El Motor de combustión Interna

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Página de Presentación.

Resumen.

La función principal de la caja de cambios o caja de velocidades es llevar la potencia del motor mediante engranajes de diferentes dimensiones a las ruedas del vehículo para realizar la marcha, como existen distintas condiciones del camino pues se pueden lograr varias velocidades con la caja. Debido a esto es su gran aplicación en la industria, en la vida social, el transporte marítimo y terrestre.

El mecanismo de las cajas de velocidades está compuesto por ejes y engranajes que se encargan de reducir o aumentar de acuerdo a las condiciones del camino el giro de las ruedas del vehículo con relación a la potencia del motor.

Conocemos las cajas de transmisión manual y las automáticas, las primeras eligen las velocidades por mandos mecánicos y las segundas de manera autónoma, por un dispositivo electro hidráulico que determina los cambios de velocidad.

Los cambios automáticos se extendieron en los Estados Unidos a finales de la primera mitad del siglo XX buscando comodidad para el conductor y suavidad para trasmitir la fuerza a las ruedas.

Para la transmisión en un automóvil existe lo que se conoce como tren de fuerza compuesto por el motor, el embrague: encargado de conectar/desconectar el motor del resto del tren de fuerza, la caja de velocidades: indispensable para adaptar la "fuerza" del motor a las exigencias del camino, la barra de transmisión (que no está presente en todos los automóviles): que sirve para transmitir el movimiento procedente del motor al mecanismo que hace girar las ruedas, la caja de reenvío (que solo existe en los automóviles con tracción en más de un par de ruedas), el, o los puentes motrices.

Introducción.

El mecanismo que se ocupa de trasmitir potencia entre dos o más elementos en el interior de una maquina lo llamamos transmisión mecánica, las transmisiones se realizan mediante elementos rotantes que ocupan espacios menores en la transmisión de energía que los que se realizan por traslación, se utilizan las correas y los engranajes para la transmisión mecánica, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente.

Las transmisiones se utilizan en diversas aplicaciones, muchas estacionarias. Las transmisiones más primitivas se utilizan en reductores y engranajes en ángulo recto en máquinas de vapor, molinos de viento o agua.

Las transmisiones empleadas en los automóviles, camiones, furgonetas y ómnibus tienen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes.

En equipamiento naval, agrícola, industrial, de construcciones y de minería, se aplican en las transmisiones convencionales compuestas por engranajes, y emplean transmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable.

El precursor de las cajas de cambios de los automóviles actuales fue Leonardo da Vinci realizando diseños de estas, compuesto por dos piezas, una cónica y otra cilíndrica, que mediante un grupo de engranajes el mecanismo se transformaba en un cambio de velocidades.

En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (también llamada simplemente caja) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al avance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso. (1)

El motor de combustión interna alternativo, al revés de lo que ocurre con la máquina de vapor o el motor eléctrico, necesita un régimen de giro suficiente (entre un 30% y un 40% de las rpm máximas) para proporcionar la capacidad de iniciar el movimiento del vehículo y mantenerlo luego. Aun así, hay que reducir las revoluciones del motor en una medida suficiente para tener el par suficiente; es decir si el par requerido en las ruedas es 10 veces el que proporciona el motor, hay que reducir 10 veces el régimen. (1)

Esto se logra mediante las diferentes relaciones de transmisión obtenidas en el cambio, más la del grupo de salida en el diferencial. El sistema de transmisión proporciona las diferentes relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de tracción es la disminución de velocidad de giro con respecto al motor, y el aumento en la misma medida del par motor. Esto se entenderá mejor con la expresión de la potencia P en un eje motor: (1)

{P = M ω {\displaystyle P=M\, \omega \, \!} {\displaystyle P=M\, \omega \,\!}}}

Donde:

P {\displaystyle P\, \!} {\displaystyle P\, \!} Es la potencia (en W)

M {\displaystyle M\, \!} {\displaystyle M\, \!} Es el par motor (en N•m)

ω {\displaystyle \omega \,\!} \omega \, \! es la velocidad angular (en rad/s)

En función de esto, si la velocidad de giro (velocidad angular) transmitida a las ruedas es menor, el par motor aumenta, suponiendo que el motor entrega una potencia constante. (1)

La caja de cambios tiene pues la misión de reducir el número de revoluciones del motor, según el par necesario en cada instante. Además de invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión. (1)

Por las características constructivas del motor de combustión interna tenemos el esquema donde se muestran las curvas de par motor, potencia y rendimiento, donde apreciamos la razón existente entre la potencia lograda en la combustión y la útil que ocurre a la salida, y se expresa de esta manera:

Esquema de curva par-velocidad de un motor de combustión.

Obsérvese que hay una zona en la cual el motor está entregando una potencia elevada, con un alto par y un rendimiento también elevado. Es deseable que el motor siempre estuviera funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la velocidad del motor sobrepasa esta zona, se pierde par, además de que el rendimiento desciende rápidamente. Puede ser, que incluso si no se cambia de marcha, el motor no suministre suficiente par como para continuar acelerando el vehículo, además de todos los inconvenientes que supone tener elementos girando a velocidades tan altas como 7000-8000 rpm (para un motor corriente, esto supone alto desgaste, además de ruidos e incrementos demasiado elevados de temperatura, y a largo plazo puede originar el fallo de alguna pieza). (1)

Debido a esto, es necesario reducir la velocidad del motor al sobrepasar esta zona (o bien aumentarla si lo que se hace es frenar el vehículo). Como no interesa alterar la velocidad del vehículo según las necesidades del motor, sino al contrario, se instala una caja de cambios que permite modificar la relación existente entre la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo y el giro del cigüeñal (rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las relaciones cinemáticas de engranajes, se demuestra que esta relación es de tipo lineal. (1)

Desarrollo.

Supongamos que se tiene una caja de cambios de 4 velocidades que presenta una relación entre velocidad del vehículo y en el motor que obedece a la gráfica inferior. Obsérvese la zona de máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega a 20 km/h empieza el motor a funcionar fuera de dicha zona, lo que implica pasar a la 2ª velocidad. Al cambiar a dicha marcha, el motor ya funciona en un régimen inferior a dicha zona, pero al acelerar se alcanzará. Al llegar a 50 km/h se repetiría la acción con la 3ª marcha, etc. (1)

Constitución de la caja de cambios

Eje intermediario de una caja de cambios manual. De izquierda a derecha consta de las siguientes partes: nervado para la corona de engrane con el primario, apoyo de rodamiento, piñones de engrane, apoyo de rodamiento. El dentado recto corresponde a la marcha atrás. (1)

La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles. (1)

Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente lleva un único piñón conductor en las cajas longitudinales para tracción trasera o delantera. En las transversales lleva varios piñones conductores. Gira en el mismo sentido que el motor. (1)

Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contra eje. Consta de un piñón corona conducida que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) y que son solidarios al eje que pueden engranar con el árbol secundario en función de la

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