UNIDAD 3 – CONVERTIDOR DE PAR Y TRANSMISIÓN DE MAQUINARIA PESADA Y AGRÍCOLA.
G0205: Análisis de elementos del tren de potencia para maquinaria pesada y agrícola.
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UNIDAD 3 – CONVERTIDOR DE PAR Y TRANSMISIÓN DE MAQUINARIA PESADA Y AGRÍCOLA.
Unidad 3, parte 2: Convertidor de par y transmisión de maquinaria pesada y agrícola.
Material Introductorio, parte 2: Convertidor de par y transmisión de maquinaria pesada y agrícola.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................... 4 TEMA 2: TRANSMISIÓN.................................................................................................................................... 5 2.1.
DEFINICIÓN................................................................................................................................................ 5
2.2.
FUNCIÓN ................................................................................................................................................... 5
2.3.
CLASIFICACIÓN ........................................................................................................................................... 5
2.4.
RELACIÓN DE TRANSMISIÓN .......................................................................................................................... 9
2.5.
MECANISMOS DE DESGASTE Y MANTENIMIENTO.............................................................................................. 11
2.6.
FALLAS: CAUSA – EFECTO ............................................................................................................................ 14
CONCLUSIONES ...............................................................................................................................................18 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................20
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INTRODUCCIÓN El tren de fuerzas de una maquinaria es aquel conjunto de dispositivos encargado de convertir toda la energía en movimiento, ya sea para trasladar a la máquina o a que esta misma desarrolle cierta acción, en otras palabras, es la encargada de transmitir la fuerza al suelo. Entre los dispositivos que conforman el tren de fuerza de la maquinaria, generalmente se encuentran los motores, convertidores de par, transmisiones, diferencial y mandos finales. El objetivo de esta unidad es describir los sistemas y la función de los elementos componentes de un convertidor de par y de la transmisión, los mecanismos de desgaste, mantención y fallas, asociado a las piezas móviles que lo componen, de acuerdo a condiciones de operación de maquinaria pesada en general. Para esto estudiaremos primero el convertidor de par y a continuación la transmisión.
Los invitamos a revisar el material preparado.
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TEMA 2: TRANSMISIÓN
2.1.
Definición
Es el conjunto de componentes o subsistemas que interactúan entre sí, para llevar la potencia mecánica giratoria del motor, entregada por el convertidor, a las ruedas motrices y/u orugas.
2.2.
Función
El sistema de transmisión es el conjunto de elementos que tiene la misión de hacer llegar el giro del motor hasta las ruedas motrices. Con este sistema también se consigue variar la relación de transmisión entre el cigüeñal y las ruedas. Esta relación varía en función de las circunstancias del momento (carga transportada y el trazado de la calzada).
2.3.
Clasificación
Servo transmisión planetaria Las servo transmisiones planetarias, son tal vez el tipo de transmisión más utilizado en las grandes máquinas. Su funcionamiento está basado en la operatoria de varios conjuntos de engranajes planetarios. La potencia suministrada a la servo transmisión es administrada
para
poder
tener
control tanto de la velocidad como de
la
dirección
del
equipo,
deteniendo un preciso componente del conjunto de engranajes planetarios. La detención del conjunto de engranajes planetarios se consigue por el suministro de aceite hidráulico a un conjunto de
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embragues. El control en el suministro de aceite hidráulico a los embragues adecuados, permite la obtención de “potencia útil” desde la transmisión. Esta “potencia útil” es suministrada al resto de los componentes del tren de potencia, obteniendo así la dirección y velocidad deseadas por el operador. Los componentes son: 1. El grupo planetario, que permite seleccionar dirección y velocidad del equipo. 2. Embragues actuados hidráulicamente, que permiten la conexión del conjunto planetario adecuado en base a lo solicitado por el operador. 3. Control electrónico de la transmisión, que posee entradas y salidas para el control del funcionamiento de la transmisión. Los componentes que forman un conjunto de engranajes planetarios son: -
El engranaje solar.
-
Los engranajes planetarios.
-
El porta planetarios.
-
La corona.
Para entender el funcionamiento de un conjunto de engranajes planetarios, es necesario considerar que siempre habrá un miembro que sea el impulsor del movimiento y otro el impulsado. Para lograr conseguir lo anterior, otro miembro del conjunto
de
engranajes
planetarios
debe ser detenido. Como
se
ve
en
la
figura,
los
componentes que forman un conjunto de engranajes planetarios son: (4) el engranaje
solar,
(1)
los
engranajes
planetarios, (2) el porta planetarios y (3) la corona.
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Para la construcción de una Servo Transmisión Planetaria, se deben considerar dos ejes.
En la figura queda establecida la distribución del conjunto de engranajes planetarios, provistos para los embragues de dirección (R y F) y para los embragues de velocidad (1 y 2). En las figuras consecutivas se hará el análisis del flujo de potencia, al detener un miembro particular de cada conjunto de engranajes planetarios.
Para el Avance (F) del equipo, se requiere que el miembro impulsor sea el engranaje solar, del conjunto
de
engranajes
planetarios
de
avance y el miembro detenido sea la corona. Con lo anterior se consigue que el porta planetario central gire en el mismo sentido que el
engranaje
solar, pero
a
una
menor
velocidad.
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Para el Retroceso (R) del equipo, se requiere que el miembro impulsor sea el engranaje solar del conjunto de engranajes planetarios de reversa y el miembro detenido sea el porta planetario del mismo conjunto. Con lo anterior se consigue que la corona del conjunto de engranajes planetarios para reversa, gire en sentido contrario al del impulsor. Para obtener segunda velocidad, ya sea de retroceso o avance, se requiere que el miembro impulsor sea el porta planetario central y el miembro detenido sea la corona del conjunto de engranajes planetarios para 2° velocidad. Con lo anterior se consigue que el eje de salida gire en el mismo sentido que el impulsor, pero a más velocidad.
1° Velocidad de Avance (1° F) Corona del conjunto de engranajes planetarios para
avance
engranajes
y
corona
planetarios
del
para
conjunto 1°
de
velocidad
detenidas.
2° Velocidad de Avance (2° F) Corona del conjunto de engranajes planetarios para
avance
engranajes
y
corona
planetarios
del
para
conjunto 2°
de
velocidad
detenidas.
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2° Velocidad de Retroceso (2° R) Porta planetario frontal y corona del conjunto de engranajes
planetarios
para
2°
velocidad
detenidas.
1° Velocidad de Retroceso (1° R) Porta planetario frontal y corona del conjunto de engranajes
planetarios
para
1°
velocidad
detenidas.
2.4.
Relación de transmisión
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Cuando se transmite un movimiento también se transmite energía y esta se puede usar en elevar una carga, o en mover otro mecanismo a más o menos velocidad. En un sistema de transmisión podemos distinguir una rueda motriz y una rueda conducida, como se ve en la figura. Si la rueda motriz es menor en cuanto al diámetro y número de dientes que la conducida, entonces estamos en presencia de un tren de engranajes reductor, por el contrario si la rueda motriz es mayor en diámetro y número de dientes, entonces el tren es multiplicador. En la figura las ruedas rojas son motrices y las verdes conducidas. Por lo tanto en el primer caso tenemos un sistema multiplicador, de esta manera la rueda motriz gira más lento que la conducida, luego aumenta la velocidad. En el segundo caso, ambas ruedas son iguales luego se mantiene la velocidad y, finalmente, si la rueda motriz gira más rápido que la conducida tenemos un sistema reductor y la rueda conducida tiene una velocidad menor, con lo cual disminuye la velocidad. Los sentidos de giro de los engranajes que se conectan son siempre opuestos, pero si se necesita que el engranaje motriz y conducido tengan el mismo sentido, se debe ubicar entre ellos un engranaje loco, para que así ocurra. La relación de transmisión es el
cociente
velocidades
de
de los
las dos
elementos que se mueven.
i=
Velocidad angular motriz Número de dientes rueda conducida = Velocidad angular conducida Número de dientes rueda motriz
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2.5.
Mecanismos de desgaste y mantenimiento
1. Fatiga a flexión en la raíz, en engranajes
del
caracteriza
por
piñón, las
se
mismas
marcas de playa dejadas en los ejes con daños por fatiga a la flexión por
rotación. Cuando
están rotos solamente dos o tres dientes, eso indica que pudo haber sido causada por carga de choque instantáneo. Fatiga inducida por carga de choque presentará también orígenes que están en línea. Si están rotos todos los dientes restantes, la causa probable fue la carga de choque severo con aplicación continua de sobretensión o sobrecarga del vehículo. Las marcas de playa (“beach marks”) típicas de fatiga a flexión en la raíz, empiezan en las raíces de todos los dientes afectados y avanzan hasta la superficie endurecida del conjunto hipoidal.
2. Fatiga
superficial
es
una
clasificación amplia para referirse a una gran cantidad de modalidades diferentes de daños a la superficie de una componente expuesta a cargas. Por lo general, ella es causada por sobrecarga cíclica de la superficie de contacto de un cojinete o diente de engranaje, pudiendo ser acelerada por impurezas contenidas en el lubricante. Fatiga superficial o de contacto afecta las superficies de contacto de cojinetes y
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engranajes. Es la forma más común de fatiga y se caracteriza por grados variados de picaduras; a veces también por escamación (spalling) de dientes de engranaje o superficies de cojinete.
A diferencia del desgaste relacionado con lubricación inadecuada, debido a la contaminación del agua o impurezas en suspensión, la fatiga superficial se origina en sobrecarga repetitiva aplicada a un componente y puede producirse aun cuando las partes en funcionamiento estén recibiendo lubricación adecuada. Evidencias de daños por erosión superficial (pitting) o descamación (spalling) tienen como
origen
sobrecarga
marginal
repetitiva o lubricación inadecuada. La sobrecarga marginal es similar al daño total del componente; la diferencia está en que la pieza queda sujeta a tensión un poco a más de los límites del proyecto, bien próximo al daño instantáneo, por mucho muy tiempo. Problemas relacionados con lubricante contaminado o con el sistema de lubricación que dejan que ocurra contacto excesivo de metal entre las superficies rodantes o deslizantes, pueden dar origen a picaduras o erosión superficial (pitting) o descamación (spalling).
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3. En caso de engranajes, el desgaste por corrosión
de
fricción
aparece
como
sedimentación de impurezas en el punto de
vibración
o
cerca
de
él.
La
sedimentación de impurezas tiene origen en el contacto de vibración de los dos metales, combinando óxidos metálicos con grasa o aceite. El color de la sedimentación depende de la calidad del lubricante y del tipo de óxido metálico de que es formada. A veces, la mezcla de sedimentación se llama “lodo rojo” o “cocoa”. Por lo general, esos óxidos son abrasivos y así, aumentan el desgaste del componente. Sin embargo, particularmente en ese caso el desgaste no es tan severo como en el caso de las partículas metálicas producidas por erosión superficial. Corrosión de fricción es común en casos de vibración torsional de la línea de accionamiento, que es posible identificar por las fuertes líneas de contacto en la trasera de los dientes de engranajes.
4.
Cuando el aceite queda contaminado con agua, partículas de impurezas o partículas desprendidas por el gastado de los engranajes, el gastado entre las superficies
de
contacto
pueden
aumentar de forma considerable. Es necesario determinar el origen de la contaminación. Eso puede significar verificar todos los sellos y respiros. Contaminantes
son
especialmente
nocivos en superficies de cojinetes.
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5. La corrosión causada por el agua aparece en las extremidades de los rodillos del cojinete. Aguafuerte en los rodillos del cojinete, corrosión en superficies no sujetas a contacto y desgaste en las ventanas de la jaula se originan en el lubricante contaminado con agua.
Básicamente, el mantenimiento obedece a lo solicitado por cada fabricante para una maquinaria, en especial en su cartilla de mantenimiento, poniendo especial énfasis en la aplicación del lubricante que corresponde, así como del refrigerante y de las condiciones de operación de la máquina.
2.6.
Fallas: causa – efecto
Las siguientes son las fallas más recurrentes en las transmisiones: Problema
Causa probable
La transmisión no opera en ninguna velocidad.
1. Baja presión de aceite en el sistema. Esta baja presión puede ser causada por uno de los siguientes problemas:
La transmisión no se acopla en todas las velocidades o hay resbalamiento del embrague.
a. Bajo nivel de aceite. b. Falla de la bomba de aceite de la transmisión o del mando de la bomba. c. Pérdida de aire en el lado de entrada de la bomba de aceite de la transmisión. d. Ajuste incorrecto de la válvula de prioridad. e. Pérdida de aceite dentro de la transmisión. f. Ajuste incorrecto de la válvula de alivio principal. g. La válvula de alivio principal no se cierra. h. La operación del pistón de carga o la válvula diferencial no es correcta.
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i. Problema eléctrico. 2. Falla mecánica en la transmisión. 3. Falla del convertidor de torque. 4. Falla de la corona y el piñón cónico. 5. Incorrecta operación del embrague de dirección. 6. Falla en los mandos finales. La transmisión no hace un cambio.
1. Bajo nivel de aceite. 2. Baja presión del embrague. 3. Problema eléctrico.
Cambio lento.
1. Baja presión de aceite. 2. Aire en el lado de entrada de la bomba de aceite de la transmisión.
La transmisión se acopla muy repentinamente.
1. Calibración inicial de la válvula de alivio de modulación no es el correcto.
Este acople repentino produce cambios bruscos.
2. Resortes de las válvulas que son débiles o están dañados.
La transmisión opera solo en las velocidades de avance.
1. El embrague N°2 no está acoplado o el embrague patina. Esto puede ser causado por uno de los siguientes problemas:
3. El pistón de carga o la válvula diferencial no se mueve.
a. Baja presión de aceite. b. Pérdida de aceite. c. Desgaste excesivo de los discos y platos. d. Partes rotas en el embrague. e. Problema eléctrico. La transmisión opera solo en las velocidades de reserva.
1. El embrague N°1 no está acoplado o el embrague patina. Esto puede ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Baja presión de aceite. b. Pérdida de aceite. c. Desgaste excesivo de los discos y platos. d. Partes rotas en el embrague. e. Problema eléctrico.
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La transmisión no operará en primera de avance o en reversa.
1. El embrague N°5 no está acoplado o el embrague patina. Esto puede ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Baja presión de aceite b. Pérdida de aceite. c. Desgaste excesivo de los discos y platos. d. Partes rotas en el embrague. e. Problema eléctrico.
La transmisión no opera en segunda de avance o en reversa.
1. El embrague N°4 no está acoplado o el embrague patina. Esto puede ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Baja presión de aceite. b. Pérdida de aceite. c. Desgaste excesivo de los discos y platos. d. Partes rotas en el embrague. e. Problema eléctrico.
La transmisión no opera en tercera de avance o en reversa.
1. El embrague N°3 no está acoplado o el embrague patina. Esto puede ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Baja presión de aceite. b. Pérdida de aceite. c. Desgaste excesivo de los discos y platos. d. Partes rotas en el embrague. e. Problema eléctrico.
La transmisión no se desacopla cuando el controlador digital se encuentra en neutro.
El embrague de dirección está acoplado. El embrague no se libera.
La transmisión se acopla pero la maquina no se moverá.
1. Falla de los mandos finales. 2. Falla de los embragues de dirección. 3. Falla de la corona y el piñón cónico. 4. Los engranajes en la transmisión no se mueven. Esto podría ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Demasiados embragues que están acoplados.
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b. Falla mecánica de la transmisión. c. Problema eléctrico. 5. Falla mecánica en el convertidor de torque. 6. Los frenos no se liberan. Esto podría ser causado por uno de los siguientes problemas: a. Baja presión en el sistema de aceite del tren de potencia. La transmisión se calienta.
1. Bajo nivel de aceite. 2. Alto nivel de aceite. 3. Núcleos en el enfriador de aceite que no están completamente abiertos. 4. Bajo flujo de aceite debido a desgaste en la bomba de aceite de la transmisión. 5. Largos periodos de operación con el convertidor de torque a velocidad crítica o casi crítica. 6. Demasiada resistencia entre los platos y los discos del embrague. Nota: esta resistencia existe a pesar del desacople de los embragues.
Hay un sonido anormal en la bomba de aceite de la transmisión.
1. Los sonidos fuertes en intervalos cortos que indican que partículas pasan a través de la bomba. Estos ruidos pueden ser causados por la cavitación de la bomba. 2. Los ruidos fuertes constantes pueden indicar una falla de la bomba. 3. Una pérdida de aire en el lado de entrada de la bomba, puede causar ruidos anormales.
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CONCLUSIONES En esta unidad estudiamos dos sistemas del tren de fuerza de una maquinaria, comenzando por el convertidor de par o torque y luego la transmisión. Para realizar el estudio del convertidor de par, definimos primero qué era el par o torque, como el producto entre una fuerza que actúa sobre un objeto por un brazo perpendicular a dicha fuerza, haciendo que este rote.
Con este concepto y por medio de un ejemplo de dos ventiladores enfrentados, donde uno está conectado a la corriente y el otro no, determinamos el principio de funcionamiento de la transmisión de potencia por medio de un fluido. Así llegamos a la definición de un convertidor de par, como un componente que transmite fuerza y movimiento de un motor a una transmisión mecánica por medio de un aceite hidráulico.
Describimos la función de embrague entre el motor y la transmisión de la maquinaria, cómo funcionaba, los principales componentes tales como: el impulsor o bomba, la turbina, el estator y el eje de salida con sus respectivas características y funciones. Finalmente, y para cerrar este apartado, se consideraron los principales mecanismos de desgaste del convertidor de par, donde se debía poner especial énfasis en el aceite hidráulico en cuanto a mantener el convertidor con el nivel de aceite y a una temperatura adecuada, para así evitar, por ejemplo, el sobrecalentamiento del desgaste o la corrosión que se pueda producir por cavitación o erosión en el caso de existir alguna suciedad en el fluido hidráulico, para lo cual es necesario revisar los filtros constantemente según lo indicado por el fabricante.
Por último, estudiamos el sistema de transmisión de un tren de fuerza, donde se definió como un conjunto de componentes o subsistemas que interactúan entre sí para llevar la potencia mecánica giratoria del motor, entregada por el convertidor de par, a las ruedas motrices y/u orugas de la maquinaria. Con este sistema se consigue, también, MATERIAL INTRODUCTORIO UNIDAD 3 | 18
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variar la relación de transmisión entre el cigüeñal y las ruedas, por lo cual estudiamos los principios básicos de relación de transmisión para un tren de engranajes.
Describimos la servo transmisión planetaria, sus componentes, entre lo cual distinguimos el funcionamiento del sistema planetario de engranajes para las distintas marchas de la maquinaria. Finalmente, y para cerrar, estudiamos los mecanismos de desgaste: fatiga y presencia de suciedad en el aceite lubricante y sus fallas más comunes.
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Martín, J. & Marco, A. (1997). Mecánica del automóvil: actualizada. México: Universidad de Zaragoza. Servicio de publicaciones. Centro politécnico Superior.
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