CAJAS DE CAMBIO DE
VELOCIDADES
III PARTE
Presenta: MC JOSÉ RAMÓN SOCA CABRERA
Objetivo de la clase
Que el estudiante sea capaz de explicar el
principio de funcionamiento de las caja de
cambio de velocidades progresivas que se
utilizan en los tractores agrícolas
Antecedentes
Hasta el día de hoy se han analizado las cajas de cambio de velocidades estándares y automáticas que se utilizan en los automóviles. También se analizaron las cajas estándares escalonadas empleadas en los tractores agrícolas.
Sin embargo, el estudio de transmisiones no estaría completo si dejáramos de analizar, aunque de manera muy breve, el funcionamiento y la estructura de las cajas de velocidades progresivas, o sea, aquellas que realizan el cambio bajo carga, sin necesidad de que se interrumpa el flujo de potencia hacia los órganos motrices.
El estudio de este tipo de transmisiones ha ocupado y ocupa un papel importante en las investigaciones que desarrollan firmas como: John Deere, Claas, Case-Steyr, Deutz, entre otras. Sus interesantes aportes y desarrollos tecnológicos están marcando la pauta tecnológica en transmisiones para tractores y será, sin duda, el futuro inmediato.
Antecedentes
Recordemos que:
1. Los sistemas planetarios son muy utilizados en las cajas automáticas, al igual que los convertidores de par, pero también se utilizan engranajes cilíndricos y hasta embragues de disco seco. También la combinación de los anteriores.
2. Los sistemas planetarios con grado de movilidad pueden tener 6 diferentes maneras de transmitir movimiento. Para ello se valen de frenos de cinta, embragues multidiscos y de rueda libre, principalmente.
3. La mayoría de las cajas guardan una progresión geométrica en sus cambios, pero constructivamente, a veces, esto no es posible. Entonces surgen los “huecos” y los “recubrimientos” en los cambios.
Antecedentes
Recordemos que:
4. Los sistemas planetarios, también pueden tener dos grados de movilidad (diferenciales) y que su uso en maquinaria es común por las grandes reducciones que se logran alcanzar.
5. Los sistemas planetarios, analizados hasta ahora, siempre se utilizan “compuestos”, o sea, más de uno para lograr la cantidad de cambios necesarios.
6. Los sistemas planetarios deben cumplir con tres condiciones:
a) Condición de montaje: Tener todos los engranes el mismo módulo para que exista buen acoplamiento.
b) Condición de coaxialidad: que la corona y el planeta tengan un eje de rotación común.
c) Condición de adyacencia: que los dientes de los satélites, adyacentes entre sí, no rocen unos con otros.
Antecedentes
Recordemos que:
7. Los tractores deben garantizar velocidades de movimiento desde los 0.4 hasta los 50 km/h, por lo que casi siempre utilizan dos gamas de cambios: alta y normal (H y L).
8. Los tractores agrícolas y otras máquinas de construcción e industriales utilizan, con mucha frecuencia, el movimiento de reversa, por ello necesitan de un mecanismo “inversor”, que actúe de manera rápida para elevar el rendimiento.
9. Los tractores agrícolas deben tener una cantidad elevada de cambios para garantizar:
Las velocidades agrotécnicas de movimiento de acuerdo a la labor que realizan (barbecho, surcado, siembra, plantación, cosecha, etc),
La fuerza necesaria en la barra de tiro para mover el implemento.
Cumplir ambos puntos anteriores con la condición de que el motor funcione en la zona del régimen de su máximo rendimiento energético y económico.
10. Los motores siempre deben trabajar con un coeficiente de carga entre el 85 y el 98%, en su ramal de regulación o de carga.
CARACTERÍSTICA DE REGULCIÓN DE
UN MOTOR DE TRACTOR
CAMBIOS PROGRESIVOS EN TRACTORES
Estos cambios se caracterizan por tener la facultad
de variar la relación de transmisión y por tanto la
velocidad de movimiento, torque a los órganos
motrices y potencia a la barra de tiro de los tractores
sin interrupción en el flujo de fuerza en la
transmisión, durante los cambios.
Se pueden clasificar de la manera siguiente:
1. Cambios asistidos por fuerza hidráulica.
2. Transmisiones hidrostáticas
3. Transmisiones CVT con ramificación mecánica –
hidrostática de la potencia.
Veamos sus particularidades.
CAMBIOS ASISTIDO POR FUERZA
HIDRÁULICA
Estos cambios se caracterizan por tener un tren de engranajes en el que se puede variar la relación de transmisión sin necesidad de interrumpir el flujo de potencia
Por lo general, los engranajes están en toma constante y la variación de la relación de transmisión se cambia “sobre la marcha” actuando uno o más embragues hidráulicos.
Estos cambios se componen de los siguientes elementos:
1. Embragues hidráulicos (de discos múltiples, generalmente)
2. Trenes de engranajes para transmitir fuerza.
Estos cambios se pueden clasificar:
1. A base de un tren fijo o contraeje
2. A base de engranajes epicicloidales.
Cambio progresivo con gama de marchas
2+1 (2 adelante + 1 hacia atrás), de
embragues múltiples.
Simbología:
F1 y F2 – Embragues de discos múltiples
D1 y D2 – Pares de engranajes cilíndricos para
las marchas hacia delante.
M1 – Carro deslizante para embragar las
marchas hacia delante con el árbol secundario
(salida) 3.
M2 – Carro deslizante para conectar la reversa
1 - Árbol primario.
2 – Árbol intermedio.
Funcionamiento:
I vel. = F1 – 2 – D1– 3, con M1;
II vel.= F1 – 2 – D2 – 3, con M1
III vel. = F2– 2 – D1 – 3, con M1;
IV vel. = F2 – 2 – D2 –3, con M1
Reversa:
I vel. = F1 – 2 –3, con M2
II vel. = F2 – 2 – 3, con M2
Condición de progresividad:1. Par motor suficiente para que ambos
embragues trabajen con recubrimiento.2. Acople y desacople de F1 y F2 con
Suficiente rapidez.
Embragues hidráulicos utilizados en las
transmisiones progresivas
CAMBIO POR CONTRAEJE O TREN FIJO
Velocidad alta (H) y reducida (L)
CAMBIO POR CONTRAEJE O TREN FIJO
Marcha adelante (F) y reversa (R)
CAMBIO POR CONTRAEJE O TREN FIJO
UNIDAD INVERSORA EN UNA TRANSMISIÓN COMPLETA
CAMBIOS HIDRÁULICOS EPICICLOIDALES
(Sistema planetario sencillo)
A – Eje de entrada
B – Eje de salida
1 - Piñón sol (planeta)
2 - Satélites
3 – Corona
4 – Porta satélites
5 – Embrague para la velocidad directa (embrag)
6 – Freno para la reducción (desembragado)
Se utiliza este sistema para seleccionar una
velocidad alta y otra baja para cada cambio
de la caja mecánica o también un aumentador
del momento torsional (caso MF, CNH, etc)
Nota: Color rojo significa presión de aceite y
Elemento aplicado (freno o embrague)
CAMBIOS HIDRÁULICOS EPICICLOIDALES
En este caso la velocidad reducida se
logra inmovilizando el portasatélites
mediante el freno 2.
La unidad completa trabaja como una
reducción por contraeje.
Para la directa se acopla el embrague 3
que une al eje de entrada con el
portasatélites y se suelta el freno 2.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
B1 y B2 – Frenos reductores
C1 y C2 – Embragues
2 – Freno B2 para inmovilizar a corona 2
3 – Freno B1 para inmovilizar a corona 1
¿Cómo se logran las velocidades 1 y 2?
Se aplica B1, se inmoviliza corona 6 y los
satélites pequeños giran por la corona 6,
arrastrando al portasatélites 4, que es salida:
así se logra la 1ª.
Se aplica el freno B2, se inmoviliza la
corona 9, los satélites grandes giran
alrededor de ella, arrastrando al portasatélite,
que es salida, pero de menor relación que la
primera, pero reduciendo, pues la salida es
por portasatélite.
Si no se aplican los frenos se está en punto
muerto
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
¿Cómo se logran la 3ª y 4ª velocidad?
Se añade un segundo piñón sol de mayor
diámetro y concéntrico con el eje del primer
piñón sol, o sea, uno dentro del otro.
Con los mismos Frenos B1 y B2 se obtienen
la 3ª y 4ª velocidad
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
La 5ª velocidad es la directa.
Para conseguirla se accionan ambos
piñones sol a la vez y a la misma
velocidad, sin aplicarse ambos frenos.
Por no tener la misma cantidad de
dientes ambos piñones sol y estar cada
uno engranado con sus respectivos
planetarios, el conjunto se bloquea y el
portasatélites gira necesariamente a la
misma velocidad que los ejes de entrada.
Para mandar la fuerza a los piñones sol
1 ó 2 ó a los dos a la vez se utilizan los
embragues C1 y C2 ubicados a la
entrada de la caja de cambios (después
del motor)
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
Para completar este cambio
epicicloidal se acopla un
segundo sistema planetario
sobre el primero. Los dos
portasatélites se unen
rígidamente, de forma que
la salida de primero es la
entrada del segundo.
El segundo sistema permite
obtener la inversión, una
directa y una multiplicación.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
REVERSA:
Cuando se acopla el freno B3
de reversa, se inmoviliza la
corona.
Si la entrada es por el PS (A),
éste arrastra a los satélites
pequeños y estos obligan a
que los satélites grandes
rueden por la corona
inmovilizada y entonces
obligan a que los satélites
pequeños giren en el sentido
del portasatélites y ellos
mismos hacen girar al piñón
sol más grande en
sentido contrario al motor.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
DIRECTA:
Se acopla el embrague C3 y
Los dos piñones sol giran
solidarios (cubo de C3
solidario con sol grande y
fijo con eje de salida.
Tambor de C3 fijo con sol
pequeño.
Se aplica C3, ambos soles
solidarios y se bloquean los
satélites por lo que el eje
de salida gira a igual
velocidad y sentido que el
portasatélites.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
SUPERMARCHA O
MULTIPLICACIÓN DE VELOCIDAD:Se aplica freno B4 y se inmoviliza el
sol pequeño por estar fijo al tambor.
Al obligar el portasatélites a que los
satélites grandes giren sobre el
piñón sol pequeño inmovilizado,
hace que ellos giren en el mismo
sentido que el portasatélite y obligan
a que los satélites dobles pequeños
giren en sentido opuesto. A su vez,
hacen girar al sol grande, que es
salida, en el mismo sentido que el
portasatélite, pero a mayor velocidad.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
CONCLUSIÓN:
El primer sistema planetario permite obtener cinco
relaciones de cambio diferentes.
El segundo sistema, acoplado a la salida del primero
permite obtener: reversa, directa y multiplicación
Entonces teóricamente se pueden obtener: 10
velocidades hacia delante y 5 reversas.
En la práctica,combinando ambos sistemas solo se
logra obtener 8 hacia delante y 4 hacia atrás,
uniformemente escalonadas.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
EMBRAGUES Y FRENOS QUE
DEBEN APLICARSE PARA
CONSEGUIRSE CADA CAMBIO
EN UN SISTEMA EPICICLOIDAL
COMPLEJO PARA TRACTORES.
EPICICLOIDES MÚLTIPLES
(Cambios de 8F + 4R velocidades)
Cambio epicicloidal múltiple en la transmisión de un tractor John Deere
Circuitos hidráulicos para el mando de un
cambio asistido por fuerza hidráulica
Transmisiones hidrostáticas
Las transmisiones hidrostáticas aprovechan un líquido a presión para transmitir la fuerza del motor a las ruedas motrices del vehículo.
La potencia mecánica del motor se transforma en potencia hidráulica por medio de una combinación de bomba y motor hidráulico. A su vez, esta potencia hidráulica se vuelve a transformar en mecánica para accionar las ruedas motrices.
La transmisión hidrostática realiza las funciones de embrague y de caja de cambio de velocidades en una transmisión mecánica.
La transmisión hidrostática permite obtener una gama continua de velocidades y torque, así como la inversión del movimiento
Transmisiones hidrostáticas
Componentes principales
Transmisiones hidrostáticas
Transmisiones hidrodinámicas:
Utilizan líquidos a gran velocidad,
pero a presiones relativas bajas.
Transmisiones hidrostáticas:
Utilizan líquido a grandes presiones,
pero a poca velocidad. El propio
líquido se encarga de transmitir
la fuerza desde la bomba al motor
hidráulico.
Transmisiones hidrostáticas
Principio de funcionamiento
Arriba izq.: Transmisión de fuerza de un cilindro (bomba) a otro (motor): bomba y
Motor de caudal constante.
Abajo izq.: Ahora el pistón de apoya en una placa oscilante que puede variar su
Ángulo de inclinación con lo que variará su carrera y por tanto su caudal: Bomba y
Motor de caudal variable.
Derecha: Bomba de pistones de caudal variable y motor de caudal constante
Transmisiones hidrostáticas
Factores que condicionan el funcionamiento:
1. El caudal de aceite – que determina la
velocidad.
2. La dirección en que circula el aceite –
determina el sentido de giro.
3. La presión de aceite – determina la potencia
transmitida.
Cada uno se puede variar de forma continua, lo
que permite obtener una gama infinita de
velocidades y pares motores.
Transmisiones hidrostáticas
Circuito hidráulico de una transmisión hidrostática
(circuito cerrado)
Transmisiones hidrostáticas
(Combinaciones posibles entre bomba y motor)
fijo variable
Transmisiones hidrostáticas
(Bomba rotativa axial de pistones)
Ecuaciones importantes:Gasto = (π · d^2 / 4) · z· n · D · tan · γ;
Donde:
d, Diámetros de los pistones:
D –Diámetro de la circunferencia donde se ubican los ejes de los cilindros de los pistones;
Z – Cantidad de cilindros; z= 7 – 10;
γ – Ángulo de inclinación de la placa 5 con respecto al eje de simetría de la bomba.
Potencia = Par · Velocidad angular
Potencia = Gasto · Presión
Transmisiones hidrostáticas
(Caso 1)
Eje de salida: par y
potencia constante si
la velocidad en la
entrada es constante.
Si varia la velocidad a
la entrada, varía la
potencia y velocidad a
la salida, pero el par es
constante
Transmisiones hidrostáticas
(Caso 2)
La velocidad de salida
se puede variar
permaneciendo
constante el par motor
para una presión dada.
Se puede variar
velocidad manteniendo
constante el par motor.
Transmisiones hidrostáticas
(Caso 3)
Se puede variar la velocidad de salida variando la cilindrada del motor hidráulico.
Al reducir cilindrada se aumenta la velocidad pero se reduce el par motor.
Con esta combinación se puede mantener constante la potencia de salida a distintas velocidades.
fijo
Transmisiones hidrostáticas
(Caso 3)
Permite mantener
constante el par
motor y la potencia
de salida.
La potencia es la
multiplicación del par
por la velocidad
angularvariable
Transmisiones hidrostáticas
(volumétricas)
Simbología:
B – Bomba,
M – Motor,
1 – Bomba de alimentación,
2 – Filtro,
3- Válvula de derrame,
4 – Válvulas de regulación
Flechas: Circulación del aceite de trabajo.
3
4
Principio de funcionamiento:La bomba B recibe movimiento del motor de combustión interna o de otro
mecanismo. La bomba 1 mantiene el abastecimiento de aceite del sistema y con
ayuda de las válvulas 4 se mantienen las presiones de trabajo requeridas. La
válvula 3 deriva el exceso de aceite del sistema hacia el depósito, cuando existe
sobrepresión.
La bomba B envía aceite a presión al motor M, el cual gira y se encuentra unido a
las ruedas motrices o a otro mecanismo de transmisión.
La velocidad de rotación del motor M depende: a) del rendimiento de la bomba,
b) Del volumen de líquido que puede pasar por el motor (factor constante del motor)
Funcionamiento del sistema
1 – Marcha hacia delante. La placa se inclina
2. Punto muerto. Si la placa está en posición vertical, no hay carrera de trabajo de los pistones y no funciona la bomba.
3. Reversa. Se inclina la placa oscilatoria hacia el lado opuesto que en 1 y se invierte el sentido de circulación del aceite.
Funcionamiento del sistema más usado
como transmisión hidrostática
Bomba de caudal variable, de
Pistones axiales
Motor de caudal constante,
Cilindrada fija, de pistones axiales
Funcionamiento del sistema
(Punto muerto)
Funcionamiento del sistema
(Marcha hacia delante)
Funcionamiento del sistema
(Marcha atrás)
Funcionamiento del sistema
(Mando final hidrostático)
Funcionamiento del sistema
(Circulación del aceite en mando final hidrostático)
Animación
..\Animaciones\embrague_hidrostatico.ht
ml
TRANSMISIÓN HIDROMECÁNICA
La potencia del motor se bifurca en dos flujos:
Uno por el convertidor de par, que permite que salga por la turbina y llegue a la corona del SP.
Otro que llegue directamente al planeta del SP (diferencial).
Por el portasatélite sale un movimiento complejo, que es la salida.
La relación de transmisión en este caso se calcula como:
λ = Número característico de la serie planetaria
;
;1
1
1
3
..2
Z
Z
in
ni
hc
b
;
;1
1
1
3
..2
Z
Z
in
ni
hc
b
CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES
TURBOSHIFT
CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES
TURBOSHIFT
CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES
TURBOSHIFT
CAJA DE CAMBIO DE VELOCIDADES
TURBOSHIFT (FENDT FAVORIT)
TURBOEMBRAGUE VARIOFILL
(FENDT FAVORIT)
PowerShift de John Deere
Serie 8320
CARACTERÍSTICAS GENERALES:
Solenoides controlados electrónicamente para el cambio de alta tecnología modulan las conexiones del embrague asegurando un cambio uniforme y suave.
La productiva transmisión automática mide la carga del motor, posición del acelerador y la selección de engranajes 50 veces por segundo para situarlo en la velocidad correcta.
Con un sencillo botón, puede regular rápidamente la transmisión automática PowerShift cambiando automáticamente para adaptarse a las condiciones cambiantes.
Transmisión automática PowerShift de 18 velocidades. Traslade los 423 CV de potencia desde el motor a las transmisiones finales.
La pequeña palanca de cambio en la consola de control CommandARM le permite cambiar suavemente entre 18 marchas de avance con sólo la yema de sus dedos.
Los cambios están modulados electrónicamente. Puede iniciar la marcha en cualquiera de las velocidades de campo; una pantalla digital le indica su selección. Es muy fácil de utilizar.
Embragues húmedos Multidisco de control electrónico y modulados para asegurar acoplamientos suaves de los engranajes. El aceite sólo fluye cuando es necesario para reducir el tiro.
Cambios Powershift de CNH
Serie 70
Los tractores de la serie 70 poseen una transmisión con cambio Powershift
Una simple palanca le permite cambiar a cualquiera de las 16 marchas de avance y 9 de reversa, simplemente tiene que desplazar la palanca hacia delante y el tractor avanzara.
Empujándola suavemente hacia la derecha, se cambia a una marcha superior, y hacia la izquierda, a una marcha inferior.
Mantenga la palanca en la posición de la derecha y la transmisión continuará cambiando de velocidad hasta engranar la marcha mas elevada. Cambio de marcha adelante a marcha atrás. Todo esto sin preocuparse del embrague.
Con este sencillísimo sistema de transmisión obtendrá la velocidad correcta justo cuando la necesite.
PowerShift de Case serie MX MAGNUM
18F + 4R, controles Power Shuttle
Otras marcas que usan Power Shift:
MF
Landini
Caterpillar
JCB
Valtra
McCormik
Deutz
…
Transmisión AutoPowr
Reduce el régimen del motor a 1550 rpm para mejorar la economía de combustible.
Desarrollos finales ilimitados desde 0,05 a 42 km/h .
Cambios de marchas suaves y sin interrupción de fuerza.
Utiliza más eficazmente la potencia del motor.
Pedal de freno con función AutoClutch integrada que permite detener el tractor sin accionar el embrague
La función PowerZero permite mantener parado el tractor, incluso en pendientes y con carga.
Favorece el aumento de la productividad y mejora la economía de combustible.
Equipo de serie en el 8530 – opcional en los demás modelos de JD.
Inversor hidráulico con mando en lado derecho o izquierdo.
Selector de modo AutoPowr
Seleccione:
Posición 1 para aplicaciones con la TDF
Posición 2 para laboreo pesado
Posición 3 reduce el consumo de combustible en aplicaciones de laboreo ligero, transporte o siembra.
Transmisiones CVT con
ramificación mecánica –
hidrostática de la potencia
BOMBAS UTILIZADAS EN LOS CVT
Bent Axis Pump
(variable angle)
Bent Axis Pump
(variable angle) Vane Pump
(variable axis offset)
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
(Cuerpo conceptual para esta parte)
Nh – Potencia hidráulica
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
PARÁMETRO SÍMBOLO
Potencia de entrada a la unidad CVT Ne
Potencia a la salida de la unidad CVT No
Potencia en el eje 1 (conectado con la unidad 1) N1
Potencia en el eje 2 (conectado con la unidad 2) N2
Potencia en la rama hidráulica Nh
Potencia en la rama mecánica (entre el acoplamiento y el diferencial) Nm
Par motor (se aplica la misma simbología que para potencia, solo el par es M M(x)
Régimen de giro del eje de entrada mecánica al diferencial nem
Régimen de giro del eje de salida mecánica al diferencial nom
Régimen de giro del eje flotante del diferencial nf
Régimen de giro del eje 1 (accionamiento o salida de la unidad 1) n1
Régimen de giro del eje 2 (accionamiento o salida de la unidad 2) n2
Régimen de giro de un planeta del diferencial np
Régimen de giro de una corona del diferencial nc
Régimen de giro de un portasatélite del diferencial nps
Régimen de giro de la unidad bomba de la transmisión hidrostática nub
Relación de transmisión de la rama mecánica en el diferencial Rt = Rom / Rem Rt
Relación de transmisión de la rama mecánica en el punto de bloqueo (nf = 0) Rtb
Relación de transmisión en la unidad CVT (It = n0 / ne) It
Relación de transmisión entre acoplamiento – unidad 1 (depende SP) i1
Relación de transmisión entre eje flotante – unidad 2 ( i2 = n1 /n2) i2
Relación de transmisión entre acoplamiento – diferencial (depende SP) im
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
Azul – entrada
Rojo – salida
Verde – flotante (a la rama hidrostática
Transmisiones CVT con ramificación mecánica –
hidrostática de la potencia
Transmisiones CVT con ramificación mecánica –
hidrostática de la potencia
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
Transmisiones CVT con ramificación
mecánica – hidrostática de la potencia
Tech Star CVT de Challenger
Bibliografía consultada
Chudakov, D.A. 1977. Fundamentos de la teoría y el
cálculo de tractores y automóviles. Ed: MIR. Moscú.
1. Xaver Fendt GmbH & Co. 1995. D-87616
Marktoberdort.
2. Gurévich, A. M. y Sorokin, Tractores y automóviles
Tomo 2; Editorial MIR; 1978; Moscú.
3. P. Linares. 2003. Transmisiones CVT con
ramificación mecánica – hidrostática de la potencia.
Universidad Politécnica de Madrid. España.
4. 4. John Deere; Transmisiones de fuerza; 1980;
United States of America.
GRACIAS !!!