CAPITULO I HISTORIAS Y ANTECEDENTES
1.1 HISTORIA Y ANTECEDENTES Todas las máquinas requieren de una fuerza motriz. En la antigüedad ésta venía de animales, seres humanos o los elementos, como el viento o corrientes de agua. Hoy en día uno de los problemas principales de la Ingeniería Mecánica es la transmisión de movimiento, entre un conjunto motor y máquinas conducidas. Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados de madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. Algunos de esos elementos, ya eran fabricados de aleaciones de algún metal, con el fin de mejorar sus prestaciones (fig. 1.1)
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Fig. 1.1 Molde chino para fabricar engranajes de bronce (siglos II a.C. a III d.C.)
El mecanismo de engranajes más antiguo de cuyos restos disponemos es el mecanismo de Antikyithera. Se trata de una calculadora astronómica datada entre el 150 y el 100 a. C. y compuesta por al menos 30 engranajes de bronce con dientes triangulares. Presenta características tecnológicas avanzadas como por ejemplo trenes de engranajes epicicloidales que, hasta el descubrimiento de este mecanismo, se creían inventados en el siglo XIX. Por citas de Cicerón, se sabe que el de anticitera no fue un ejemplo aislado sino que existieron al menos otros dos mecanismos similares en esa época, construidos por Arquímedes y por Posidonio. Por otro o tro lado, a Arquímedes se le suele considerar uno de los inventores de los engranajes porque diseñó un tornillo sin fin.
Fig. 1.2 Mecanismo de Antikythera
En China también se han conservado ejemplos muy antiguos de máquinas con engranajes. Un ejemplo es el llamado "carro que apunta hacia el Sur" (120-250 d. C.), un ingenioso mecanismo que mantenía el brazo de una figura humana apuntando siempre hacia el Sur gracias al uso de engranajes diferenciales epicicloidales. Algo anterior, en torno a 50 d. C., son los engranajes helicoidales tallados en madera y hallados en una tumba real en la ciudad china de Shensi. No está claro cómo se transmitió la tecnología de los engranajes en los siglos siguientes. Es posible que el conocimiento de la época del mecanismo de Anticitera sobreviviese y
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contribuyese al florecimiento de la ciencia y la tecnología en el mundo islámico de los siglos IX al XIII. Por ejemplo, un manuscrito andalusí del siglo XI menciona por vez primera el uso en relojes mecánicos tanto de engranajes epicíclicos como de engranajes segmentados. Los trabajos islámicos sobre astronomía y mecánica pueden haber sido la base que permitió que volvieran a fabricarse calculadoras astronómicas en la Edad Moderna. En los inicios del Renacimiento esta tecnología se utilizó en Europa para el desarrollo de sofisticados relojes, en la mayoría de los casos destinados a edificios públicos como catedrales.
Fig. 1.3 Engranaje helicoidal de Leonardo
El inventor de los engranajes en todas sus formas fue Leonardo da Vinci, quien a su muerte en la Francia de 1519, dejó para nosotros sus valiosos dibujos y esquemas de muchos de los mecanismos que hoy utilizamos diariamente (fig1.3).
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Fig. 1.4 Transmisión de Da Vinci
La forma más básica de un engrane es una pareja de ruedas, una de ellas provistas de barras cilíndricas y la otra formada por dos ruedas unidas por barras cilíndricas. En la figura 1.4 se aprecia un mecanismo para repeler ataques enemigos, consiste de aspas al nivel del techo movidas por un eje vertical, unido a un "engranaje", el movimiento lo producen soldados que giran una rueda a nivel del piso y provocando que los enemigos que han alcanzado el techo sean expulsados. En este mecanismo se muestra la transmisión entre dos ejes paralelos, uno de ellos es el eje motor y el otro el eje conducido. Leonardo se dedico mucho a la creación de máquinas de guerra para la defensa y el ataque, sus materiales fueron madera, hierro y cuerdas, que se elaboraban en forma rudimentaria, pero sus esquemas e invenciones trascienden el tiempo y nos enseñan las múltiples alternativas que nos brindan mecanismos básicos de palancas, engranes y poleas unidas entre sí en una máquina cuyo diseño geométrico es notable.
Fig. 1.5 Transmisión trasera de un carro
Fig. 1.6 Sin fin y corona diseñado por Da Vinci
Se puede deducir que la posición entre los ejes es de gran importancia al diseñar la transmisión. Las situaciones son principalmente tres: ejes paralelos, ejes que se cortan y ejes que se cruzan. Un ejemplo de esta última situación se aprecia en la figura 1.6, en donde una manivela mueve un elemento que llamaremos tornillo sin fin el que a su vez mueve la rueda unida a él. En este
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caso, el mecanismo se utiliza como tecle para subir un balde. Los ejes se encuentran en una posición ortogonal, o sea, se cruzan a 90 grados. Los engranes propiamente tales son ruedas provistas de dientes que posibilitan que dos de ellas se conecten entre sí (fig. 1.7). Los primeros datos que existen sobre la transmisión de rotación con velocidad angular uniforme por medio de engranajes, corresponden al año 1674, cuando el famoso astrónomo danés Olaf Roemer (1644-1710) propuso la forma o perfil del diente en epicicloide. Robert Willis (1800-1875), considerado uno de los primeros ingenieros mecánicos, fue el que obtuvo la primera aplicación práctica de la epicicloide al emplearla en la construcción de una serie de engranajes intercambiables. De la misma manera, de los primeros matemáticos fue la idea del empleo de la evolvente de círculo en el perfil del diente, pero también se deben a Willis las realizaciones prácticas. A Willis se le debe la creación del odontógrafo, aparato que sirve para el trazado simplificado del perfil del diente de evolvente. Es muy posible que fuera el francés Phillipe de Lahire el primero en concebir el diente de perfil en evolvente en 1695, muy poco tiempo después de que Roemer concibiera el epicicloidal. La primera aplicación práctica del diente en evolvente fue debida al suizo Leonhard Euler (1707 ). En 1856, Christian Schiele descubrió el sistema de fresado de engranajes rectos por medio de la fresa madre, pero el procedimiento no se llevaría a la práctica hasta 1887, a base de la patente Grant.
Fig. 1.7 Transmisión antigua
En 1874, el norteamericano William Gleason inventó la primera fresadora de engranajes cónicos y gracias a la acción de sus hijos, especialmente su hija Kate Gleason (1865-1933), c onvirtió a su empresa Gleason Works, radicada en Rochester (Nueva York, EEUU) en una de los fabricantes de máquinas herramientas más importantes del mundo. En 1897, el inventor alemán Robert Hermann Pfauter (1885-1914), inventó y patentó una máquina universal de dentar engranajes rectos y helicoidales por fresa madre. A raíz de este invento y otros muchos inventos y aplicaciones que realizó sobre el mecanizado de engranajes, fundó la empresa Pfauter Company que, con el paso del tiempo, se ha convertido en una multinacional fabricante de todo tipo de máquinas-herramientas.
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En 1906, el ingeniero y empresario alemán Friedrich Wilhelm Lorenz (1842-1924) se especializó en crear maquinaria y equipos de mecanizado de engranajes y en 1906 fabricó una talladora de engranajes capaz de mecanizar los dientes de una rueda de 6 m de diámetro, módulo 100 y una longitud del dentado de 1,5 m.
Fig. 1.8 Grúa accionada con engranajes
A finales del siglo XIX, coincidiendo con la época dorada del desarrollo de los engranajes, el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventó un método revolucionario para mecanizar tornillos sin fin glóbicos tales como los que se montaban en las cajas de dirección de los vehículos antes de que fuesen hidráulicas. En 1905, M. Chambon, de Lyon (Francia), fue el creador de la máquina para el dentado de engranajes cónicos por procedimiento de fresa madre. Aproximadamente por esas fechas André Citroën inventó los engranajes helicoidales dobles. 1.2 RESEÑA HISTÓRICA DE LOS CAMBIOS DE VELOCIDADES Ya en 1887, Karl Benz fue el primero que intentó resolver el problema del cambio de l a relación de velocidades para poder subir por cuestas pronunciadas. Benz diseñó un mecanismo llamado Kripto que se componía de un tren de engranajes epicicloidales que proporcionaba dos velocidades: una reductora y transmisión directa, además de la marcha atrás. Su aplicación en el campo automovilístico se debe a Gottlich Daimler y Wilhelm Maybach, quienes diseñaron el primer cambio de engranajes que en el período 1894-1896 fueron aplicados a los automóviles de la Panhard & Levassor, propulsados por motores Daimler. Los primeros cambios por engranajes eran de "piñones desplazables", y los que más se podían encontrar eran de dos tipos: de 3 y de 2 árboles. En el primer tipo de cambio de 3 árboles, el movimiento se transmitía mediante un primer engranaje constante, desde el árbol primario o de entrada (solidario al cigüeñal) hasta el árbol intermediario (al que se montaban fijas una serie de ruedas dentadas). Del intermediario se transmitía el movimiento a un tercer árbol, el secun-dario o de salida, unido al par cónico y al diferencial. El secundario estaba alineado con el primario y sus piñones se podían desplazar axialmente, girando solidarios con el árbol gracias a las estrías de éste. Mediante un mando, cada una de las ruedas se podía desplazar secuencialmente para engranar con el correspondiente del árbol intermediario. La toma directa se obtenía al conectar solidariamente el primario y el secundario, por medio de los dientes frontales de cada una de las ruedas del árbol estriado, lo que permitía obtener
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grandes ventajas desde el punto de vista del rendimiento, al eliminar las pérdidas mecánicas debidas a la transmisión por engranajes. El segundo tipo de cambio estaba compuesto únicamente por dos árboles: primario y secundario; uno de ellos estriado y con los piñones desplazables axialmente, mientras que el otro tenía piñones ensamblados, por lo que la transmisión directa de velocidades era imposible de ser realizada. El cambio por piñones o engranajes desplazables, fue el más utilizado hasta los años treinta, y posteriormente fue abandonado debido a las desventajas que presentaba respecto al sistema de toma constante, como por ejemplo las sacudidas que aparecerían al engranar piñones que giraban a velocidades periféricas diferentes, con lo que se producían esfuerzos excesivos y rápido desgaste. Otro inconveniente del cambio con engranajes desplazables era la imposibilidad de la sincronización, ya que todos los piñones giran simultáneamente con los árboles. A lo largo de la década de los 1980, los modelos de automóviles pasaron a incorporar cajas manuales de cinco cambios, en la década de los 1990, sólo los automóviles de bajo costo o del segmento A tenían cajas de cuatro marchas. En la última década, los modelos de alta gama, en particular aquellos con motor diésel, pasaron a incorporar una sexta marcha, para poder circular en autopista con el motor a bajo régimen, y por lo tanto con consumos menores.
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CAPITULO II MARCO TEORICO
2.1ESTUDIO DE CAJA DE CAMBIO MANUALES El sistema de cambio de marchas manual ha evolucionado notablemente desde los primeros mecanismos de caja de cambios de marchas manuales sin dispositivos de sincronización hasta
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Las actuales cajas de cambio sincronizadas de dos ejes. Independientemente de la disposición transversal o longitudinal y delantera o trasera, las actuales cajas de cambios manuales son principalmente de dos tipos:
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De tres ejes: un eje primario recibe el par del motor a través del embrague y lo transmite a un eje intermediario. Éste a su vez lo transmite a un eje secundario de salida, coaxial con el eje primario, que acciona el grupo diferencial. De dos ejes: un eje primario recibe el par del motor y lo transmite de forma directa a uno secundario de salida de par que acciona el grupo diferencial.
En ambos tipos de cajas manuales los piñones utilizados actualmente en los ejes son de dentado helicoidal, el cual presenta la ventaja de que la transmisión de par se realiza a través de dos dientes simultáneamente en lugar de uno como ocurre con el dentado recto tradicional siendo además la longitud de engrane y la capacidad de carga mayor. Esta mayor suavidad en la transmisión de esfuerzo entre piñones se traduce en un menor ruido global de la caja de cambios. En la marcha atrás se pueden utilizar piñones de dentado recto ya que a pesar de soportar peor la carga su utilización es menor y además tienen un coste más reducido. En la actualidad el engrane de las distintas marchas se realiza mediante dispositivos de sincronización o "sincronizadores" que igualan la velocidad periférica de los ejes con la velocidad interna de los piñones de forma que se consiga un perfecto engrane de la marcha sin ruido y sin peligro de posibles roturas de dentado. Es decir, las ruedas o piñones están permanentemente engranadas entre sí de forma que una gira loca sobre uno de los ejes que es el que tiene que engranar y la otra es solidaria en su movimiento al otro eje. El sincronizador tiene, por tanto, la función de un embrague de fricción progresivo entre el eje y el piñón que gira libremente sobre él. Los sincronizadores suelen ir dispuestos en cualquiera de los ejes de forma que el volumen total ocupado por la caja de cambios sea el más reducido posible. Existen varios tipos de sincronizadores de los cuales destacan: sincronizadores con cono y esfera de sincronización, sincronizadores con cono y cerrojo de sincronismo, sincronizadores con anillo elástico, etc. El accionamiento de los sincronizadores se efectúa mediante un varillaje de cambio que actúa mediante horquillas sobre los sincronizadores desplazándolos axialmente a través del eje y embragando en cada momento la marcha correspondiente. Los dispositivos de accionamiento de las distintas marchas dependen del tipo de cambio y de la ubicación de la palanca de cambio. A continuación se van a estudiar los dos tipos de cajas de cambios. La primera caja de cambios es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal de un vehículo de propulsión trasera. La segunda, es una caja manual de dos ejes con disposición transversal, de un vehículo con tracción delantera con tracción delantera por lo que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de cambios. La situación de la caja de cambios en el vehículo dependera de la colocacion del motor y del tipo de transmisión ya sea está delantera o trasera.
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situación de la caja de cambios en un vehículo con situación dela caja de cambio en un motor delantero transversal y tracción delantera vehículo con motor delantero longitud y propulsión trasera
Estas dos disposiciones de la caja de cambios en el vehículo son las mas utilizadas, aunque existe alguna mas, como la de motor delantero longitudinal y tracción a las ruedas delanteras. 2.2 CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE TRES EJES. Este tipo de cajas es el más tradicional de los usados en los vehículos actuales y tiene la ventaja principal de que al transmitir el par a través de tres ejes, los esfuerzos en los piñones son menores, por lo que el diseño de éstos puede realizarse en materiales de calidad media. En la figura inferior se muestra un corte longitudinal de una caja de cambios manual de cuatro velocidades dispuesto longitudinalmente. El par motor se transmite desde el cigüeñal del motor hasta la caja de cambios a través del embrague (Q). A la salida del embrague va conectado el eje primario (A) girando ambos de forma solidaria. De forma coaxial al eje primario, y apoyándose en éste a través de rodamiento de agujas, gira el eje secundario (M) transmitiendo el par desmultiplicado hacia el grupo cónico diferencial. La transmisión y desmultiplicación del par se realiza entre ambos ejes a través del eje intermediario (D).
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El eje primario (A) del que forma parte el piñón de arrastre (B), que engrana en toma constante con el piñón (C) del árbol intermediario (D), en el que están labrados, además, los piñones (E, F y G), que por ello son solidarios del árbol intermediario (D). Con estos piñones engranan los piñones (H, I y J), montados locos sobre el árbol secundario (M), con interposición de cojinetes de agujas, de manera que giran libremente sobre el eje arrastrados por los respectivos pares del tren intermediario. El eje primario recibe movimiento del motor, con interposición del embrague (Q) y el secundario da movimiento a la transmisión, diferencial y, por tanto, a las ruedas. Todos los ejes se apoyan en la carcasa del cambio por medio de cojinetes de bolas, haciéndolo la punta del eje secundario en el interior del piñón (B) del primario, con interposición de un cojinete de agujas. Para transmitir el movimiento que llega desde el primario al árbol secundario, es necesario hacer solidario de este eje a cualquiera de los piñones montados locos sobre él. De esta manera, el giro se transmite desde el primario hasta el tren fijo o intermediario, por medio de los piñones de toma constante (B y C), obteniéndose el arrastre de los piñones del secundario engranados con ellos, que giran locos sobre este eje. Si cualquiera de ellos se hace solidario del eje, se obtendrá el giro de éste. La toma de velocidad se consigue por medio de sincronizadores (O y M), compuestos esencialmente por un conjunto montado en un estriado sobre el eje secundario, pudiéndose desplazar lateralmente un cierto recorrido. En este desplazamiento sobre el estriado el sincronizador se acopla con los piñones que giran locos sobre el árbol secundario. En la figura inferior se muestra el despiece de una caja de cambios de engranajes helicoidales, con sincronizadores, similar a la descrita anteriormente. El eje primario 5 forma en uno de sus extremos el piñón de toma constante (de dientes helicoidales). Sobre el eje se monta el cojinete de bolas 4, en el que apoya sobre la carcasa de la caja de cambios, mientras que la punta del eje se aloja en el casquillo de bronce 1, emplazado en el volante motor.
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En el interior del piñón del primario se apoya, a su vez, el eje secundario 19, con interposición del cojinete de agujas 6. Por su otro extremo acopla en la carcasa de la caja de cambios por medio del cojinete de bolas 28. Sobre este eje se montan estriados los cubos sincronizadores, y "locos" los piñones. Así, el cubo sincronizador 10, perteneciente a tercera y cuarta velocidades, va estriado sobre el eje secundario, sobre el que permanece en posición por los anclajes que suponen las arandelas de fijación 9, 13 y 14. En su alojamiento interno se disponen los anillos sincronizadores 7 (uno a cada lado), cuyo dentado engrana en el interior de la corona desplazable del cubo sincronizador 10. Estos anillos acoplan interiormente, a su vez, en las superficies cónicas de los piñones del primario por un lado y del secundario 11 por otro. Cuando la corona del cubo sincronizador 10 se desplaza lateralmente a uno u otro lado, se produce el engrane de su estriado interior, con el dentado de los anillos sincronizadores 7 y, posteriormente, con el piñón correspondiente en su dentado recto (si se desplaza a la izquierda, con el piñón del primario y a la derecha con el 11 del secundario). En esta acción, y antes de lograrse el engrane total, se produce un frotamiento del anillo sincronizador con el cono del piñón, que iguala las velocidades de ambos ejes, lo que resulta necesario para conseguir el engrane. Una vez logrado éste, el movimiento es transmitido desde el piñón al cubo sincronizador y de éste al eje secundario. En el secundario se montan locos los piñones 15 (de segunda velocidad) y 26 (de primera velocidad), con los correspondientes anillos sincronizadores 17 y cubo sincronizador. Cada uno de los piñones del secundario engrana en toma constante con su correspondiente par del tren intermediario 20, quedando acoplados como se ve en la figura superior. En el tren intermediario se dispone un piñón de dentado recto, que juntamente con el de reenvío 23 y el formado en el cubo sincronizador de primera y segunda velocidades, constituyen el dispositivo de marcha atrás.
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DESPIECE DE UNA CAJA DE CAMBIOS DE 3 EJES
2.3 FUNCIONAMIENTO. Constituida una caja de cambios como se ha explicado, las distintas relaciones se obtienen por la combinación de los diferentes piñones, en consecuencia con sus dimensiones. En las cajas de cambio de tres ejes, el sistema de engranajes de doble reducción es el utilizado generalmente en las cajas de cambio, pues resulta mas compacto y presenta la ventaja sustancial de tener alineados entre si los ejes de entrada y salida. Para la obtención de las distintas relaciones o velocidades, el conductor acciona una palanca de cambios, mediante la cual, se produce el desplazamiento de los distintos cubos de sincronización (sincronizadores), que engranan con los piñones que transmiten el movimiento.
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En esta caja de cambios (figura superior) se produce una doble reducción cuando los piñones de "toma constante" (B y C) son de distintas dimensiones (nº de dientes). Por eso para calcular la reducción, tendremos utilizar la siguiente fórmula para la saber el valor de reducción. Por ejemplo en 1ª velocidad tendremos:
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.
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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, obteniendose 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.
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, obteniendose 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.
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
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ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniendose 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.
MARCHA ATRÁS (M.A.). Cuando se selecciona esta velocidad, se produce el desplazamiento del piñón de reenvio (T), empujado por un manguito. Al moverse el piñón de reenvio, 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 reenvio 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".
2.4 SINCRONIZADORES Las cajas de cambio desde hace muchos años utilizan para seleccionar las distintas velocidades unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno ha de engranar con el piñón loco del eje secundario correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente, se comprende que es necesario igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador) y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario, que gira a su vez movido por el motor desde el primario.
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Con el vehículo en movimiento, al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación, se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando, quedando la caja en posición de punto muerto. Esta operación es sencilla de lograr, puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador, con el que se produce el desengrane del piñón. Sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento, resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje), es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario, se producirían golpes en el dentado, que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra. Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague, mediante el cual, el eje primario queda en libertad sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado con el del eje secundario. Por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor, para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada.
En la figura inferior tenemos un sincronizador con "fiador de bola", donde puede verse el dentado exterior o auxiliar (1) del piñón loco del eje secundario (correspondiente a una velocidad cualquiera) y el cono macho (2) formado en el. El cubo deslizante (7) va montado sobre estrías sobre el eje secundario (8), pudiendose deslizarse en él un cierto r ecorrido, limitado por topes adecuados. La superficie externa del cubo está estriada también y recibe a la corona interna del manguito deslizante (3), que es mantenida centrada en la posición representada en la figura, por medio de un fiador de bola y muelle (6).
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Para realizar una maniobra de cambio de velocidad, el conductor lleva la palanca a la posición deseada y, con esta acción, se produce el desplazamiento del manguito deslizante, que por medio del fiador de bola (6), desplaza consigo el cubo deslizante (7), cuya superficie cónica interna empieza a frotar contra el cono del piñón loco que, debido a ello, tiende a igualar su velocidad de giro con la del cubo sincronizador (que gira solidario con el eje secundario). Instantes después, al continuar desplazandose el manguito deslizante venciendo la acción del fiador, se produce el engrane de la misma con el dentado auxiliar del piñón loco sin ocasionar golpes ni ruidos en esta operación, dado que las velocidades de ambas piezas ya están sincronizadas. En estas condiciones, el piñón loco queda solidario del eje secundario, por lo que al producirse la acción de embragado, será arrastrado por el giro del motor con la relación seleccionada. 2.5 CAJAS DE CAMBIO AUTOMATICAS El cambio automático es un sistema de transmisión que es capaz por si mismo de seleccionar todas las marchas o relaciones sin la necesidad de la intervención directa del conductor. El cambio de una relación a otra se produce en función tanto de la velocidad del vehículo como del régimen de giro del motor, por lo que el conductor no necesita ni de pedal de embrague ni de palanca de cambios. El simple hecho de pisar el pedal del acelerador provoca el cambio de relación conforme el motor varía de régimen de giro. El resultado que aprecia el conductor es el de un cambio cómodo que no produce tirones y que le permite prestar toda su atención al tráfico. Por lo tanto el cambio automático no sólo proporciona más confort, sino que aporta al vehículo mayor seguridad activa. Los elementos fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son: •
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un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida, al par que necesita la transmisión. un tren epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio.
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un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epicicloidales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos.
Precisamente el control electrónico es la mayor innovación que disponen los cambios automáticos actuales dando al conductor la posibilidad de elegir entre varios programas de conducción (económico, deportivo, invierno) mediante una palanca de selección, llegando actualmente a existir sistemas de control que pueden seleccionar automáticamente el programa de cambio de marchas más idóneo a cada situación concreta de conducción. Entre los datos que utilizan estos sistemas para sus cálculos se encuentran, la frecuencia con que el conductor pisa el freno, la pendiente de la carretera, el numero de curvas de la misma, etc. Antes de estudiar el funcionamiento de la caja de cambios automática, hay que explicar de forma individual, los elementos básicos que la forman.
2.6EMBRAGUE HIDRÁULICO. El embrague hidráulico que mas tarde evolucionara llamandose convertidor de par, actúa como embrague automático entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos, suele ser automática o semiautomática. Dicho embrague permite que el motor gire al ralentí (en vacío) y además transmite el par motor cuando el conductor acelera.
CONSTITUCIÓN DEL EMBRAGUE HIDRÁULICO Está constituido, como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y turbina) que tienen forma de semitoroide geométrico y están provistas de unos tabiques planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va unida al árbol motor por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga; la otra, unida al primario de la caja de cambios con giro libre en el volante, constituye la turbina o corona arrastrada. Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.
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CORONAS DE UN EMBRAGUE HIDRAULICO
DESPIECE DE UN EMBRAGUE HIDRAULICO
2.7FUNCIONAMIENTO. Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia rotación de la bomba o rotor conductor, formándose así un torbellino tórico. La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar. Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo. A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague. Cuando el motor gira rápidamente desarrollando su par máximo, el ac eite es impulsado con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de transmisión máximo). El par motor se transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente. Al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.
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ESQUEMA DE UN EMBRAGUE HIDRAULICO 2.8ENGRANAJE PLANETARIO. También llamado "engranaje epicicloidal", son utilizados por las cajas de cambio automáticas. Estos engranajes están accionados mediante sistemas de mando normalmente hidráulicos o electrónicos que accionan frenos y embragues que controlan los movimientos de los distintos elementos de los engranajes. La ventaja fundamental de los engranajes planetarios frente a los engranajes utilizados por las cajas de cambio manuales es que su forma es mas compacta y permiten un reparto de par en distintos puntos a través de los satélites, pudiendo transmitir pares mas elevados. Si quieres ver como funciona un engranaje planetario. En el interior (centro), el planeta gira en torno de un eje central. Los satélites engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón central. Los satélites se alojan con sus ejes en el portasatélites El portasatélites inicia el movimiento rotatorio de los satélites alrededor del piñón central; con ello, lógicamente, también en torno del eje central. La corona engrana con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal. El eje central es también centro de giro para la corona.
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Estos tres componentes (planeta, satélites y corona) del tren epicicloidal pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los componentes, los restantes pueden girar, transmitiendose 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, moviendose todo el sistema a la velocidad de rotación recibida por el motor.
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Las relaciones que se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si ante una entrada o giro de uno de sus elementos existe otro que haga de reacción. En función de la elección del elemento que hace de entrada o que hace de reacción se obtienen cuatro relaciones distintas que se pueden identificar con tres posibles marchas y una marcha invertida. El funcionamiento de un tren epicicloidal es el siguiente:
CAPITULO III DIAGNÓSTICO DE AVERIAS
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3.1 DIAGNÓSTICO DE AVERIAS diagnóstico A. Fallas en los engranajes B. Fallas de rodamientos MATERIALES DE ENGRANAJES La construcción de un mecanismo de engranajes debe satisfacer condiciones de resistencia, rendimiento, durabilidad, estabilidad, costo y peso. De acuerdo al tipo de trabajo que debe realizar en la práctica, se ordenarán por importancia los factores arriba enumerados. En la mayoría de los casos, los engranajes son hechos de algún metal o aleación, a excepción de aquellos con cargas livianas y de altas velocidades en las que se requiere un funcionamiento silencioso y suave. Los engranajes con dientes directamente fundidos y labrados a máquina se emplean para transmitir potencias de cualquier magnitud a bajas velocidades. Cuando se desean transmitir grandes cargas a cualquier velocidad, es necesario recurrir a diferentes tipos de aceros. El bronce se utiliza cuando las cargas son livianas y para cualquier velocidad. En los engranajes de tornillo sinfín se utilizan diferentes materiales para la rueda y el tornillo. Para este último se usan aceros cementados y para la rueda, diversos tipos de bronces fosforosos. Una de las razones que han movido a los fabricantes y diseñadores a seguir esta política es la necesidad de compensar el desgaste, ya que como el tornillo gira con mayor velocidad que la rueda, su desgaste será también mayor. Los engranajes de madera, papel prensado, cuero, etc., se utilizan en instalaciones de alta velocidad libres de vibraciones y ruidos. RESISTENCIA AL DESGASTE: Al estudiar el comportamiento de los materiales para engranajes, hay que tener en cuenta que existe una serie de factores que modifican con cada caso las condiciones de trabajo de un engranaje. Sin embargo, hay normas y datos experimentales que permiten referirse a este tópico en forma más o menos general y así poder definir la resistencia al desgaste como la capacidad de absorber por parte del material, todas las posibles causas de roturas superficiales. La viscosidad y la pureza del aceite lubricante influyen en el desgaste, pues al ser baja la primera o contener el aceite impurezas de carácter abrasivo en suspensión, causa un rápido desgaste. En el caso de aceros, el porcentaje de carbono influye aumentando la resistencia al desgaste en forma directamente proporcional hasta un límite de 1%, el máximo porcentaje permitido de carbono en aceros para engranajes. Este valor se refiere solamente a las capas superficiales cementadas y no a toda la masa del engranaje, puesto que el material es duro y frágil. También debemos considerar que un material dúctil puede soportar ciertos esfuerzos durante el engrane, provenientes de una elaboración inexacta o de un armado deficiente, mientras que otro con mayor dureza estará expuesto a sufrir daños en un lapso menor.
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3.12DESGASTE Y FALLAS EN DIENTES DE ENGRANAJES: Engranajes debidamente diseñados pueden fallar si en la instalación o en el funcionamiento se presenta: a. Una distancia incorrecta entre centros dando como resultado un juego insuficiente en la raíz del diente o un juego excesivo entre dientes. b. Desalineamiento; de flexión excesiva en el eje; cojinetes desgastados, piezas defectuosas, etc. c. Lubricación incorrecta o insuficiente d. Cuerpos extraños en el lubricante e. Temperaturas excesivas f. Cargas excesivas o cargas de impacto g. Vibración h. Velocidades excesivas I. Maltrato en general Estas condiciones de trabajo pueden producir como resultado un desgaste excesivo o fallas en el sistema de engranajes, sin permitir la identificación del estado actual del diente. Con el fin de describir y explicar los diferentes tipos de desgaste en los dientes y las fallas, la American Gear Manufacturers Association publicó un boletín que define los términos con que deben describirse las fallas y tipos de desgaste.
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El tipo de falla y su apariencia son consecuencia muy directa del material y de las condiciones de operación. Al reportar o describir una falla se deben incluir todos los hechos relacionados con estos dos factores. Por ejemplo, el escamado y el picado tienen una apariencia similar a una falla por fatiga del material, y a menos que se conozcan todos los hechos, una se puede confundir con la otra. DESGASTE NORMAL: Se refiere al asentado y lustre gradual de las superficies de trabajo, producido por el resbalamiento y la acción de rotación entre los dientes (Figura 16). También se le define con frecuencia como asentado inicial. Si sostienen un buen diseño, buena manufactura y buena operación, se llega a una condición en la cual el desgaste del diente prácticamente desaparece. PICADO PROGRESIVO: Así se le llama cuando la formación de picaduras continúa a un régimen creciente tanto en cuanto a su número como a su tamaño. Puede llegar a un punto tal que las áreas no picadas (Fig. 17) de la superficie del diente son insuficientes para soportar la carga y entonces puede producirse una destrucción completa de la forma del diente, especialmente después de una operación continuada con cargas relativamente altas o después de una sobrecarga. ABRASIÓN: Puede ser descrita como un desgaste general de la superficie del diente a un régimen comparativamente rápido. Generalmente resulta de la presencia de materia extraña tal como suciedad (Fig. 18), asperezas o partículas metálicas en el lubricante. Puede además ser producido
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por una descomposición del material del diente, como por ejemplo en el caso de los engranajes de hierro fundido. La abrasión aparece como marcas muy finas de rayado de arriba a abajo sobre la superficie del diente y distribuidas muy cerca entre sí. La falta de una apropiada lubricación puede dar lugar a la abrasión. SOBRECARGA Y ROTURA: Se refiere a la rotura del diente de un engranaje producida directamente por una sobrecarga o un impacto imprevisto debido, por ejemplo, al hecho de que la máquina se haya atascado. Es de tal naturaleza que no puede ser atribuido a un diseño inadecuado o a una manufactura defectuosa. RESALTO: Es una condición del escoriado producida por partículas de metal que han saltado de la superficie de los dientes en forma tal que a veces también se le refiere como agarre o soldadura entre los metales. DETERIOROS DE LOS RODAMIENTOS: La duración de un rodamiento depende del número de pasos de los cuerpos rodantes sobre los caminos de rodadura y de la carga que actúa sobre ellos. En las gráficas vamos a observar el estado de deterioro causado por una fatiga normal.
estado de deterioro causados por una fatiga normal.
RESALTO
Descascarillado del aro Interior de un rociamiento rígido de bolas causado por fatiga Normal
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Rotura total del aro interior de un rodamiento rígido de bolas como estado final de la fatiga norma
Si el rodamiento se deteriora mucho antes de lo que cabe esperar a raíz del cálculo de la duración a la fatiga, hay que examinar si ha actuado alguna carga excesiva. En caso contrario debe existir algún error de montaje o de mantenimiento o bien un desgaste debido a las condiciones de servicio. A continuación se mencionan algunos de los deterioros más frecuentes y sus causas.
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Huella de rodadura oblicua debida a un inclinado del aro interior de un rodamiento rígido de bolas en reposo durante el servicio
Unilateral debida a un arrastrado oblicuo del aro interior de un rodamiento de rodillos cónicos
MONTAJE DEFECTUOSO:
Una huella de rodadura irregular indica que actúa una tensión interna indebida. Una tensión de tal índole se origina por ejemplo por ajustes demasiado fuertes, por un ajuste axial excesivo, por errores de forma del alojamiento o del eje, por errores de alineación o por fijación del rodamiento libre. Deterioros locales en los caminos de rodadura, como por ejemplo estrías longitudinales, rayas de adherencia o cavidades demuestran un montaje defectuoso. Estos deterioros se producen por ejemplo si el aro interior de un rodamiento de rodillos cilíndricos se monta inclinado en el aro exterior o si la fuerza de montaje se aplica a través de los rodillos.
Marcas de los cuerpos rodantes en los caminos de rodadura de un rodamiento rígido de bolas debidas a un montaje defectuoso. ERRORES CONSTRUCTIVOS:
Los aros de los rodamientos deben apoyarse bien en el eje y en el alojamiento. Si por ejemplo el asiento está interrumpido por una ranura se originan tensiones, excesivamente elevadas que producen deterioro en el camino de rodadura. 1. Formación de grietas en el aro exterior de un rodamiento rígido de bolas producidas por un tornillo de apriete. 2. local en el camino de rodadura del aro exterior del rodamiento.
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FORMACIONDE GRIETAS
DAÑOS POR CORROSIÓN A CAUSA DE:
Una obstrucción defectuosa frente a la humedad Vapores ácidos Lubricantes con aditivos ácidos Agua de condensación ,Almacenamiento indebido de los rodamientos ENSUCIAMIENTO DEBIDO A:
Partes anexas sucias Arena de moldeo en el alojamiento, Obturación defectuosa Lubricantes sucios, Abrasivo metálico de ruedas dentadas que ha penetrado en el rodamiento con el lubricante. A. Concavidades producidas por herrumbre de contacto en el camino de rodadura del aro exterior de un rodamiento oscilante. B. Rayado transversal en el camino de rodadura del aro interior de un rodamiento de rodillos cilíndricos. RAYADO TRANSVERSAL DEBIDO A:
Cargas estáticas excesivas, vibraciones y golpes sobre el rodamiento en reposo. (Por ejemplo durante el transporte).
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CAPITULO IV CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
4.1CONCLUCIONES Al termino de este trabajo de investigación se concluye que hoy en día, los componentes, principios y funcionamiento de una caja de velocidades tipo estándar; vienen dados por los diseños y fundamentos de las maquinas antiguas, un cambio de velocidades estándar es una transmisión mecánica, la cual la podemos encontrar en cualquier vehículo e inclusive dentro de cualquier maquina donde la potencia mecánica se genera en una parte y se desea transmitir hacia otra parte de la máquina para realizar un trabajo, a lo largo de esta transmisión se puede perder potencia, es hay donde entran los multiplicadores de velocidad, caso que nos ocupó el estudio de la caja de velocidades estándar. Estas son las cajas de velocidades que se encuentran en la mayoría de los autos, todas de tipo estándar, tales cajas ofrecen grandes prestaciones que en ocasiones superan las necesidades del vehículo; claro está, tomando en cuanta su uso y modo de operación del conductor, siendo desde mi punto de vista, el tipo de caja de velocidades mas óptimo para un auto, por la fuerza
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de par que entregan a las ruedas. Sin embargo, en la actualidad, existen cajas de cambios automáticos que suelen dar prestaciones con valores de consumo destacados y aceptables. Por tal motivo, en este trabajo se explicaron los principios de funcionamiento, mantenimiento y componentes de una caja de velocidades tipo estándar. Con el objeto de dar a conocer de una manera clara y sencilla los principios tanto físicos como mecánicos que rigen el funcionamiento de una caja de velocidades, para que aquellas personas que, sin ser expertos o conocedores del tema, puedan comprender y entender una caja manual de velocidades. 4.2RECOMENDACIONES 1
Antes de subir aun vehículo, realizar una inspección ha todos los elementos básicos que puedan ocasionar una falla mecánica, permitir que el motor alcance su temperatura óptima de trabajo, ya que esto reduce las probabilidades de accidentes, por los cuales perdemos dinero. Inclusive pérdidas humanas
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Es recomendable realizar trabajos de mecánica con su respectivo manual de taller, para aplicar todas las instrucciones que obliga el fabricante.
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Antes de hacer un mantenimiento correctivo, debemos realizar un diagnóstico exhaustivo y meticuloso para haci reducir costos por recambios inadecuados
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Tener un ambiente de trabajo es de mucha ayuda, para realizar los pasos de operación con eficiencia y eficacia.
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Mejorar los hábitos de conducción, para reducir averías en el vehículo y gastos ha futuro.
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