n3

r3' 

nmín  tg  2 n1

4ª

3ª

2

r5 

n4

n5 Secundario

r2 

nmáx  tg  1 n2

Las relaciones de transmisión expuestas cumplen que: r4  r4' ; r3  r3' ; r2  r2' Además cumplen que:

r4 • r2  r32

r5' 

nmín  tg 4 n4

r2' 

nmín  tg  1 n1

r5 

nmáx  tg 4 n5

r5' 

nmín  tg 4 n4

n r4  máx  tg 3 n4

r4'

n  mín  tg 3 n3

n r3  máx  tg  2 n3

r3'

n  mín  tg  2 n1

r2 

nmáx  tg  1 n2

Efectivamente:

Pero como:

r2' 

Primario n máx 2ª

1ª

4ª

3ª

n mín

nmín  tg  1 n1

2 4 n1

n2

1

3 n3

n4

n5 Secundario

nmáx nmáx n máx nmín • = • n4 n2 n3 n1

n máx nmín n máx nmáx nmin nmáx r4  r    •  • n4 n3 n4 n2 n3 n2 ' 4

nmín nmáx nmáx nmín •  • n3 n2 n3 n3

Por lo que:

r4 • r2  r32

Luego el escalonamiento lógico de las velocidades de una caja de cambios cumple la condición de que las relaciones de demultiplicación están en progresión geométrica.

CAJA DE CAMBIOS Y ESFUERZO DE TRACCIÓN La potencia producida en el motor se transmite a las ruedas motrices del tractor en forma de un par motor a una velocidad angular, de forma que cumple la expresión: N  M•n

Siendo: N = Potencia. M = Par motor. n = Régimen de giro. El par motor en cada rueda se puede obtener como el producto de la fuerza periférica en ella por su radio real.

M

r U

Esta fuerza periférica se transmite al suelo en la zona de o rueda suelo, caracterizada por un determinado coeficiente de adherencia. Dicho coeficiente de adherencia es un indicador de la máxima fuerza periférica que puede tener una rueda motriz, ya que: Umáx   • Pa Siendo Pa el peso activo sobre la rueda motriz. Si la fuerza periférica posible en la rueda debido al par motor supera el valor de Umáx, la respuesta será un resbalamiento total con los consiguientes problemas que ello ocasiona. Las marchas muy lentas generan valores de par motor en las ruedas que superan ampliamente los valores permisibles de Umáx en los suelos, si bien estas marchas son necesarias porque se utilizan para labores muy específicas que requieren velocidades de desplazamiento muy reducidas. Lógicamente el motor no desarrolla toda su potencia.

CAJA DE ENGRANAJES PLANETARIOS Estas cajas de cambio están basadas en la transmisión y reducción de movimiento a través de trenes de engranajes planetarios, los cuales, como puede verse en la figura siguiente pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los componentes, los restantes giran transmitiéndose el movimiento con la relación de transmisión resultante según la relación existente entre sus piñones. Si se bloquean dos de los componentes, el conjunto queda bloqueado, moviéndose todo el sistema a la velocidad de rotación recibida.

Mediante este sistema pueden conseguirse distintas reducciones, frenando y dando movimiento a los distintos componentes del tren. Si se combinan varios trenes de engranajes con distintas reducciones entre ellos, se puede obtener una gama de velocidades que entran automáticamente al actuar sobre sus componentes por medio de embragues de fricción y cintas de frenado. Los engranajes planetarios se utilizan modernamente no sólo en las cajas de cambios de los tractores, sino también en los trenes de reducción finales de las ruedas. En las cajas de cambios de engranajes planetarios se puede prescindir del embrague, verificándose el acoplamiento mediante cintas de freno que actúan sobre los elementos.

1.- Corona 2.- Satélite 3.- Portasatélites 4.- Planetario

Se clasifican los sistemas de engranajes planetarios en epicicloide e hipocicloide según que el engranaje fijo sea interior o exterior. La nomenclatura normalmente utilizada en los sistemas de engranajes planetarios es la de llamar al engranaje interior planeta, al que rueda sobre el satélite y al exterior corona. El estudio de las relaciones de transmisión en los engranajes planetarios es en cierto modo complejo. Así, en los reductores epicicloides, para su estudio se tiene:

p rp

rs s

rps

ps

Considerando la velocidad del punto de o se obtiene:

 s • rs   p • rp   ps • rps Como rps  rp  rs 

 s • rs   p • rp   ps • rps  rs  Operando se tiene:

 s • rs   p • rp   ps • rp   ps • rs

 s  ps  • rs   ps   p  • rp   s   ps  • rs   p   ps  • rp  p   ps  s   ps



rs rp

(I)

s rs

rps ps rc

c

En los reductores hipocicloidales, igual que en el caso anterior se tiene:

 ps • rps   s • rs   c • rc

Como rps  rc  rs 

 ps •  rc  rs    s • rs   c • rc 

 ps • rc   ps • rs   s • rs   c • rc

 s  ps  • rs   c  ps  • rc 

 s  ps  c  ps



rc rs

(II)

Multiplicando (I) y (II) se tiene:

p  ps  s  ps r •  c   s  ps  c  ps rp  p   ps  c   ps



rc (III) rp

Las ecuaciones (I), (II) y (III) relacionan las velocidades de giro de corona, satélite, portasatélites y planetario en función de sus radios. MANDOS DE CAJAS DE CAMBIOS. LUBRICACIÓN El desplazamiento de los sincronizadores para seleccionar las velocidades se realiza por medio de unas horquillas, acopladas a estos y sujetas a unas varillas que se mueven accionadas por la palanca de cambios.

1

2

4ª

3ª

M.A. 3

4

2ª

1ª

1.- Palanca del cambio de marchas. 2.- Rótula esférica. 3.- Placa selectora. 4.- Extremo de conexión a varillas.

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Como se dijo previamente, para evitar que las velocidades puedan salirse y permanezcan fijas en el lugar seleccionado, el mecanismo de mando situado en la tapa de la caja de cambios lleva un sistema de enclavamiento, a base de bolas de acero y muelles situados en un alojamiento de la tapa y que presionan sobre unas escotaduras practicadas en las varillas que las mantienen fijas en su soporte por la presión que ejercen los muelles sobre la bola. Para seleccionar las velocidades correctamente y evitar la selección de una velocidad cuando otra esté metida, se coloca un dispositivo en la palanca de cambios. Éste consiste en una placa selectora, de forma que, para pasar de una velocidad a otra hay que pasar por un punto muerto, lo que hace desacoplar la velocidad que estaba metida. Para la lubricación de engranajes en las cajas de cambios y diferenciales se emplean aceites minerales clasificados dentro del grupo de las valvulinas SAE 80 y SAE 90. Los aceites lubricantes empleados en cajas de cambios tienen que formar una película consistente entre los flancos de los dientes en o, cuya misión es reducir el rozamiento entre ellos y el desgaste subsiguiente. Esta película debe ser resistente a la compresión, para evitar que se rompa con las intensas presiones de trabajo.

Además, han de servir de elemento refrigerador y, durante las elevadas temperaturas de funcionamiento, no han de perder su poder lubricante. Tienen que ser también resistentes al frío, con objeto de que, en invierno, sean posibles una perfecta lubricación y el arranque del vehículo. Deben ser resistentes a la corrosión, no atacar las juntas ni presentar tendencia a la formación de espuma. Diversos aditivos a base de azufre, cloro, plomo, fósforo, cinc y sus combinaciones, proporcionan al aceite lubricante las características deseadas.

CAMBIO HIDROSTÁTICO DE VELOCIDADES. En esencia es el siguiente: 8

6 4 7

3

1.- Depósito. 2.- Filtro de malla.

5

3.- Bomba de caudal. 4.- Motor alternativo. 5.- Válvula reguladora de presión. 6.- Distribuidor 6/3.

2

9 1

10

7.- Motor hidrostático. 8.- Manómetro con pulsador. 9.- Filtro magnético. 10.- Rueda motriz.

El funcionamiento es como sigue: El aceite hidráulico, de características adecuadas, contenido en el depósito, pasa a través de un filtro de malla y llega hasta la bomba de caudal variable de regulación manual por medio de tuberías de baja presión. Dicha bomba accionada por el motor alternativo del tractor envía el aceite por tuberías de alta presión hasta el distribuidor manual de tres posiciones y seis vías. En las tuberías de impulsión hasta el distribuidor se coloca un manómetro con pulsador que permite conocer a voluntad del la presión de trabajo regulada por la válvula limitadora de presión. Cuando no se actúa sobre la palanca del distribuidor el aceite llega a él y retorna al depósito a través del filtro magnético. Cuando se tira de dicha palanca el aceite llega al distribuidor y sale a alta presión de él dirigiéndose hacia una de las entradas del motor hidrostático reversible haciéndolo que gire en un sentido. El aceite sin presión sale del motor, llega de nuevo al distribuidor y a través del filtro magnético llega al depósito. Cuando se tira de la palanca del distribuidor el aceite sale de él pero llega al motor por la entrada por la que, en la posición anterior del distribuidor, salía. El motor gira en sentido contrario y el tractor avanza cambiando de dirección de marcha.

Para cambiar la velocidad de marcha el actúa sobre una palanca que modifica el caudal de la bomba, con ello se tiene un variador continuo de velocidad lo que hace que el tractor tenga infinito número de marchas hacia delante y hacia atrás.