Guía de Nº 4 Mecánica Automotriz.

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1 Fundación Universidad de Atacama Escuela Técnico Profesional Unidad Técnico Pedagógica Profesor: Sr. Jorge Hernández Valencia Módulo: Mantenimiento de los sistemas de transmisión y frenado. Guía de Nº 4 Mecánica Automotriz. Concepto de Transmisión. Se le llama transmisión al conjunto de bandas cadenas o engranes que sirven para comunicar fuerza y movimiento desde un motor hasta su punto de aplicación. Recibe el nombre de tren de engranes el conjunto de éstos que se encuentran endentados entre sí, ya sea directamente o por medio de cadenas. La figura Nº 1 nos muestra un ejemplo y como podemos observar, el engrane "M" (motor) hace girar a los engranes "m" (movidos) notándose que en cada paso se invierte el sentido de giro. Figura Nº 1 Figura Nº 2. Transmisión por cadena. Tren de Engranes. Transmisión por cadena. En el caso de la transmisión por cadena, el movimiento y la fuerza se transmiten a cierta distancia de los engranes y se conserva el sentido de giro (figura Nº 2). Además del cambio del sentido de giro existen otros conceptos que es necesario conocer para la comprensión total del trabajo de una transmisión. Uno de ellos es la relación de transmisión. La relación de transmisión es la proporción entre el número de dientes de un engrane en comparación con su pareja de trabajo. En la figura Nº 3 tenemos una relación de 2:1 en donde el engranaje motor dará dos vueltas para que el engranaje conducido gire sólo una. Figura Nº 3. Una relación de transmisión adecuada para el trabajo que se debe realizar es un factor determinante pues en función de ella se pueden modificar otros factores. Veamos la figura Nº 4 donde se puede ver el manejo de las revoluciones por minuto. El número de R.P.M. establece la cantidad de vueltas que un engrane da durante un minuto. Figura Nº 4. Según el ejemplo anterior, el engranaje motor gira a 100 R.P.M. y, debido a su relación, el engranaje conducido gira a sólo 50 R.P.M. o sea a la mitad de las R.P.M. del primero. Ha perdido velocidad.

2 Sin embargo, en estos asuntos de la tecnología, cuando pierdes algo ganas otra, que en este caso es torque. Como ya sabemos, el torque, par motor o torsión, es la capacidad para realizar un trabajo independientemente del tiempo que se tarde en hacerlo. Veamos el siguiente ejemplo en la figura Nº 5: 1 Kg/m = 10 Nm Un kilogramo/metro es igual a 10 Newtons/metro Figura Nº 5. Según se ve arriba en la relación de transmisión, cuando el engranaje conducido da la mitad de la velocidad, entrega el doble de torque. Esta relación inversamente proporcional entre las rpm y la torsión es una constante en todo tipo de transmisiones. Con estos antecedentes podemos definir una transmisión a base de engranes como un convertidor mecánico de torque. Con este concepto en mente pasemos a ver cómo es que se aplica en un automóvil. Primeramente debemos saber que existe algo llamado inercia y que se puede manifestar de dos maneras distintas: la inercia estática y la inercia dinámica. En la figura Nº 6 y 7 se aclara esta noción donde la masa del auto está inmóvil y donde se encuentra en movimiento. Figura Nº 6. Inercia estática Figura Nº 7. Inercia dinámica Cuando un objeto se encuentra estacionario se requiere de la aplicación de una fuerza para ponerlo en movimiento. Dicha fuerza deberá ser superior al peso del objeto pues de otra manera no podrá moverlo, es decir, no podrá sacarlo de su inercia estática. A un automóvil parado deberemos aplicarle entonces una fuerza superior a su peso a fin de hacerlo rodar, pero una vez iniciado el movimiento y en la medida que se incremente la velocidad de rodaje, se requerirá cada vez menos fuerza para seguirlo acelerando. Esto significa que una masa acelerada puede mantenerse así con poco consumo de fuerza y requerirá también de muy poca para acelerarla más. Un automóvil está dotado con una transmisión diseñada según las características del vehículo y el servicio que se espera de él. Así podemos encontrar transmisiones de 3, 4, 5 o más "velocidades", lo que significa que tendrá disponibles 3, 4, 5 o más relaciones de transmisión, y que por cada relación o "cambio" estará trabajando una pareja de engranes. Veamos la figura Nº 8 de la izquierda. Figura Nº 8.Relaciones de transmisión. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

3 Como en la figura anterior (figura Nº 8) lo indica, la 1ª velocidad está formada por una pareja de engranes que proporciona un elevado torque, necesario para sacar al vehículo de la inercia estática. Una vez avanzando el vehículo, las relaciones seleccionadas en los cambios subsecuentes hasta la 5ª velocidad van disminuyendo el torque obtenido e incrementando las R.P.M. de salida. Asimismo, se puede apreciar que en la 5ª relación existe una multiplicación de las R.P.M. debido a que el engranaje motor es algo mayor que el movido; de este modo el vehículo avanzará a gran velocidad y el motor marchará a un régimen de R.P.M. más bajo que en 4ª con la consiguiente economía de combustible. Sólo falta decir que la 5ª relación carece de torque por lo que no es adecuada para subir cuestas empinadas. En una transmisión manual, la selección de la relación de engranes se efectúa por medio de una palanca (figura Nº 9) que desplaza un mecanismo deslizable llamado sincronizador (figura Nº 10) para comunicar el movimiento y la fuerza a la flecha de salida. Figura Nº 9 Figura Nº 10. Figura Nº 11. Patrón de cambios. En la figura Nº 11 de la izquierda se observa el patrón de movimientos para conectar cada uno de los cambios disponibles, incluyendo la reversa. Para terminar esta parte diremos que la transmisión proporciona también una posición neutral en donde no se encuentra seleccionada ninguna pareja de engranes, lo que permite que el motor esté funcionando con el vehículo parado y sin pisar el pedal del embrague o clutch; esta posición es conocida como "neutro". Embrague o Clutch. Para poder efectuar los cambios de velocidad, el vehículo dispone de un mecanismo que desacopla el movimiento giratorio del motor hacia la transmisión o "caja" de velocidades; esto es conveniente para hacer los cambios con suavidad. Opera el desacoplamiento al oprimir el pedal y acopla nuevamente al liberarlo. Su accionamiento también permite tener conectada una relación sin que el vehículo se mueva. En la figura 12 se encuentra un esquema simplificado que ilustra la operación del embrague. Figura Nº 12. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

4 Conducción Final o Diferencial. Conducción final. Sea cual sea la relación de transmisión seleccionada con la palanca, la fuerza deberá pasar necesariamente por una última relación, altamente multiplicadora (elevador de torque), formada por un piñón y una corona; es de esta corona de donde se toma la fuerza para las ruedas de tracción. Esta pareja de engranes recibe el nombre de conducción final o diferencial (figura Nº 13). Figura Nº 13. Figura Nº 14. Flujo de fuerza. El Diferencial. Cuando un vehículo marcha en línea recta todas las ruedas giran a la misma velocidad y dan el mismo número de vueltas, pero al voltear una esquina o al recorrer cualquier curva, las ruedas exteriores se desplazan una distancia mayor que las ruedas interiores (figura Nº 15). Para recorrer una mayor distancia en el mismo tiempo, las ruedas exteriores deberán girar más rápido que las interiores. Esta diferencia de giros no tiene importancia en los ejes traseros con ruedas locas pero en las ruedas de tracción, que se encuentran engranadas en la conducción final, resulta indispensable el compensar la diferencia en el número de vueltas, que conlleva también el reparto proporcional del torque. Hacer este trabajo es la función del engranaje diferencial (figura Nº 16). El Figura Nº 15. Figura Nº 16 ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

5 El conjunto del diferencial consta de dos engranes llamados planetarios o planetas que le entregan movimiento a los semiejes, mediante unas estrías interiores. Estos planetarios están engranados con otros piñones cónicos llamados satélites que van instalados dentro de la caja de la corona (figura 17 y 18), los que permiten, por ejemplo, hacer girar una rueda más que la otra (izquierda o derecha) en una curva. Figura Nº 17. Figura Nº 18. El Diferencial. El diferencial puede describirse como un conjunto de engranajes donde los satélites funcionan como simples transmisores del movimiento cuando el vehículo avanza en recta (figura Nº 19), trasladándose entre los planetarios sin girar sobre sí mismos; sin embargo cuando el vehículo da vuelta, los satélites giran sobre sí mismos (rotan) permitiendo que un planetario gire más rápidamente que el otro (figura Nº 20). Figura Nº 19. Diferencial en marcha recta. Figura Nº 20. Diferencial en marcha curva. Las ruedas de tracción se reparten el movimiento y el torque al 50% cada una. Cuando una rueda de tracción patina en lodo y la otra, aunque esté en tierra firme, no se mueve, la que patina estará girando al 100%, es decir, que estará dando su mitad más la mitad de la que no se mueve. Resultado: vehículo atascado o enterrado. Para evitar esto se han desarrollado diversos dispositivos que controlan o bloquean el diferencial en situaciones en las que su funcionamiento no resulta conveniente; uno de ellos es: El Sistema EDS (Bloqueo electrónico del diferencial). El ejemplo del vehículo atascado o enterrado es un caso extremo. Sin embargo, los problemas de falta de tracción efectiva no se reducen a malos caminos y lodazales (barriales), donde los vehículos todo terreno se encuentran en su elemento, sino que pueden presentarse en el mejor de los pavimentos. El piso mojado, el hielo y la nieve son terreno propicio para la pérdida de tracción. En general, el sistema resulta muy eficaz en pavimentos irregulares. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

6 El EDS toma prestada una parte del sistema ABS (antibloqueo) para "leer" el giro de las ruedas y realizar otras funciones. Cuando se detecta que una rueda de tracción empieza a girar más rápido (una diferencia de 110 R.P.M. entre ambas), es frenada de manera que el torque se aplique en aquélla que tenga mejor adherencia al pavimento. Su accionamiento es imperceptible para el conductor quien sólo aprecia las cualidades de una tracción más efectiva. El sistema opera normalmente desde el arranque hasta una velocidad aproximada de 40 Km/h que es la gama dentro de la que se presentan con más frecuencia los problemas de tracción. Transmisión Automática. La búsqueda de la comodidad en el manejo llevó al desarrollo de la transmisión automática, donde los cambios de marchas se suceden con base en la posición del pedal del acelerador, las R.P.M. del motor y la magnitud de la carga. Esto significa que al oprimir el acelerador hasta una posición cualquiera, la transmisión efectuará los cambios sucesivos sin intervención del conductor; si el vehículo se va desplazando a una velocidad determinada y empieza una cuesta arriba (carga), la transmisión efectuará el o los cambios necesarios para vencer la pendiente también sin la intervención del conductor. Además, se tiene la opción del "kick-down" (pisar a fondo) con lo que se efectúa el cambio a la relación inmediata de más torque, siempre que se encuentre en el rango de revoluciones programadas. El convertidor de torque o turbina. Una de las primeras diferencias que encontramos entre un vehículo con transmisión manual y otro con transmisión automática es que este último no tiene embrague (clutch); en su lugar se encuentra un aparato llamado convertidor de torque. Éste es un dispositivo que aprovecha las cualidades de un líquido (ATF - Automatic Transmission Fluid) para transmitir el movimiento y la fuerza del motor hasta la transmisión, con una considerable ganancia de torque. Veremos ahora, de manera muy simplificada, su principio de funcionamiento (figura Nº 21). Figura Nº 21. El ventilador apagado girará al impulso del viento que incide sobre sus aspas pero debido a las pérdidas, su velocidad nunca podrá ser igual a la del ventilador encendido. En el convertidor de torque, el viento es reemplazado por el ATF que llena completamente una caja cerrada que contiene dos ruedas de álabes; una es movida por el motor y la otra por el ATF. Esta última transmitirá la fuerza con una ganancia de torque hasta la transmisión automática. Su accionamiento es imperceptible para el conductor quien sólo aprecia las cualidades de una tracción más efectiva. El sistema opera normalmente desde el arranque hasta una velocidad aproximada de 40 Km/h que es la gama dentro de la que se presentan con más frecuencia los problemas de tracción. El ATF que llena la caja del convertidor es impulsado por la rueda de bomba contra los álabes de la turbina haciéndola girar en el mismo sentido del motor (figura Nº 22). De ahí pasa a través de la rueda directriz donde es forzado a un ángulo de ataque mayor contra los álabes de la rueda de bomba apoyando su operación. Además, la reacción causada por el cambio de trayectoria del ATF incide sobre la rueda de turbina creando un efecto positivo de torque que puede llegar hasta 2.5 veces el producido por el motor durante el arranque y la aceleración (figura Nº 23). ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

7 Figura Nº 22. Figura Nº 23. El efecto convertidor de torque funciona para toda la gama de cambios de la transmisión automática y esa es la razón por la que en vehículos iguales se puede tener una transmisión manual de cinco cambios o una automática de sólo cuatro. Un tren de engranes de transmisión automática difiere mucho de un tren de engranes de transmisión manual. Su disposición especial es de tipo planetario y su funcionamiento y relaciones dependen del elemento que se frene o se libere por medio de dispositivos hidráulicos, eléctricos y mecánicos. En la siguiente ilustración (figura Nº 24) se puede ver un conjunto básico de engranajes planetarios. En el ejemplo de la izquierda, la corona de dientes interiores está fija y sirve como punto de apoyo para el movimiento de los demás engranes. El engrane solar (motor) gira a derechas haciendo que los 3 planetarios giren sobre sí mismos a la izquierda pero se trasladen a la derecha. Como están integrados en una pieza triangular, es del centro de ésta de donde se toma la fuerza. Si se frenara la pieza triangular y se liberara la corona, al girar el solar (motor) haría girar a los planetarios que en este caso harían girar a la corona. Figura Nº 24. Palanca selectora para transmisión automática. Las posiciones P, R y N de la palanca selectora se explican por sí mismas; sin embargo veamos lo que pasa de DRIVE para abajo (figura Nº 25). Figura Nº 25. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

8 En la gama de cambios desde 1 a. hasta D, cada una de las relaciones trabaja dentro de un rango de R.P.M. del motor. Ejemplo: si viajando a 140 Km/h (4000 R.P.M. del motor aprox.) en la posición de DRIVE, oprimimos a fondo el pedal del acelerador (kick-down), la transmisión no efectuará el cambio a la 3ª relación debido a que el punto máximo del rango de ésta es más bajo que las 4000 R.P.M. Si se quisiera frenar con motor y a ese régimen entrara el cambio a 3ª, el motor y la transmisión sufrirían una violenta sobre revolución (más de 6000 R.P.M.) que podría dañarlos seriamente. Entonces, para lograr un efecto de freno de motor en pendientes descendentes, se puede conectar el selector en una relación abajo de DRIVE en la inteligencia de que el cambio no se efectuará sino hasta que las R.P.M. del motor desciendan al rango de R.P.M. correspondiente a la relación seleccionada. Mando Tiptronic. Uno de los avances más recientes en el control de los cambios de marcha en transmisiones automáticas es aquel que permite, con un suave empuje de los dedos, el cambio de una relación hacia su inmediata superior o inferior, es decir, si el vehículo marcha en 3ª, con un toque hacia abajo cambiará a 2ª. Si marcha en 2ª con un toque hacia arriba cambiará hacia 3ª y con uno más cambiar a 4ª. Esto proporciona desde luego un manejo ágil y deportivo en carretera; cambios rápidos a voluntad y respuesta inmediata a la aceleración sin tener que pisar un embrague y desplazar de posición una palanca (figura Nº 26). Figura Nº 26. En el sistema TIPTRONIC se dispone de cuatro cambios más la posición de DRIVE, que es una sobremarcha para economía en altas velocidades (figura Nº 26). Mando Tiptronic. Los avances en la electrónica también se han hecho notar en los sistemas de control de las transmisiones automáticas y el último de ellos se refiere a la capacidad de "aprendizaje" que tienen ahora las Unidades de Control. DSP El proceso de aprendizaje de la Unidad de Control de la transmisión es bastante rápido y se da en forma automática; cuando una persona con un estilo de manejo tranquilo acelera con suavidad; utiliza el automóvil, la Unidad de Control "aprende" su estilo y lo memoriza en sus principales parámetros de modo que el vehículo se comportará también tranquilo y acelerará con suavidad. Si después lo conduce una persona a la que le gusta la respuesta rápida a la aceleración y un manejo deportivo, aprenderá rápidamente ese nuevo estilo y se comportará como al nuevo conductor le satisface. ESCUELA TÉCNICO PROFESIONAL - MECÁNICA AUTOMOTRIZ

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