TRENES DE ENGRANAJES - CALCULO DE RELACION 

DE TRANSMISION

7mo Año - Sistemas de Transmisión

Llamamos tren de engranajes a la sucesión de ruedas dentadas, llamadas engranajes, acopladas entre si, las cuales transmiten o comparten un determinado nivel de energía. Dicho de otra forma, existe una relación entre un engranaje que entrega energía, llamado conductor y, otro que recibe esta energía, llamado conducido.

Fig. 1 - La energía ingresa por la rueda dentada 1 y se transmite en serie y paralelo hasta la rueda dentada 6

Fig. 2 - En este ejemplo vemos como la energía pasa de la rueda A a la B y luego a la C, en donde la rueda B se convierte de conducida a conductora de C. También podemos llamarla rueda intermediaria.

En el ejemplo de la fig. 2, tenemos como datos los números de dientes de cada rueda. Además, las revoluciones de la rueda conductora , con su sentido de giro. Con esto podemos deducir el comportamiento del conjunto y operar, con determinadas formulas para obtener el resultado de datos que, no aparecen en el ejemplo.
En cuanto al comportamiento del conjunto, damos algunos conceptos a conocer:

• Dos ruedas acopladas en serie, giran en sentido contrario
• Dos ruedas acopladas en paralelo (comparten mismo eje) giran a igual sentido
• Dos o mas ruedas, conectadas por una correa o cadena, en serie, giran a igual sentido
• Dos ruedas, conectadas por una correa o cadena cruzada, giran en sentido contrario

Fig. 3 - En este ejemplo tenemos ruedas dentadas en serie, paralelo y conectadas con cadena. Deducimos que el sentido de giro de la última rueda es anti horario.

Existe una relación entre la cantidad de dientes de cada rueda y su comportamiento dinámico, respecto a la conducción de energía y revoluciones. La llamamos Relación de Transmisión o Rt. Esta relación nos permite analizar el comportamiento de una caja de cambios de un automóvil. Una menor cantidad de dientes de la rueda conductora provoca una perdida de revoluciones en la rueda conducida pero con un aumento de energía en el eje de salida. Por el contrario, una mayor cantidad de dientes en la rueda conductora, provoca un aumento de revoluciones en la rueda conducida pero una perdida de energía en el eje de salida. Dicho de otra forma, cuando el conductor es menor al conducido, el par se multiplica y las rpm se desmultiplican en el eje de salida. Cuando el conductor es mayor al conducido, el par se desmultiplica y las rpm se multiplican. 

Fig. 4 - Comportamiento dinámico de una caja de cambios respecto a las ruedas acopladas y la cantidad de dientes de cada una.

Como ya dijimos, la Rt relaciona el número de dientes de las ruedas acopladas y las rpm a las que giran cada una de ellas. A partir de ahora, nombraremos Z al número de dientes de las ruedas y, N al número de rpm a las que giran.

Fig. 5 - ne, rpm de entrada - ns, rpm de salida - A y B, Rt de par de ruedas

En cuanto al número de dientes, podemos decir que:    Rt = Z2 / Z1

En cuanto a las rpm a las que giran cada rueda, podemos decir que:    Rt = N1 / N2

Como estas son dos igualdades con el primer termino idéntico, obtenemos: Z2 / Z1 = N1 / N2

Realizando el producto cruzado, obtenemos la fórmula principal de trabajo: Z2 x N2 = Z1 x N1

Si tomamos como ejemplo el tren de la Fig. 2, operamos de la siguiente forma:

Datos:

Z1 = 20 d ; Z2 = 40 d ; Z3 = 20 d ; N1 = 10 rpm

Incógnitas:

Rt (Z1,Z2) ; Rt (Z2,Z3) ; N2 ; N3

Para las Z:

Rt (Z1,Z2) = 40 d / 20 d = 2

Rt (Z2, Z3) = 20 d / 40 d = 1/2 (0.5)

Para las rpm:

Z2 / Z1 = N1 / N2

Despejamos N2 y nos queda:

Z2 x N2 = Z1 x N1

N2 = (Z1 x N1) / Z2

N2 = (20 d x 10 rpm) / 40 d           Simplificamos d y operamos

N2 = 200 rpm / 40 = 5 rpm

Lo que sería lógico para una Rt = 2

Rt = N1 / N2 = 10 rpm / 5 rpm = 2

N3 = (Z2 x N2) / Z3

N3 = (40 d x 5 rpm) / 20 d            Simplificamos d y operamos

N3 = 200 rpm / 20 = 10 rpm

Realizando la comprobación, nos queda:

Rt = N2 / N3 = 5 rpm / 10 rpm = 1/2 (0.5)

Trabajemos ahora con este ejemplo:

Datos:

Z1 = 10 d ; Z2 = 30 d ; Z3 = 60 d ; Z 4 = 10 d ; Z5 = 60 d ;  N1 = 3600 rpm

Incógnitas:

Rt Z1,Z2 ; Rt Z2,Z3 ; Rt Z4,Z5 ; N2 ; N3 ; N5

Nota: Las ruedas 3 y 4, comparten el mismo eje, por lo tanto, giran a la misma velocidad. En conclusión, las Rt son igual a 1. N3 = N4.

Rt = Z2 / Z1 = 30 d / 10 d = 3

Rt = Z3 / Z2 = 60 d / 30 d = 2

Rt = Z5 / Z4 = 60 d / 10 d = 6

N2 = (Z1 x N1) / Z2

N2 = (10 d x 3600 rpm) / 30 d

N2 = 1200 rpm

N3 = (Z2 x N2) / Z3

N3 = (30 d x 1200 rpm) / 60 d

N3 = 600 rpm  ;  N3 = N4

N5 = (Z4 x N4) / Z5

N5 = (10 d x 600 rpm) / 60 d

N5 = 100 rpm

Por lo tanto, Ne = 3600 rpm - Ns = 100 rpm

En el caso de que no tengamos el dato de dientes pero si de Rt, operamos de la siguiente forma:

Datos:

 Rt = 2 ; Z2 = 96 ; Z1 = ?

Rt = Z2 / Z1             Despejamos Z1

Z1 = Z2 / Rt

Z1 = 96 d / 2 = 48 d

Reemplazamos

Rt = 96 d / 48 d = 2

Nota: Operamos de la misma forma para obtener datos de rpm.

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Luego de la práctica realizada en clase y, de la explicación anterior, estamos en condiciones de comenzar con el 1er Trabajo Práctico.

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Trabajo Práctico Nº 1

1) Calcular todas las incógnitas del siguiente tren de engranajes:

2) Calcular todas las Rt, Z6 y Ns para N5 = 1600 rpm del siguiente tren de engranajes:

3) Calcular las incógnitas, teniendo en cuenta los siguientes datos:

Z1 = 36 d ; Rt Z1,Z2 = 0.33 ; N2 = 125 rpm ; Z4 = 24 d ; Rt Z3,Z4 = 0.29

4) Calcule las Rt y las rpm individuales, teniendo en cuenta que la rueda motriz es la señalada con la flecha y la rueda Nº 8 gira a 725 rpm. (Son 17 ruedas dentadas. En este caso, contar los dientes)

La rueda Nº 16 ¿Gira en sentido horario?

5) Calcule las incógnitas teniendo en cuenta los siguientes datos:

Z1, Z3, Z4 , dientes a la vista.

Rt Z1,Z2 = 2.2

Ns = 2550 rpm

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Fecha de entrega: Lunes 26 de Agosto de 2019 (SIN EXCEPCIONES)

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RESPUESTAS

1º) Por la generalizada consulta de los contenidos del trabajo en cuestión, se posterga la entrega del TP y, además, se agrega un TP Nº1a, para complementar y reforzar. Este último, se realizará en clase con acompañamiento del docente.

2º) La explicación del procedimiento para obtener los resultados a las consignas planteadas en el TP Nº1 fueron impartidas durante el horario correspondiente de clases, en la institución, en presencia de la mayoría de los alumnos. Además, se hizo participar a alumnos en el desarrollo práctico de ejemplos vários, en donde se detectó falencias conceptuales diversas en el área Matemáticas.

3º) Dentro de los contenidos del Blog, en la asignatura correspondiente, en el desarrollo de la introducción a los cálculos de trenes de engranajes, se explica y ejemplifica cada uno de los pasos a seguir para obtener la fórmula principal de trabajo, quedando como única acción el reemplazo de valores y cálculo correspondiente.

Recomendaciones

Desde un  principio, se recomendó al alumno la participación en clase, la toma de apuntes y el aviso inmediato por algún inconveniente que pudiera surgir por falta de comprensión del tema tratado. Una vez más,aliento al joven colega Técnico, concentrarse en orario de clase para lograr el mayor rendimiento posible, Evite la charla o comentario que no tenga que ver con el tema planteado. No tenga miedo o vergüenza en levantar la mano y decir "no entiendo" y, lo más importante, cuando el docente lo llame para que pase al frente, a la pizarra, jamás... nunca... conteste """NO"""

Este docente está frente a Uds. para transmitir conocimientos, valores y experiencia. Está para guiarlos y formarlos en el camino a la construcción del conocimiento. Lo único que hace falta para lograr la meta del conocimiento es comprometerse.

Continuamos en clase. Muchas gracias. Profe Blanco.

El Amortiguador

7mo Año - Proyecto y Dis. de Chas. y Sist. de Susp.

El amortiguador es un componente del sistema de suspensión, junto al elemento de suspensión (Ballesta, espiral o barra de torsión) encargado de absorber la energía cinética de este último, en el momento de la expansión o recuperación de su forma, en estado de reposo. Dicho de otra forma, cuando pasamos por un lomo de burro o serrucho, la suspensión se contrae acumulando energía potencial en el elemento elástico (el cual, también soporta el peso del vehículo y su carga) la que luego es descargada durante la expansión del conjunto. Para evitar la entrega rápida de dicha energía al suelo y, el consiguiente efecto rebote, el amortiguador absorbe gran parte de la misma, transformando esa energía en calor gracias a la fricción de las moléculas del fluido que, con gran dificultad, atraviesan el cuerpo valvular del amortiguador.

Izq. - Sistema Mc Pherson e suspensión - Der. - Amortiguador con espiral, cazoleta, fuelle y fijaciónes

Sist. de suspensión a ballesta con amortiguador

El cuerpo valvular de un amortiguador está formado, en su gran mayoría, por placas de metal superpuestas, las cuales, gracias a la forma en que se deforman de acuerdo al sentido de circulación el fluido (ingreso o salida de cada cámara) resisten o restringen el paso del mismo, siendo mayor la resistencia en el momento de expansión del conjunto. Este aumento sustancial de la resistencia al paso o circulación  del fluido, aumenta la fricción entre las moléculas, provocando un aumento de temperatura. De esta forma, la energía cinética del elemento elástico es absorbida por el amortiguador y transformada en calor por el fluido.

Algunos modelos de válvula de amortiguadores

Izq. - Sentido de circulación del fluido durante el intercambio de cámaras. - Der. - Otros modelos de válvulas.

 A continuación, veremos los dos tipos de amortiguadores mas usados en la industria automotriz (Existen otros modelos de amortiguadores mas sofisticados, los cuales, luego de aprender el funcionamiento de los modelos básicos, el lector debería investigar y recopilar mas información sobre los mismos)

Monotubo

El amortiguador monotubo, como su nombre lo indica, esta formado por 1 (un) cilindro encargado de acomodar todos los elementos funcionales del mismo, a la vez que sirve de funda exterior. Internamente, consta de un vástago central, reten, guardapolvo y centrador. Un cuerpo valvular, un pistón principal, (acoplado al extremo interno del vástago) y otro flotante. Además, para evitar la cavitación del fluido hidráulico, incorpora una segunda cámara con gas inerte a presión.

Amortiguador monotubo y sus partes

Nota: Esta configuración permite diseñar amortiguadores de reducidas dimensiones con altas prestaciones.

Funcionamiento:

Al expandirse el elemento elástico (se carga con energía potencial), el vástago del amortiguador se desplaza hacia el exterior, aumentando y disminuyendo el volumen de las cámaras de trabajo. Esta variación, provoca que el fluido se desplace entre cámaras atravesando el cuerpo valvular con baja resistencia. Cuando el elemento elástico recupera su forma (entregando energía cinética), el vástago reingresa al cuerpo y, el pistón, desplaza nuevamente el fluido entre cámaras pero, esta vez, con mayor resistencia del grupo valvular, transformando la energía cinética en calor. Acompañando el movimiento del vástago y pistón, en la cámara de trabajo, se encuentra el pistón flotante que separa el fluido hidráulico del gas a presión. Este pistón, soporta la presión del fluido h. comprimiendo el gas en la cámara inferior. Este desplazamiento cíclico del pistón flotante asegura una constancia en la presión del fluido h. para evitar la cavitación (descomposición) del mismo.

Bitubo

Como su nombre lo indica, este amortiguador consta de dos cilindros superpuestos los cuales alojan los elementos internos y configuran una doble cámara de trabajo. A diferencia del amortiguador monotubo, el bitubo no cuenta con pistón flotante. Además de la válvula principal, alojada en la cabeza del vástago, incorpora una segunda válvula de restricción de fluido en la base de la cámara de trabajo, separando ésta de la segunda cámara denominada de reserva.

Amortiguador Bitubo - 1. Bástago 2.Funda externa (cámara de reserva) 3. Cilindro interno (cámara de trabajo) 4. Tapa con sello soldada al cuerpo 5. Retén con centrador 6. Pistón con válvula 7. Válvula inferior 

Funcionamiento:

Similar al anterior, con la salvedad de que en esta configuración no contamos con un pistón flotante pero si de un segundo grupo valvular y una cámara de reserva rodeando a la de trabajo.

Queda claro que el desplazamiento del vástago y pistón produce un intercambio de fluido h. entre cámaras con diferencias en la resistencia de acuerdo al sentido de circulación. En este caso, la segunda válvula, permite el acceso de fluido h. desde la cámara de reserva hacia la de trabajo, mientras que, el gas inerte, mantiene la presión constante del fluido h.

Circulación de fluido hidráulico, a través de la válvula de pistón, dentro de la cámara de trabajo

Diferencias estructurales entre monotubo y bitubo

A continuación, prestemos atención al video explicativo del funcionamiento de un amortiguador bitubo.

Ahora, veremos un video del funcionamiento de un amortiguador monotubo.

El Diferencial

7mo Año - Sistemas de Transmisión

Es un componente mecánico encargado de entregar la energía proveniente de la planta impulsora y caja de cambios, distribuyendo el movimiento y par a cada rueda en forma variable, según las circunstancias.

Diferencial STD con sus componentes a la vista

El camino de la energía comienza con el piñón, luego la corona, campana o caja de satélites, perno porta satélites, satélites, planetarios, palieres y salida hacia las ruedas.

Según la trayectoria del vehículo y la tracción que este entregue al suelo, el diferencial se comporta de diferentes formas. Damos ejemplos de ellas.

Con vehículo transitando en línea recta, el camino de la energía es el antes indicado, con ambos planetarios sin variación, por ende, los satélites no se mueven. La energía se envía al 50 % a cada rueda.

Nota: Fuera del diferencial, las ruedas giran igual RPM. Dentro del diferencial, satélites y planetarios se mantienen detenidos pero en traslación de todo el conjunto acoplado a la corona.

Cuando el vehículo toma una curva, la rueda externa acelera, mientras que rueda interna desacelera.

Nota: Dentro del diferencial planetarios rotan sobre su eje (palieres) en sentido contrario. Luego, vuelven a su posición inicial. Esta rotación opuesta es gracias a la interacción con los satélites que se encuentran acoplados en toma directa con los planetarios.

Cuando una rueda se bloquea (0 RPM) la otra gira, recibiendo el 100 % de la energía.

Nota: Dentro del diferencial, el planetario del lado de la rueda bloqueada, se detiene, dejando de trasladarse con el conjunto diferencial, lo que provoca una rotación de los demás engranajes, redistribuyendo la energía al segundo planetario, haciendo girar la rueda opuesta.

Nota: Mientras el diferencial reciba energía proveniente del motor, al menos una rueda girará. (La de menor adherencia)

Diferencial con sus partes internas, sin campana, para observar con detenimiento el conjunto

Diagrama teórico de un diferencial con sus distintas partes

A continuación, veremos video de como funciona un diferencial STD.

El Alternador

5to Año - Inst. y Mant. Elect. del Automotor

El alternador es una máquina electromecánica que convierte energía mecánica en eléctrica. Genera corriente alterna - trifásica, la recolecta, la rectifica, la regula y la entrega para recargar la batería y alimentar los circuitos del vehículo.

Como generador, trabaja con la configuración de bobina fija y campo móvil, con el inductor como rotor y el inducido como estator. El inductor es alimentado con CC proveniente de la batería (previa regulación) a través de dos colectores y un par de escobillas, también llamadas carbones.

Una CC regulada (regulador de tensión) de acuerdo a las RPM del motor a combustión, alimenta la bobina del inductor creando un campo magnético de flujo variable. Al girar el rotor, gracias a la conexión del alternador con el motor de ciclo otto (Polea y correa) provoca el corte de líneas de fuerza del campo por las espiras del bobinado estatórico. En este último, se induce una fem en los extremos de sus bobinas, conectadas en serie. Como ya dijimos, a la salida del b. inducido, obtenemos CA que debemos rectificar con un trio de diodos de Germanio por polo (6 en total. 3 pos - 3 neg) Internamente, los alternadores modernos vienen conexionados junto al regulador que controla la alimentación del campo, por lo que, la salida de alimentación externa se conecta directamente a la batería.

Alternador moderno con regulador incorporado

Partes componentes de un alternador

Diagrama de conexión de campo y diodos rectificadores

Diagrama conexión diodos rectificadores

Tipos de diodos rectificadores

Conexionado de alternador con regulador externo (antiguo)

Rotor en piezas. Masas polares, bobina inductora, eje y colectores.

Regulador de tensión con porta escobillas

Motor de arranque

5to Año - Inst. y Mant. Elect. del Automotor

A continuación, recordaremos aspectos ya vistos en clase del motor de arranque.

El motor de arranque es una máquina electromecánica encargada de hacer girar el motor a combustión interna ciclo otto que, junto al sistema de encendido, permiten que el mismo se ponga en marcha. Trabaja bajo el principio de repulsión magnética de dos campos con polaridades idénticas. El torque es entregado por el bendix que entra en contacto con la corona de arranque, ubicada en el volante motor. El desplazamiento del bendix se produce, junto a la alimentación del motor principal, por acción del empuje del perno y horquilla del solenoide.

Sus partes componentes son:

• Solenoide (Bobina impulsora, bob. de retención, contactos principales y perno central)
• Horquilla
• Bendix
• Motor de arranque (Campos, inducido, carbones)
• Bujes de bronce esterizado
• Tapas delantera, trasera y carcaza.

Componentes de motor de arranque STD

Campos. Noten conexionado para 2 pares de escobillas

Diagrama analítico de conexionado de MA

Tipos de bujes de bronce sinterizado (aleación de alta resistencia)

MA con tren epicicloidal. Mayor RPM, mas par, Menor consumo. MA moderno