Montaje y Desmontaje de la Caja de Cambios.pdf

Universidad Politecnica de Madrid

Escuela Universitaria de Ingenierıa Tecnica Industrial

Practicas de Diseno de Maquinas

Por los Profesores:

M. Berzal Rubio

J.J. Narbon Prieto

C. Barajas Fernandez

Madrid, Curso 2.006-2.007

ALUMNO:

NUMERO DE MATRICULA:

GRUPO DE TEORIA:

GRUPO DE LABORATORIO:

. No se que cojones pasa con el cambio de hoja

Normas del Laboratorio:

1. Para aprobar la asignatura es necesaria la asistencia a todas las practicas

de laboratorio y la correcta realizacion de las mismas.

2. El alumno debe haber leıdo el guion de practicas antes de la realizacion de las

mismas.

3. Cualquier cambio de grupo debe ser autorizado por el profesor de laboratorio.

4. Se requiere estricta puntualidad en la entrada al laboratorio.

5. La toma de datos durante la practica se realizara en el propio cuaderno de laboratorio.

6. Para la correccion de las practicas se entregara el cuaderno d laboratorio en la

fecha indicada por el profesor.

7. Al finalizar la practica debe recogerse todo el material dejandolo como estaba

inicialmente.

8. Es necesario completar los datos personales que figuran en la portada

del cuaderno.

Practica 1:Caja de cambio Practica 2: Grupo Conico

Diferencial

Practica 3: Engranajes

Epicicloidales

Fecha: Fecha: Fecha:

Practica 4: Montaje Caja

de Cambio

Practica 5: Desmontaje

Caja de Cambio

Practica 6: Freno de

Tambor

Fecha: Fecha: Fecha:

4

Indice general

1. Caja de Cambio 7

1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Caja de engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3. Relacion de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.1. 1er Cambio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2. 2o Cambio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.3. 3er Cambio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4. Marcha Atras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4. Experimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

5. Toma de Datos y Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6. Graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

7. Cuestiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. Grupo Conico Diferencial 17

8. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

9. Mecanismo Empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17


11. Toma de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

11.1. Lınea recta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

11.2. Rueda en el Aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

12. Graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

13. Cuestiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. Engranajes Epicicloidales 23

14. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

15. Mecanismo de Engranajes Epicicloidales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23


17. Transmision Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5

6 INDICE GENERAL

18. Transmision Abierta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26


20. Toma de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

20.1. Transmision Directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

20.2. Transmision Abierta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

21. Graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

22. Cuestiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4. Montaje y Desmontaje de la Caja de Cambios 33

23. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

24. Caja de Cambios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

25. Sincronizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

26. Relacion de Colores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

27. Desmontaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

28. Montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

29. Cuestiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5. Freno de Tambor 43

30. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

31. Freno de Tambor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44


32.1. Palanca Traccionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

32.2. Palanca Comprimida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45




33.3. Palanca Traccionada y Comprimida . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

34. Toma de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48



34.3. Palanca Traccionada y Comprimida . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

35. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

36. Cuestiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

P.1Caja de Cambio

§ 1. Objetivos

Para un mecanismo representativo de una caja de velocidades de engranajes, la

presente practica persigue lo siguiente:

La observacion fısica del mecanismo que representa un arbol sencillo de reenvıo y

de marcha atras.

La determinacion de la correspondencia entre el momento torsor que obtenemos

en la salida de la caja y el momento torsor que, en cada relacion, tenemos que

suministrar para obtenerlo, venciendo, al mismo tiempo las perdidas por rozamiento.

§ 2. Caja de engranajes

La caja de velocidades consiste fundamentalmente en el acoplamiento de ruedas

dentadas de distintos tamanos que pueden funcionar engranando en el momento que se

desee. Este acoplamiento se realiza a traves de un arbol secundario de reenvıo y marcha

atras.

La mision fundamental de una caja de cambios es la utilizacion del par motor con

objeto de conseguir un mejor aprovechamiento de la energıa suministrada, ya en forma

de par ya en forma de velocidad angular.

La unidad esta formada por un mecanismo sencillo de arbol con ruedas dentadas

para la produccion de tres relaciones y marcha atras. Esta dotada de poleas ajustadas

7

8 § 2. Caja de engranajes

Figura 1.1: Ejemplo de caja de cambio.

en la prolongacion de los ejes de entrada y salida del mecanismo para producir los

momentos que nos permitiran determinar los esfuerzos producidos, permitiendo realizar

las experimentaciones indicadas en el primer apartado. Todos los ejes estan apoyados

en rodamientos con objeto de reducir las perdidas por rozamiento.

Para la figura 1.2, representativa de una maquina simple, denominaremos:

Te = Momento de giro en la entrada

θe = Desplazamiento angular en la entrada

Ts = Momento de giro en la salida

θs = Desplazamiento angular en la salida

Para esta maquina, el trabajo de entrada viene dado por la relacion:

Ee = Teθe (1.1)

Y el trabajo de salida por:

Es = Tsθs (1.2)

El rendimiento sera la relacion existente entre el trabajo de salida y el trabajo de

entrada, es decir:

η =Es

Ee

=Ts θs

Te θe

(1.3)

Caja de Cambio 9

Figura 1.2: Esquema de una caja de cambio.

§ 3. Relacion de transmision

La relacion de transmision es la relacion existente entre el desplazamiento angular

de la salida y el desplazamiento angular a la entrada es decir:

µ =θs

θe

(1.4)

ası pues, si conocemos la relacion de transmision y determinamos los momentos en

ambos extremos de la maquina, podremos calcular el trabajo realizado y el obtenido y,

por tanto, el rendimiento.

La relacion de transmision para las distintas marchas, se determina mediante el

cociente del producto del numero de dientes de las ruedas que transmiten movimiento

por el producto del numero de dientes de las ruedas cuyo movimiento se lo transmite

otra engranada a ella.

El numero de dientes para las distintas ruedas dentadas es el siguiente1:

A=F 20 dientes

B=E=H 30 dientes

C=D 40 dientes

G 14 dientes

Siendo las ruedas transmisoras la A, E, F, y G.

1La notacion utilizada es la que se puede ver en la Figura 1.3

10 § 3. Relacion de transmision

Figura 1.3: Caja de cambios con la 1a velocidad.

3.1. 1er Cambio.

Para la figura 1.3, la relacion de transmision sera la siguiente:

µ1 =A.F

D.C=

20 . 20

40 . 40=

1

4(1.5)

3.2. 2o Cambio.

Para la figura 1.4, la relacion de transmision sera:

µ2 =A.E

D.B=

20 . 30

40 . 30=

1

2(1.6)

3.3. 3er Cambio.

En la figura 1.5 observamos que se trata de una transmision directa, siendo:

µ = 1 (1.7)

Caja de Cambio 11

Figura 1.4: Caja de cambio con la 2a velocidad

Figura 1.5: Caja de cambios con la 3a velocidad. Transmision directa

12 § 4. Experimentacion

3.4. Marcha Atras

Para esta disposicion del mecanismo, figura 1.6, mediante la rueda H se invierte el

sentido de giro en el eje de salida. Se trata, pues, de la marcha atras, siendo la relacion

de transmision la siguiente:

Figura 1.6: Caja de cambios con la marcha atras. Vista posterior

µma =A.G.H

D.H.C=

20 . 14 . 30

40 . 30 . 40= −

7

40(1.8)

§ 4. Experimentacion

La figura 1.7 representa un esquema de la maquina:

Para este mecanismo en cada uno de los posibles cambios, realizaremos los experimentos

siguientes:

1. Determinar el mınimo esfuerzo requerido en la entrada para elevar una serie de

cargas en el lado de la salida al anadir masas suspendidas. Siendo:

Te = me g R (1.9)

Ts = ms g R (1.10)

Caja de Cambio 13

Figura 1.7: Esquema de una caja de cambio.

El rendimiento:

η =Ts θs

Te θe

(1.11)

2. Dibujar los graficos para ( Te/Ts ) y ( η/Ts)

§ 5. Toma de Datos y Resultados

Toma de Datos.Rs = Re = 40 mm

Masa a Masa a la Entrada (g)

la Salida

(g)

1a 2a 3a Marcha Atras

250

350

450

14 § 6. Graficos

Resultados

Masa a la Salida (g) TEntrada(N.m) TSalida(N.m) η( %)

1a

250

350

450

2a

250

350

450

3a

250

350

450

M. Atras

250

350

450

§ 6. Graficos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Par

de

Entr

ada(N

.m)

Par de salida (N.m)

Par de Entrada en funcion del Par de Salida.

Caja de Cambio 15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

η(%

)

Par de salida (N.m)

Rendimiento en funcion del Par de Salida.

§ 7. Cuestiones

1. Explicar la relacion entre el par y la velocidad en las distintas marchas.

2. En el mecanismo de la practica ¿ por que el mejor rendimiento se obtiene en la

tercera velocidad?

16 § 7. Cuestiones

P.2Grupo Conico Diferencial

§ 8. Objetivos

En el mecanismo representativo de un equipo diferencial, se pretende:

1. Medir el desplazamiento angular correspondiente para los ejes de entrada y de

salida ası como comparar la relacion existente entre ellos cuando los ejes de salida

pueden girar libremente y cuando a uno de los mismos se le aplica una fuerza que

se opone a su libre giro (es decir, automovil en lınea recta, o curva, o patinando).

2. Ver la relacion existente entre los esfuerzos requeridos en la entrada para elevar

unas determinadas cargas en el lado de la salida en los casos citados anteriormente.

§ 9. Mecanismo Empleado

El mecanismo diferencial esta constituido por:

1. Un tren de engranajes planetarios (C)1.

2. El pinon del eje motriz (E).

3. La corona (D) que actua de soporte de planetarios.2. Su velocidad se determina de

la misma forma que se harıa para un tren de engranajes simples, una vez conocida

1Ver figura 2.1(b).2Generalmente se utilizan engranajes hipohidales.

17


la velocidad del eje motriz.

4. Pinones (B) solidarios con los ejes de salida 3

(a) Grupo conico diferencial del Seat Arosa. (b) Esquema del grupo conico diferencial.

Figura 2.1: Grupo Conico

Los engranajes (A) y (B) se conectan respectivamente a cada rueda del automovil y

cuando el vehıculo se desplaza en lınea recta ambos giran a la misma velocidad, en

consecuencia para el movimiento rectilıneo del vehıculo, no existe movimiento relativo

entre los engranajes (A) y (B) y los engranajes planetarios (C), actuando estos ultimos

como cunas que transmiten el movimiento del soporte planetario a ambas ruedas.

La funcion del mecanismo diferencial sera absorber el efecto de la diferencia de

velocidades necesarias entre las dos ruedas del automovil, si bien el momento de torsion

se divide identicamente entre ambas ruedas, tanto cuando este se desplaza en lınea recta

como cuando describe una curva.

Cuando por las condiciones de la carretera, el efecto de traccion desarrollado por las

dos ruedas es diferente, el esfuerzo de traccion total disponible sera de solo el doble de

la que se tiene en la rueda de menor traccion por lo explicado anteriormente.


Para conocer el sistema, debemos conocer las velocidades que existen en cada uno

de los elementos componentes. Para ello vamos a dividir en dos el grupo conico:

3En la figura 2.1(b) se ilustra esquematicamente el funcionamiento de esta clase de trenes,

habitualmente empleados en automoviles.

Grupo Conico Diferencial 19

Pinon de entrada y corona.

Grupo de engranajes conicos.

La primera parte tiene una relacion de transmision fija, por tanto cuando esta se ha

determinado no interviene en calculos posteriores. Mientras que para el segundo grupo

de elementos, deberemos hallar la relacion de transmision.

Para calcular la relacion de transmision, utilizaremos la formula de Willis, la cual

nos relaciona las velocidades de tres elementos, los dos ejes de salida con el movimiento

de la corona que engrana con el pinon de entrada, de la siguiente manera:

µ1 =ωSalida1 − ωCorona

ωSalida2 − ωCorona

(2.1)

(a) Esquema simplificado del grupo conico. (b) Sentido de giro de los planetarios.

Figura 2.2: Esquemas del grupo conico.

Simplemente de la observacion del sistema podremos obtener el signo de la relacion

de transmision, como puede verse en la figura 2.2(b). Por otro lado, y sabiendo el numero

de dientes de las ruedas, siendo el mismo para los engranajes de los ejes de salida, y por

su parte, para el par que engrana con estos tiene el mismo numero de dientes, por tanto

la relacion de transmision tendra un valor igual a:

|µ1| =ZSalida2 ZCorona

ZSalida1 ZCorona

= 1 (2.2)

µ1 = −1 (2.3)

Usando las ecuaciones 2.1, 2.2, 2.3 llegamos a:

ωCorona =ωSalida1 + ωSalida2

2(2.4)

De la ecuacion 2.4 se pueden sacar las siguientes conclusiones:

20 § 11. Toma de datos

1. Cuando un automovil gira en una curva, las ruedas tienen distinta velocidad

angular debido a que el radio de giro es distinto en cada rueda. Una ha de ir

mas deprisa que la otra para que las ruedas no deslicen; vemos que la velocidad

que nos viene del motor se reparte entre las dos ruedas.

2. Cuando el vehıculo se desplaza en lınea recta, ambas ruedas llevan la misma

velocidad, por lo que tenemos que la velocidad angular de las ruedas es la misma

que la de la corona.

3. Cuando una de las ruedas esta en el aire, toda la velocidad se va por la rueda

que esta al aire, o en terreno deslizante, esta absorbe todo el par, duplicando su

velocidad quedandose la otra parada.

Para la realizacion de la practica debemos calcular el trabajo realizado tanto en la

entrada como en la salida, para conocer el rendimiento de la maquina.

Figura 2.3: Esquema del grupo conico.

η =Energıa a la Salida

Energıa a la Entrada=

Ts θs

Te θe

=ms g Rs µ

me g Re

(2.5)

En la maqueta los radios de salida y entrada valen: Re = 40 mm y Rs = 35 mm

§ 11. Toma de datos

Se realizara la toma de datos para el caso en que las ruedas vayan a la misma

velocidad, y cuando una de ellas este en el aire.

Grupo Conico Diferencial 21

11.1. Lınea recta

Donde Ts = ms g Rs y Te = me g Re

ms(kg) me(kg) Ts(Nm) Te(Nm) η( %) µ

0’5

0’7

1

11.2. Rueda en el Aire

Donde Ts = ms

2g Rs y Te = me g Re

ms(kg) me(kg) Ts(Nm) Te(Nm) η( %) µ

0’5

0’7

1

§ 12. Graficos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Par

de

Entr

ada(N

.m)

Par de salida (N.m)


22 § 13. Cuestiones

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

η(%

)

Par de salida (N.m)

Par de Rendimiento en funcion del Par de Salida.

§ 13. Cuestiones

1. Explica con tus palabras el funcionamiento del grupo conico diferencial, describiendo

las partes que lo componen.

2. ¿Que conclusiones se pueden extraer de los graficos anteriores?

P.3Engranajes Epicicloidales

§ 14. Objetivos

Con la presente practica se persigue los siguientes objetivos:

Caracterizacion del movimiento para engranajes epicicloidales.

Medida del desplazamiento angular correspondiente al eje de entrada y salida

respectivamente, comparando la relacion existente entre estos para una relacion

de transmision directa y para una relacion de transmision abierta.

Determinar la relacion existente entre los esfuerzos requeridos a la entrada para

elevar unas determinadas cargas en el lado de la salida en los casos anteriormente

citados.

§ 15. Mecanismo de Engranajes Epicicloidales

Como se puede ver en figura 3.1, el tren se compone de un pinon central o sol,

unas ruedas intermedias1, que produce un movimiento epicıclico al rodar en torno a

la periferia del engranaje central, y de una corona. Se dispone ademas de un brazo de

manivela2 o soporte planetario, que contiene los cojinetes para el engranaje epicıclico

con objeto de mantener endentadas las ruedas del engranaje.

1Satelites o planetarios.2Que en nuestra representacion se ha sustituido por un disco, con el fin de facilitar la representacion.

23

24 § 16. Mecanismo Empleado

Figura 3.1: Engranajes epicicloidales.

El tren de engranajes epicicloidales tiene tres o mas planetarios o satelites, lo cual

contribuye a un mayor equilibrio de las fuerzas, ya que el numero de fuerzas de transmision

es mayor, pero esta disposicion no varia en absoluto el comportamiento cinematico

del mecanismo. En todo caso, para cualquier numero de planetarios utilizados, solo se

podra emplear un soporte o brazo de entrada.


Figura 3.2: Engranajes epicicloidales.

En la figura 3.2 se puede observar la disposicion general de la unidad de engranajes

Engranajes Epicicloidales 25

epicicloidales. La unidad esta dotada de cojinetes en todas sus partes al objeto de reducir

al mınimo las perdidas por rozamiento.

En numero de dientes del sol y de los planetarios es el mismo, veintiun dientes,

mientras que la corona tiene el triple de dientes, sesenta y tres.

Una polea se ha fijado con un prolongador en el eje de entrada y otra en la salida,

estan dispuestas con chaflan y acanaladuras de modo que pueden ser cargadas individualmente

o utilizarse como poleas a fin de que puedan ser determinadas las velocidades y la

distribucion de momentos en las mismas.

Para la figura 3.3, representativa de una maquina simple, denominaremos:

Te = Momento de giro en la entrada

θe = Desplazamiento angular en la entrada

Ts = Momento de giro en la salida

θs = Desplazamiento angular en la salida

Figura 3.3: Esquema simplificado de un mecanismo de engranajes.

Para esta maquina, el trabajo de entrada viene dado por la relacion:

Ee = Teθe (3.1)

Y el trabajo de salida por:

Es = Tsθs (3.2)

El rendimiento sera la relacion existente entre el trabajo de salida y el trabajo de

26 § 17. Transmision Directa

entrada, es decir:

η =Es

Ee

=Ts θs

Te θe

(3.3)

§ 17. Transmision Directa

Figura 3.4: Tren epicicloidal con transmision directa.

Como se puede ver en la figure 3.4 el sol va solidario3 con el plato del eje de salida,

con lo que se obtiene la misma velocidad a la entrada que a la salida,es decir tenemos

transmision directa. Ası la relacion de transmision sera igual a 1.

§ 18. Transmision Abierta

En la figura 3.5 se tiene un tren en transmision abierta. Al fijar el sol4, ahora los

satelites giran entorno al sol para transmitir el movimiento a la corona y al eje de salida.

Para aplicar la formula de Willis, utilizamos la figura 3.6(a), en la que el movimiento

entra por el sol y sale por la corona, de esta manera se obtiene la siguiente expresion:

µ1 =ωsol − ωplanetario

ωcorona − ωplanetario

(3.4)

3La union que se realiza en la figura 3.4, no es la de nuestro mecanismo. En esta practica esta se

lleva cabo mediante un bulon que conecta la corona con el plato del sol.4En la figura se fija el plato del sol mediante una cuna, como en figuras anteriores se hace para

facilitar la comprension de la figura. En nuestro mecanismo se realiza la union mediante un bulon que

une el plato del sol con la carcasa.


Figura 3.5: Tren epicicloidal con transmision abierta.

Al restar la velocidad del planetario al sol y a la corona, es como si se se fijaran los

planetarios, y por tanto ωPlanetario = 0, quedando un tren de engranajes de ejes paralelos

del cual facilmente conocemos la relacion de transmision, figura 3.6(a).

µ1 =ωsol

ωcorona

=v

dsol

vdcorona

=dcorona

dsol

(3.5)

d = Z m (3.6)

µ1 =Zcorona

Zsol

= −63

21= −3 (3.7)

El signo menos que aparece en la ecuacion 3.7 es debido a que el sentido de giro del

sol y de la corona son opuestos como puede verse en la figura 3.6(b).

Utilizando las ecuaciones 3.5 y 3.7, y sabiendo que la velocidad del sol es cero cuando

la transmision es abierta, se obtienen las siguientes expresiones:

−3 =−ωplanetario

ωcorona − ωplanetario

(3.8)

3 ωplanetario − 3 ωcorona = −ωplanetario (3.9)

4 ωplanetario = 3 ωcorona (3.10)


µ =ωplanetario

ωcorona

=3

4(3.11)

La ecuacion 3.11 nos da la relacion entre la velocidad de entrada, la de los planetarios,

y la de salida, la de la corona, es decir la relacion de transmision del tren de engranajes

epicicloidales.

(a) Esquema del tren epicicloidal. (b) Sentidos de giro en el tren.

Figura 3.6: Modelado de un tren epicicloidal.


En esta parte se va a :

1. Medir el desplazamiento angular correspondiente a los lados de entrada y de salida

y comparar la relacion existente θs / θe con la relacion de transmision calculada.

2. Determinar el mınimo esfuerzo necesario en la entrada para elevar una serie de

cargas en el lado de salida al anadir masas suspendidas.

Si el momento de entrada y salida viene dado por las ecuaciones 3.12 y 3.13,

Te = me g R (3.12)

Ts = ms g R (3.13)

Por lo que el rendimiento queda determinado por la relacion:

η =Ts

Te

θs

θe

=ms g R

me g R

θs

θe

=ms

me

µ (3.14)


§ 20. Toma de Datos

En la maqueta los radios de salida y entrada valen: Re = 40 mm y Rs = 40 mm

20.1. Transmision Directa

ms(g) me(g) Ts(N m) Te(N m) η( %)

100

300

700

1000

20.2. Transmision Abierta

ms(g) me(g) Ts(N m) Te(N m) η( %)

100

300

700

1000

30 § 21. Graficos

§ 21. Graficos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Par

de

Entr

ada(N

.m)

Par de salida (N.m)


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

η(%

)

Par de salida (N.m)

Rendimiento en funcion del Par de Salida.


§ 22. Cuestiones

1. ¿Como se consigue una relacion de transmision, u otra en el mecanismo de engranajes

epicicloidales?

2. Comentar los graficos anteriores.


P.4Montaje y Desmontaje de la Caja

de Cambios

§ 23. Objetivos

En esta practica, utilizando la caja de cambios de un SEAT Arosa, se persigue

conseguir:

1. Conocimiento de los elementos de los que consta una caja de cambios manual.

2. Desmontaje y observacion fısica de todos los elementos de la caja de cambios de

un automovil de traccion delantera.

3. Montaje de la caja de cambios.

§ 24. Caja de Cambios

La caja de cambios que se analiza a continuacion se compone de tres sistemas de

engranes:

1. Eje primario, figura 4.1(a).

2. Eje secundario, figura 4.1(b)

3. Grupo conico diferencial, figura 4.1(c).

33

34 § 24. Caja de Cambios

(a) Eje primario. (b) Eje secundario.

(c) Grupo Conico. (d) Eje primario y secundario.

Figura 4.1: Sistemas de engranajes de la caja de cambios.

El movimiento del motor llega hasta el eje primario. Este eje esta compuesto por una

serie de engranajes solidarios con el, que estan siempre engranados1 con los correspondientes

del eje secundario, que son locos. Para que el movimiento pase de un eje a otro, solo una

pareja de ruedas dentadas han de transmitir movimiento. Utilizando unos mecanismos

llamados sincronizadores, figura 4.3, alojados en el secundario, se selecciona la rueda

dentada que se hace solidaria con el eje secundario. De esta manera, modificando las

relaciones de transmision entre los engranajes, se controla la velocidad de salida. Los

engranajes utilizados en esta caja de cambios son helicoidales, debido a que poseen una

mayor capacidad de carga, y a que son mas silenciosos que los engranajes de dientes

rectos. Aun ası, el engranaje de marcha atras es recto para facilitar su engrane2, figura

4.2(a).

1Ver figura 4.1(d).2El engranaje de marcha atras no esta siempre engranado a diferencia de las demas velocidades. La

marcha atras engrana mediante la palanca que se muestra en la figura 4.2(c)

Montaje y Desmontaje de la Caja de Cambios 35

(a) Pinon de reenvıo de marcha atras. (b) Configuracion para la marcha atras.

(c) Palanca de la marcha atras.

Figura 4.2: Marcha atras.

§ 25. Sincronizador

La funcion del sincronizador es realizar la fijacion al eje secundario del engranaje que

se necesite en cada momento. Para realiza esta operacion, el sincronizador se compone

de las siguientes piezas, como puede verse en la figura 4.4:

1. Cubo del Sincronizador: parte unida solidariamente al eje, que sirve para igualar

del engranaje y del eje.

2. Anillo del sincronizador: elemento solidario con el cubo, con respecto al cual tiene

una cierta holgura. Su interior es conico y ajusta sobre el pinon loco.

3. Pinon del secundario, ((loco)): va alojado sobre un rodamiento de agujas en el

secundario, su extremo es conico, y sobre el se aloja el anillo del sincronizador.

4. Desplazable: elemento deslizante sobre el cubo del sincronizador, que en su movimiento

une el cubo con el anillo del sincronizador y el pinon del secundario. El movimiento

del desplazable se controla a traves de una horquilla unida directamente a la

palanca de cambio.

36 § 25. Sincronizador

(a) (b)

(c)

Figura 4.3: Diferentes vistas de un sincronismo.

5. Dientes del sincronizador: van que unidos con par de resortes circulares, y colocan

al deslizante en unas posiciones fijas.

El funcionamiento del sincronizador se puede resumir en los siguientes pasos3:

1. Cuando el sistema se encuentra en punto muerto, el movimiento del primario no

llega al secundario; esto se debe a que los pinones del secundario estan montados

sobre rodamientos de agujas.

Para seleccionar una velocidad se necesita transmitir el movimiento del pinon al

eje; pero esta operacion no se puede realizar directamente, ya que el pinon se monta

sobre rodamientos. Por tanto, se necesita otro elemento ((sincronizador)) con el que

fijar el pinon al eje.

2. Al mover el desplazable, y debido a la holgura que existe entre el cubo y el anillo

del sincronizador, todo el conjunto, desplazable, dientes, y anillo, se aproximan al

pinon. En este movimiento, y debido a que el interior del anillo y el exterior del

pinon son conicos, se igualan las velocidades del anillo y del pinon.

3. Una vez igualadas las velocidades, y gracias a la fuerza que viene de la palanca de

cambio, los dientes del sincronizador dejan moverse al desplazable para que este

3El cambio de velocidades se realiza con el motor desembragado, es decir, sin que se transmita

ningun par del motor a la caja de velocidades.


Figura 4.4: Despiece de un sincronizador.

engrane con el anillo del sincronizador y el pinon. De esta manera se ha conseguido

fijar las siguientes elementos:

Pinon loco.

Anillo del sincronizador.

Desaplazable.

Cubo del sincronizador.

Y por tanto transmitir el movimiento del pinon al eje.

§ 26. Relacion de Colores

Con el fin de facilitar el montaje y el desmontaje, ası como la identificacion de los

distintos elementos, se han pintado las de distintos colores. La relacion de los colores de

la caja de cambios es la siguiente:

1. Ejes de salida del diferencial(Marron).

2. Tornillos del carter de 5a(Blanco)

3. Selector eje horquillas 1a/2a y 3a/4a(Rojo)

38 § 27. Desmontaje

4. Eje primario(Azul).

5. Eje secundario(Verde).

6. Tornillos de union de los carteres de pinonerıa y de embrague(Negro)

7. Eje del pinon de reenvıo de marcha atras(Naranja).

8. Eje de horquilla de 5a(Morado).

§ 27. Desmontaje

Para desmontar la caja de cambios debemos seguir los pasos que se indican a

continuacion.

1. Desmontar los ejes de salida del diferencial (color marron) golpeando con el martillo

de nailon.

2. Quitar los tornillos del carter de 5a (color blanco) con llave de carraca de 13 mm.

3. Sacar el pasador de la horquilla de 5a golpeando con el martillo y ayudandose con

el botador de diametro 5 mm.

4. Extraer simultaneamente la horquilla y el desplazable de 5a. Despues montar

el desplazable solo, para meter la 5a marcha, orientando el lado puntiagudo de

los dientes hacia el pinon y alineando los vaciados de los dientes con los dientes

alojados en los vaciados del cubo e introduciendolo hasta que engrane con el pinon.

5. Presionar el selector (color rojo) para meter una segunda marcha y ası bloquear

la caja.

6. Aflojar las tuercas del extremo del eje primario (color azul) y del eje secundario

(color verde) utilizando la llave de tubo de 32 mm.

7. Sacar del eje secundario las siguientes piezas todas juntas para evitar el desarmado:

la arandela de bloqueo, el desplazable, el sincronizador y el pinon loco de 5a,

incluyendo el rodamiento de agujas y su pista interior alojados bajo el conjunto

anterior.

8. Sacar del eje primario el engranaje de 5a.

9. Devolver el cambio al punto muerto buscando la posicion central del mando

principal.


(a) Tapon de registro. (b) Contactor de la marcha atras.

Figura 4.5: Tapon de registro y contactor de marcha atras

10. Quitar los tornillos de union de los carteres de pinonerıa y de embrague (color

negro) con llave de carraca de 13 mm.

11. Apoyar la caja por el lado del carter de 5a y extraer el carter de embrague y el

diferencial. Si es necesario ayudandose con martillo de nailon.

12. Sacar el eje del pinon de reenvıo de marcha atras (color naranja) del carter de

pinonerıa (es posible que al extraer el carter de embrague , el eje salga encajado

en este).

13. Retirar el pinon de reenvıo de marcha atras, su arandela y su goma.

14. Quitar el contactor de luz de marcha atras, alojado en el lateral exterior del carter

de pinonerıa al lado del tapon de registro, con llave inglesa (22 mm).

15. Extraer el eje de horquilla de 5a (color morado). Para ello, se pueden seguir los

pasos siguientes. Estando el eje de horquillas de 1a/2a y 3a/4a (color rojo) en punto

muerto, girarlo en sentido horario hasta que haga tope. Seguidamente girar el eje

de horquilla de 5a un cuarto de vuelta en sentido antihorario hasta que se libere

el teton y extraerlo.

16. Quitar el tapon de registro (color negro) del lateral exterior del carter de pinonerıa,

con llave inglesa (24mm).

17. Colocar la caja de lado, con la parte del carter de 5a hacia nosotros.

18. Abrir el anillo de freno del eje secundario con los alicates y al mismo tiempo

golpear con el martillo de nailon al eje hasta que el anillo de freno salve la ranura

del rodamiento anulando ası su efecto, sin sacar el rodamiento por completo. Para

ayudar a que salga, levantar un poco la parte opuesta del eje.

40 § 28. Montaje

19. Proceder de la misma forma con el eje primario.

20. Golpear alternativamente con el martillo de nailon a los dos ejes para que salgan

a la vez, junto con el eje de horquillas. Levantar un poco la parte opuesta de los

ejes.

§ 28. Montaje

Para efectuar correctamente el montaje de la caja debemos proceder con los siguientes

pasos:

1. Acoplar el eje de horquillas de 1a/2a y de 3a/4a (color rojo), montado segun

se observa en la fotografıa, en el eje secundario (color verde), teniendo este los

desplazables en punto muerto.

2. Introducir simultaneamente el conjunto anterior y el eje primario (color azul) en

el carter de pinonerıa, cada uno en su alojamiento.

3. Una vez esten los rodamientos en sus asientos y los ejes totalmente perpendiculares

a estos, golpear alternativamente con el martillo de nailon los ejes primario y

secundario hasta que hagan tope con los anillos de freno.

4. Abrir el anillo de freno del eje primario con los alicates y golpear este eje hasta

encajar dicho anillo en la ranura del rodamiento, levantar un poco el eje si hace

falta.

5. Proceder del mismo modo con el eje secundario.

6. Poner el tapon de registro y apretar con llave inglesa (24 mm).

7. Por el lado del carter de 5a montar en el eje primario el engranaje de 5a colocando

el colların hacia el rodamiento y apretar la tuerca a mano.

8. En el eje secundario, teniendo cuidado de que no se desarme, montar la pista

interior del rodamiento, el rodamiento de agujas, el pinon loco de 5a, el sincronizador,

el desplazable de 5a junto con la arandela de bloqueo y finalmente apretar la tuerca

a mano.

9. Empujar el desplazable de 5a hacia el pinon loco hasta meter esta marcha.

10. Presionar el selector (color rojo) para meter una segunda marcha y ası bloquear

la caja. Si no se mete la marcha girar un poco el eje de horquillas.


11. Apretar ambas tuercas de los ejes primario y secundario con la llave de tubo de

32 mm.

12. Devolver el eje de horquillas al punto muerto y luego girar este en sentido horario

hasta que haga tope.

13. Introducir el eje de horquilla de 5a (color morado) por el extremo mas largo,

orientandolo de tal manera que el teton este enfrentado con el hueco del contactor

de luces de marcha atras y una vez que llegue a la altura de la ranura del cubo

del eje de horquillas girar en sentido horario hasta que haga tope, sin forzarlo.

14. Por el lado del carter de 5a sacar el desplazable del eje secundario.

15. Montar el desplazable junto con la horquilla de manera que la parte larga del

cuello de esta este orientada hacia la caja. El lado puntiagudo de los dientes del

desplazable ha de estar tambien orientando hacia la caja y los vaciados de los

dientes han de estar alineados con los dientes alojados en los vaciados del cubo.

Es posible que al montarlo se meta la 5a velocidad.

16. Colocar el pasador que fija la horquilla al eje con el martillo.

17. Devolver el cambio al punto muerto.

18. Colocar el carter de 5a y apretar los tornillos (color blanco) con llave de carraca

de 13 mm.

19. Poner el contactor de luces de marcha atras y apretar con llave inglesa (22mm).

20. Dar la vuelta a la caja apoyandola sobre el carter de 5a.

21. Colocar el pinon de reenvıo de marcha atras en su eje (color naranja), dejando el

cuello del pinon orientado hacia el pasador y metiendo posteriormente la arandela

y la goma en este orden por el mismo lado del eje.

22. Montar este conjunto en su alojamiento del carter esquivando el pinon de 1a.

23. Orientar el pasador del eje de marcha atras apuntando hacia el eje de horquilla de

5a.

24. Colocar el diferencial en su alojamiento de forma que engrane con el eje secundario.

Asegurarse de que los dos planetarios esten alineados.

25. Montar el eje de salida (color marron) de la parte del carter de 5a hasta que entre

en su planetario.


26. Asegurarse de que la caja esta en punto muerto.

27. Preparar el carter de embrague levantando un poco la palanca accionadora de

marcha atras y presionar el mando principal hasta el fondo para que el casquillo

de mando se levante al maximo.

28. Colocar el carter de embrague sobre el de pinonerıa vigilando que todos los ejes

entren en sus alojamientos hasta que el dedo de mando del eje de horquillas de

1a/2a y de 3a/4a entre en su casquillo sin desplazarle.

29. Una vez que haya entrado el dedo de mando en el casquillo, quitar el tapon de

registro y golpear el carter con el martillo de nailon hasta que se acoplen por

completo ambos carteres.

30. Ayudandose del botador, a traves del hueco del tapon de registro, levantar el cubo

del eje de horquillas hasta centrarlo con el agujero para que se pueda poner el

tapon de registro.

31. Volver a poner el tapon de registro.

32. Apretar los tornillos de union del carter de pinonerıa y embrague (color negro)

con llave de carraca de 13 mm.

33. Montar el eje de salida de la parte del carter de embrague.

§ 29. Cuestiones

1. ¿Por que los engranajes de la marcha atras son rectos?

2. ¿Para que sirve el tapon de registro?

3. Diferencias fundamentales entre el eje primario y el secundario.

P.5Freno de Tambor

§ 30. Objetivos

Figura 5.1: Ejemplo de Freno de Tambor.

Sobre un mecanismo representativo de un freno de tambor, la presente practica

propone demostrar:

Las relaciones existentes entre las fuerzas actuantes y los momentos de frenado.

Demostrar la diferencia que se obtiene para el momento de frenado cuando la

palanca portadora de la zapata es traccionada, o cuando es comprimida, segun el

sentido de giro que se le de al tambor.

43

44 § 31. Freno de Tambor

§ 31. Freno de Tambor

Es un mecanismo que se utiliza para detener el movimiento de ejes o arboles en

rotacion.

El freno de tambor se compone de:

1. Un tambor, el cual se une a la rueda mediante unos esparragos.

2. Las zapatas, elementos metalicos recubiertos de material de alto coeficiente de

friccion ( “ferodo” ).

3. El plato del freno, que es el soporte donde se apoyan las zapatas.


El mecanismo utilizado para la practica se compone de un tambor y dos zapatas

ancladas con cuatro brazos, para la mejor realizacion del estudio que nos ocupa, ası como

de los accesorios necesarios para aplicar las fuerzas.

La fuerza de accionamiento del freno viene dada por un brazo o palanca similar a la

que aparece en la figura 5.2. Tomando ΣMA = 0, se obtiene que:

Figura 5.2: Palanca de Accionamiento.

P =140Fp

40= 3′5 Fp (5.1)

Freno de Tambor 45

32.1. Palanca Traccionada

En la figura 5.3 se pueden observar, el diagrama del solido libre de la zapata y del

tambor. Vemos como la zapata queda traccionada, cuando el giro del tambor se realiza

en el sentido de las agujas del reloj.

Figura 5.3: Palanca Traccionada

Tomando momentos respecto a la base de la zapata:

N a + Fr b = P b ∵ Fr = µ N (5.2)

N =P l

a + µ b(5.3)

donde µ es el coeficiente de rozamiento.

Por su parte, el momento de frenado, teniendo en cuenta la ecuacion 5.3, es:

Mf = FR Tambor Rtambor = µ Ntambor Rtambor = µ Rtambor

P l

a + µ b(5.4)

donde se ha tenido en cuenta que |Ntambor| = |N |

32.2. Palanca Comprimida

De igual manera que en el caso anterior, se puede ver como la zapata queda comprimida,

cuando el giro del tambor es en el mismo sentido de las agujas del reloj. Tomando


Figura 5.4: Palanca Comprimida

momentos respecto a la base de la zapata:

N a = P l + FrZapata b = P l + µ N b (5.5)

N =P l

a − µ b(5.6)

donde µ es el coeficiente de rozamiento.

De la misma manera que en el caso anterior, y usando la ecuacion 5.6, se obtiene el

momento de frenado.

Mf = FR Tambor Rtambor = µ Ntambor Rtambor = µ Rtambor

P l

a − µ b(5.7)

donde se ha tenido en cuenta que |Ntambor| = |N |


Los experimentos consisten en investigar la relacion entre la fuerza actuante en la

zapata y el momento de frenado del tambor. Para lo cual colocaremos una serie de

masas, m1, que nos generaran la fuerza de frenado y encontramos otra, m2, que, en el

lımite del equilibrio, nos dara el valor del momento de frenado en el tambor.

Freno de Tambor 47


Figura 5.5: Masas para el caso de Palanca Traccionada.

Fp = m1 g (5.8)

P = 3,5 Fp (5.9)

Mf = m2 g Rtambor (5.10)


Figura 5.6: Masas para el caso de Palanca Comprimida.

48 § 34. Toma de Datos

Fp = m1 g (5.11)

P = 3,5 Fp (5.12)


33.3. Palanca Traccionada y Comprimida

Figura 5.7: Masas para el caso de Palanca Traccionada y Comprimida.

Fp = m1 g (5.14)

P = 3,5 Fp (5.15)


§ 34. Toma de Datos

Sabiendo que el valor de las constantes anteriormente utilizadas es:

A=B L R

0.095 m 0.19 m 0.12 m

Freno de Tambor 49


m1 (g) m2(g) P(N) Mf (N m)

300

400

500


m1 (g) m2 (g) P(N) Mf (N m)

300

400

500

34.3. Palanca Traccionada y Comprimida

m1 (g) m2 (g) P(N) Mf (N m)

300

400

500

§ 35. Resultados

50§

35.R

esulta

dos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 210

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

MF

renado (N

.m)

Par de salida (N.m)

Variacion del Par de Frenado en Funcion de la Fuerza de Accionamiento.

Freno de Tambor 51

§ 36. Cuestiones

1. ¿Por que el momento de frenado en la palanca traccionada es menor que en la

comprimida?

2. ¿De que tipo es la relacion que existe entre el momento de frenado y la fuerza de

accionamiento?

3. Sabiendo la relacion existente entre el momento de frenado y la fuerza de accionamiento,

calcular el coeficiente de rozamiento de la zapata.


Bibliografıa

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[2] Gutierrez Fuentes, D. y Sanz Culebras J.D. ((Proyecto Fin de Carrera: Caja de

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[3] Shigley, J.E. y Mischke Charles R.((Diseno en Ingenierıa Mecanica)) Editorial

McGrawhill. 2002

[4] Shigley, J.E. y Uiker J.J. ((Teorıa de Maquinas y Mecanismos)) Editorial McGrawhill.

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[5] Vera Martınez, V.V.((Analisis Cinematico y Dinamica de Mecanismos)). Servicio de

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[6] Vera Martınez, V.V. ((Elementos de Maquinas)). Servicio de Publicaciones de la

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Documents

Montaje y Desmontaje de la Caja de Cambios.pdf