PowerTrain ó Mecanismo de Transmisión - AAVEA

PowerTrain ó Mecanismo de Transmisión - AAVEA

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Powertrain ó Mecanismo de Transmisión
Motor térmico – Motor eléctrico
Caja de cambios
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades es el elemento encargado de
obtener en las ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo
estando parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las
resistencias al avance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de
rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso.
El motor de combustión interna alternativo, al revés de lo que ocurre con la máquina de
vapor o el motor eléctrico, necesita un régimen de giro suficiente (entre un 30% y un
40% de las rpm máximas) para proporcionar la capacidad de iniciar el movimiento del
vehículo y mantenerlo luego. Aun así, hay que reducir las revoluciones del motor en
una medida suficiente para tener el par suficiente; es decir si el par requerido en las
ruedas es 10 veces mayor que el que proporciona el motor, hay que reducir 10 veces el
régimen de vueltas del motor de combustión.
Esto se logra mediante las diferentes relaciones de desmultiplicación obtenidas en el
cambio, más la del grupo de salida en el diferencial. El sistema de transmisión
proporciona las diferentes relaciones de engranajes, de tal forma que la misma
velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en
las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción es la disminución de velocidad de giro
con respecto al motor, y el aumento en la misma medida del par motor. Esto se entiende
mejor con la expresión de la potencia P en un eje motriz:
{
}}
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donde:
•
•
•
es la potencia (en W)
es el par motor (en N·m)
es la velocidad angular (en rad/s)
En función de esto, si la velocidad de giro (velocidad angular) transmitida a las
ruedas es menor, el par motor aumenta, suponiendo que el motor entrega una
potencia constante y viceversa.
La caja de cambios tiene pues la misión de reducir el número de revoluciones del
motor, según el par necesario en cada instante. Además de invertir el sentido de giro en
las ruedas, cuando se necesita de la marcha atrás. Va acoplada al volante de inercia del
motor térmico, del cual recibe movimiento a través del embrague. Acoplado a la caja va
el resto del sistema de transmisión.
Existe además otra razón para su uso. Debido a las características de construcción del
motor de combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entre
potencia obtenida en la combustión y potencia útil entregada a la salida), tienen esta
forma:
Obsérvese que hay una zona en la que el motor está entregando una potencia elevada,
con un alto par y un rendimiento también elevado. Es deseable que el motor siempre
estuviera funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la velocidad del motor
sobrepasa esta zona, se pierde par, además de que el rendimiento desciende
rápidamente.
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Puede ser, que incluso si no se cambia de marcha, el motor no suministre suficiente par
como para continuar acelerando el vehículo, además de todos los inconvenientes que
supone tener elementos girando a velocidades tan altas como 7000-8000 rpm (para un
motor corriente, esto supone alto desgaste, además de ruidos e incrementos demasiado
elevados de temperatura, y a largo plazo puede originar el fallo de alguna pieza).
Debido a esto, es necesario reducir la velocidad del motor al sobrepasar esta zona.
Como no interesa alterar la velocidad del vehículo según las necesidades del motor, sino
al contrario, se instala una caja de cambios que permite modificar la relación existente
entre la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo y el giro del motor de
combustión (rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las relaciones
cinématicas de engranajes, se demuestra que esta relación es de tipo lineal.
Supongamos que se tiene una caja de cambios de cuatro velocidades que presenta una
relación entre velocidad del vehículo y en el motor que obedece a la gráfica anterior.
Obsérvese la zona de máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega a
10 km/h empieza el motor a funcionar fuera de dicha zona, lo que implica pasar a la 2ª
velocidad. Al cambiar a dicha marcha, el motor ya funciona en un régimen inferior a
dicha zona, pero al acelerar se alcanzará. Al llegar a 50 km/h se repetiría la acción con
la 3ª marcha, etc.
La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas (engranajes)
dispuestas en tres árboles.
•
•
•
Árbol (eje) primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el
motor. Habitualmente lleva un único piñón conductor en las cajas
longitudinales para tracción trasera o delantera. En las transversales lleva varios
piñones conductores. Gira en el mismo sentido que el motor.
Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contraeje. Consta de un
piñón-corona conducido que engrana con el árbol primario, y de varios piñones
y que son solidarios al eje que pueden engranar con el árbol secundario en
función de la marcha seleccionada. Gira en el sentido opuesto al motor.
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•
Árbol secundario. Consta de varios engranajes conducidos que están montados
sueltos en el árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante
un sistema de desplazables. En otros tipos de cambio, especialmente
motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan
enteros sobre el eje.
Con la “palanca de cambios” se modifica las diferentes relaciones entre los
engranajes, lo que determina la posición de la marcha 1º, 2º, 3º,4º ó 5º.
Embrague
La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el
embrague.
El embrague es un sistema que permite tanto transmitir como interrumpir la transmisión
de una energía mecánica a su acción final de manera voluntaria. En un automóvil, por
ejemplo, permite al conductor controlar la transmisión del par motor desde el motor
térmico hacia las ruedas.
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Diferencial
Se conoce como “diferencial” al
componente mecánico encargado, de
trasladar la rotación, que viene del
motor/transmisión, hacia las ruedas
encargadas de la tracción.
El objetivo es: administrar la fuerza motriz,
en las ruedas encargadas de la tracción,
tomando como base, la diferencia de paso
o rotación entre una rueda, con relación a
la otra. .
Un vehiculo al tomar una curva, una rueda
recorre mas espacio que la otra. Si se toma una curva a la derecha, la rueda interna
(derecha) recorrerá un distancia menor que la externa (izquierda
El diferencial tiene la función de corregir estas diferencias a través del mecanismo
mostrado en la figura.
Un vehiculo regular, deriva la tracción o fuerza motriz a dos ruedas, que pueden ser las
de adelante, o las de atrás; como consecuencia, toman el nombre, tracción trasera, o
tracción delantera.
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Motor eléctrico versus motor de combustión:
par, potencia y eficiencia
Diferencias entre los motores eléctricos y los térmicos a la hora de entregar el par y la
potencia. Es enorme la diferencia de rendimiento energético entre ambos.
Definiciones sencillas comunes a estos motores:
Par motor: Es la fuerza con la que gira el eje del motor. Se mide en Newton/metro (Nm)
Régimen de giro: Es el nº de vueltas que da el eje motor por unidad de tiempo. Se mide
en revoluciones por minuto (rpm).
Potencia motor: Es la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo y se obtiene de
multiplicar el par por las revoluciones. Se mide en caballos vapor o caballos de fuerza
(CV o HP) o en Kilowatios (kW): 1 HP : 746 Watts
1 CV : 736 Watts
Los gráficos de potencia, par y revoluciones definen las relaciones entre estos
parámetros para cada motor. Y como luego veremos que los motores eléctricos
presentan ventajas importantes frente a los térmicos es este área.
También reseñar que para mover cargas pesadas (locomotoras, camiones, tractores...) se
utilizan motores elásticos (buenos valores de par desde bajas vueltas) y de par muy
elevado, mientras que para cargas ligeras o competición se utilizan motores muy
revolucionados, en los que el par a bajas vueltas no es tan importante.
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Un ejemplo: cualquier motor turbodiesel actual de 2 litros tiene un par motor similar o
superior a un motor de F1, pero mientras que el primero lo alcanza a menos de 2000
rpm, el otro lo alcanza a más de 15.000 rpm, con lo que las diferencias finales de
potencia son abismales.
Entrando ya en materia, en el gráfico superior podemos ver las curvas típicas de un
motor eléctrico y de un motor de gasolina de 1600 cm3, se compara dos motores de la
empresa Nissan, de 109 CV de potencia. La potencia máxima es la misma, pero en
realidad el motor eléctrico es más potente es casi todas las circunstancias: hasta 1000
rpm ofrece más del triple de potencia, hasta 2000 rpm más del doble y aunque las
curvas se van acercando hacia las 6.000 rpm, el gasolina corta a 6.500 rpm y el del Leaf
aún ofrece su potencia máxima hasta 9800 rpm y gira hasta las 10.400 rpm.
Por eso cuando la gente prueba un coche eléctrico por primera vez, se sorprende por la
sensación de potencia a velocidades bajas o medias. No es una sensación, es real. Son
mucho más potentes que un vehículo térmico equivalente en esas condiciones.
Otro factor diferenciador importante es que el motor térmico es incapaz de girar por
debajo del régimen de ralenti (unas 700 rpm): el giro se vuelve inestable y se para. En
cambio el eléctrico es capaz de girar igual de equilibrado y con la misma fuerza (par) a
20 rpm que a 2000 rpm. Y desde 0 rpm dispone ya del par máximo. El motor
eléctrico no necesita girar cuando el vehículo está parado, ni un embrague para
iniciar la marcha acoplando el mismo a una caja de velocidad o diferencial.
Y como para el inicio de la marcha lo importante es el par y no la potencia, si le
acoplásemos una caja de 5 marchas sería capaz de arrancar con toda suavidad con
cualquiera de ellas, aunque lógicamente en las marchas largas las aceleraciones serían
menos evidentes.
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Un dato adicional del Nissan Leaf, su caja reductora tiene un desarrollo final similar al
de una 2ª típica de un coche térmico (14,3 km/h por 1000 rpm), por lo que alcanza su
régimen máximo de giro a 150 km/h, limitando de esta forma su velocidad máxima.
Más gráficos de motores eléctricos: Fluence 95 CV y Kangoo 60 CV. En realidad
estamos ante el mismo motor, como demuestra el hecho de que el par máximo sea
idéntico. Cambian las especificaciones, de manera que el motor del Fluence es capaz de
mantener el par a más revoluciones.
Llama la atención unas curvas de par atípicas, con un trazo ascendente en las primeras
rpm. Renault anunció hace tiempo una limitación electrónica del par a pocas vueltas
para conseguir más suavidad y progresividad en el arranque.
Quizás la causa hay que buscarla en los desarrollos de transmisión escogidos, aún más
cortos que en el Leaf: 11 km/h a 1.000 rpm (Kangoo) y de 12 km/h a 1000 rpm
(Fluence). Esto significa que en la Kangoo el motor gira a 12.000 rpm a 130 km/h y en
el Fluence gira a más de 11.000 rpm a 135 km/h.
Volviendo al primer gráfico, el del motor del Tesla Roadster, vemos que el motor se
estira hasta unas increíbles 14.000 rpm, manteniendo un par constante desde 0 hasta
6.000 rpm, para luego decaer de forma rápida, dando lugar a una curva de potencia más
"puntiaguda" de lo habitual en los motores eléctricos. En este caso, y dada la
orientación deportiva del modelo, quizás si hubiese estado justificada la adopción de
una caja de cambios con dos o tres marchas (no haría falta más) para aprovechar todo su
potencial. De hecho las primeras unidades llevaban una caja Magna de dos velocidades
que terminó siendo desechada por factores como fiabilidad, coste y peso, a pesar de
conseguirse mejores prestaciones.
Rendimiento energético
En un motor eléctrico es la relación entre la energía eléctrica que absorbe y la energía
mecánica que ofrece. En los coches eléctricos se montan motores de alto rendimiento,
con una eficiencia media del 90%.
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En los motores térmicos la eficiencia energética es la relación entre la energía contenida
en el combustible y la energía mecánica ofrecida. Su rendimiento es muy inferior al de
los motores eléctricos, ya que la combustión genera mucho calor que no es
aprovechable y son necesarias muchas piezas móviles que generan pérdidas por
rozamientos. La mayor parte de la energía se pierde en forma de calor, bien a través del
radiador, escape, bloque motor.... Hay muchas cifras contradictorias en cuanto a sus
rendimientos reales en función de las condiciones de estudio y el tipo de motores. En
general se estima un límite del 25% para los motores de gasolina y del 30% para los
grandes motores diésel.
Dado que 1 litro de nafta contiene una energía equivalente de 9,7 kWh y el litro de gasoil contiene 10,3 kWh, podríamos llegar a comparar la eficiencia de diferentes
vehículos (eficiencia del coche, no del motor). Por ejemplo, podemos comparar un
eléctrico como el Leaf, con uno de nafta eficiente como el Golf 1,4 TSI 122 CV y un
diésel como el Golf1,6 TDI 105 CV. Sus consumos homologados son:
* Leaf: 13,7 kWh/100 km / 0,85 (rendimiento estimado carga batería) =
= 16,1 kWh/100 km
* Golf 1,6 TDI: 4,7l/100 km x 10,3 kWh = 48,4 kWh/100 km
* Golf 1,4 TSI: 6,0 l/100 km x
9,7 kWh = 58,2 kWh/100 km
El rendimiento energético del vehículo eléctrico triplica al del vehículo térmico.
(Un dato impactante, la batería del Leaf de 24 kWh, 300 kg de peso y valorada en
muchos miles de U$S, sólo puede almacenar una energía equivalente de poco más de 2
litros de nafta o gas-oil)
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En este último gráfico vamos a ver otra diferencia entre el rendimiento de los motores
eléctricos y los térmicos.
Primero explicaremos este gráfico de eficiencia del Leaf:
La línea superior (280 Nm) corresponde al valor del par con carga máxima (acelerador a
fondo), mientras que la línea horizontal (valor par = 0 Nm) refleja el valor sin carga.
Para todas las situaciones posibles de rpm, par y cargas, el gráfico nos asigna un valor
de eficiencia mediante el gradiente de color.
Lo primero que llama la atención es que la eficiencia es bastante homogénea y siempre
superior al 85%. Y la máxima eficiencia se consigue con cargas parciales medias y altas
y a rpm elevadas. Esto es típico de los motores eléctricos.
¿cuál sería la recomendación para un vehículo eléctrico si dispusiésemos de una caja de
cambios con varias relaciones?
Al insertar una marcha larga disminuyen las rpm del motor al tiempo que aumentan las
cargas y el par. Si volvemos al gráfico vemos que la respuesta no está clara: una
disminución del régimen nos podría sacar de la zona más eficiente, mientras que un
aumento del par nos podría favorecer. En todo caso hablaríamos de diferencias mínimas
de eficiencia.
La conclusión es que una caja de cambios no aporta una mejora significativa en el
consumo en los vehículos eléctricos, al contrario de lo que se comenta habitualmente,
seguramente por una asimilación del modelo de los motores térmicos.
Curiosidad: ¿Sabes de dónde proviene lo de HP? Horse Power (fuerza de caballo).
Ocurrió que en Inglaterra a fines del siglo XVIII, con el advenimiento de las máquinas
de vapor para aplicaciones agrícolas, los campesinos preguntaban a los fabricantes a
cuantos caballos podían reemplazar con aquellas máquinas.
De la medida promedio de la potencia que desarrollaba un caballo de carne y hueso
nació el Horse Power, o como le llamamos nosotros "caballo de fuerza".
Los franceses estaban por entonces en un grado de desarrollo similar, y por no usar la
misma denominación que los del otro lado del canal de la Mancha inventaron el CV o
caballo vapor, que era muy parecido al HP inglés pero no exactamente igual....... es
decir que era un HP francés.
--------------------------------------------Fuente: Wikipedia, la enciclopedia libre/ www.teslamotors.com/ www.nissan.com/
Rosario, Marzo2013.-
Recopilación, traducción, adaptación
Ing. Ricardo Berizzo - U.T.N.
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