Caja de Cambios - Diapositivas PDF
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V (rpm)
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
0.75 – 0.81
T
D 0.44 – 0.96
F EJE
0.92 – 0.93
BARRA DE TIRO
0.80 – 0.89
70000
60000
Tiro en barra de tiro (kg)
20 40 60 80
50000
40000
30000
20000
10000
0
0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Velocidad del tractor (km/h)
P.V
HP h
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.
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:
s 2 sen 1 2N
Fw DpbKQ k
1
Q
4 x0.35 E p Eg 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)
s: 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.
A
sc s.
A V
sc: Esfuerzo seguro de trabajo del material
s: Esfuerzo estático seguro del material
A: Factor que depende de la seguridad de los engranajes
V: Velocidad del diámetro de paso
Como d/t = v 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 motor
BHP
es siempre la misma. Por lo tanto, Si se aumenta la
velocidad de avance V del tractor, disminuye su fuerza F,
pues el valor de la potencia requerida al motor sobrepasará
Consumo específico
a la de su capacidad al determinado régimen de giro
V (rpm)
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 usuario 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 del eje primario es más
pequeño que el del intermediario que
conecta con él de modo que el
intermediario gira más despacio que el
motor.
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.
4'
2 3
1 6
1.- Eje estriado con engranajes cilíndricos
de dientes rectos desplazables.
2-2'.- Primera reducción.
3-3'.- Segunda reducción.
5 4-4'.- Reducción para conexión al
primario de la caja de camibos.
5.- Eje liso con engranajes cilíndricos de
4 dientes rectos fijos en él.
6.- Eje de salida de reductora.
3'
2'
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.
Punto muerto
2'
3' 4' 5'
6'
1
1-1'.- Reducción Primario-intermediario.
2-2'.- Reducción correspondiente a 1ª marcha.
7 3-3'.- Reducción correspondiente a 2ª marcha.
4-4'.- Reducción correspondiente a 3ª marcha.
5-5'.- Reducción correspondiente a 4ª marcha.
9 6-6'.- Reducción correspondiete a marcha atrás.
7.- Piñón inversor.
1' 2 6 8.- Eje secundario estriado.
3 9.- Eje intermediario liso.
4
5
1ª 2ª 3ª 4ª M.A.
1ª marcha 2ª marcha
4 5
1ª 2ª 3ª 4ª M.A.
1ª marcha
3ª marcha
9.- Eje intermediario liso.
5
4ª M.A.
2ª marcha
4ª marcha
3ª marcha
march
4ª marcha
marcha atrás
1ª marcha 2ª marcha
1ª1ªmarcha
marcha 2ª 2ª
marcha
marcha
3ª 3ª 3ª marcha
marcha
marcha 4ª marcha 4ª marcha
4ª marcha
3ª marcha 4ª marcha
marchaatrás
marcha atrás
marcha atrás
1
4ª 3ª
3 1ª
4 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.
2 5
Los engranajes del secundario no van unidos al eje mediante
estrías, pudiendo girar libremente sobre dicho eje. Además, 4
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
1
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.
En ambos lados de los desplazables van talladas
interiormente dos coronas dentadas acoplables a sus
correspondientes piñones laterales. 3 5'
En la posición de punto muerto el desplazable se encuentra 2'
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.
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
Primario
n máx
1ª 2ª 3ª 4ª
n mín
1
2
3
4
n1 n2 n3 n4 n5
Secundario
1
2 nmáx
r3 tg 2 r3'
nmín
tg 2
3 n3
4
n1
nmáx nmín
tg 1 tg 1
n1 n2 n3 n4 n5
Secundario
r2 r2'
n2 n1
1
2
n n
r3 máx tg 2 r3' mín tg 2 3
n3 n1 4
nmáx nmín n1 n2 n3 n4 n5
r2 tg 1 r2' tg 1 Secundario
n2 n1
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.
r
U
Esta fuerza periférica se transmite al suelo en la zona de contacto rueda suelo, caracterizada
por un determinado coeficiente de adherencia.
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
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.
p
rp
rs
s ps
rps
Considerando la velocidad del punto de contacto 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 r
s
s ps rp (I)
s
rps rs
ps
rc
c
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 rc
(II)
c ps rs
p ps s ps r
• c
s ps c ps rp
p ps r
c (III)
c ps rp
Las ecuaciones (I), (II) y (III) relacionan las velocidades de giro de corona, satélite,
portasatélites y planetario en función de sus radios.
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
3ª
4ª M .A.
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.
Los aceites lubricantes empleados en cajas de cambios tienen que formar una película
consistente entre los flancos de los dientes en contacto, 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.
En esencia es el siguiente:
8
6
4
3 7
1 .- Dep ó si to .
5 2 .- F i l tro d e m a l l a .
2 3 .- Bo m b a d e ca u d a l .
4 .- M o to r a l tern a ti v o .
5 .- Vá l v u l a reg u l a d o ra d e p resi ó n .
9 6 .- Di stri b u i d o r 6 / 3 .
7 . - M o to r h i d ro stá ti co .
1 10
8 . - M a n ó m etro co n p u l sa d o r.
9 . - F i l tro m a g n éti co .
1 0 . - Ru ed a m o tri z.
El funcionamiento es como sigue:
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 usuario 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.
8
3 7
1.- De
5 2.- Filt
2 3.- Bo
4.- Mo
5.- Vá
9 6.- Dis
7.- Mo
1 10
8.- Ma
9.- Fil
10.- R