Transmisión del movimiento

Se denomina  a un mecanismo encargado de transmitir potencia entre dos o más elementos dentro de unamáquina. Son parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de estos elementos de transmisión y elementos de sujeción.

En la gran mayoría de los casos, estas transmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisió

n de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella por traslación.

Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión.

Típicamente, la transmisión cambia la velocidad de rotación de un eje de entrada, lo que resulta en una velocidad de salida diferente. En la vida diaria se asocian habitualmente las transmisiones con los automóviles. Sin embargo, las transmisiones se emplean en una gran variedad de aplicaciones, algunas de ellas estacionarias. Las transmisiones primitivas comprenden, por ejemplo, reductores y engranajes en ángulo recto en molinos de viento o agua y máquinas de vapor, especialmente para tareas de bombeo, molienda o elevación (norias).

En general, las transmisiones reducen una rotación inadecuada, de alta velocidad y bajo par motor, del eje de salida del impulsor primario a una velocidad más baja con par de giro más alto, o a la inversa. Muchos sistemas, como las transmisiones empleadas en los automóviles, incluyen la capacidad de seleccionar alguna de varias relaciones diferentes. En estos casos, la mayoría de las relaciones (llamadas usualmente «marchas» o «cambios») se emplean para reducir la velocidad de salida del motor e incrementar el par de giro; sin embargo, las relaciones más altas pueden ser sobremarchas que aumentan la velocidad de salida.

También se emplean transmisiones en equipamiento naval, agrícola, industrial, de construcciones y de minería. Adicionalmente a las transmisiones convencionales basadas en engranajes, estos dispositivos suelen emplear transmisiones hidrostáticas y accionadores eléctricos de velocidad ajustable

Embrague

El embrague es un sistema que permite tanto transmitir como interrumpir la transmisión de una energía mecánica a su acción final de manera voluntaria. En un automóvil, por ejemplo, permite al conductor controlar la transmisión del par motor desde el motor hacia las ruedas.

Funcionamiento

Está constituido por un conjunto de piezas situadas entre el motor y los dispositivos de transmisión, y asegura un número de funciones:

• En posición acoplado (o "embragado") transmite el par motor suministrado por el motor . En un automóvil, cuando el embrague gira, el motor está vinculado a la transmisión.
• En posición desacoplado (o "desembragado") se interrumpe la transmisión. En un automóvil, las ruedas giran libres o están detenidas, y el motor puede continuar girando sin transmitir este par de giro a las ruedas.
• En las posiciones intermedias restablece progresivamente la transmisión de par, mediante rozamiento o fricción.

Si consideramos la ecuación que define la potencia de un motor:

• Potencia = Par x ω = 2 · π · F · r · n · 60^-1, en la que
  • r = radio de la muñequilla del cigüeñal
  • F = fuerza media de la biela sobre la muñequilla
  • n = revoluciones por minuto del motor (rpm)
  • ω = velocidad angular = n · 2 · π · 60^-1

Según la cual, en la transmisión de fuerza mediante giro (la definición misma de momento de fuerza o par) toda disminución de la velocidad de giro (RPM) implica un aumento de par en la misma proporción. Esta es la razón de ser de las desmultiplicaciones de la caja de cambio y del grupo, reducir la velocidad de giro para ganar par.

Por tanto una disminución a la mitad del régimen del primario con respecto al del motor, implica un aumento al doble del par transmitido al primario, conservándose el producto, o sea la potencia, sin tener cuenta las pérdidas por calor debidas al rozamiento.

Esto se entiende fácilmente si se imagina intentando subir una cuesta muy pronunciada, hasta el punto de hacer "patinar" el embrague durante un período prolongado: de esta manera se obtiene el par que el motor no puede dar, mediante reducción de su régimen al entrar la fuerza al cambio.

Asimismo, permite moderar los choques mecánicos evitando, por ejemplo, que el motor se detenga o que los componentes de los sistemas se rompan por la brusquedad que se produce entre la inercia de un componente que se encuentra en reposo y la potencia instantánea transmitida por el otro.

Elementos constitutivos y de funcionamiento

El mecanismo del embrague está formado por los componentes siguientes:

• El volante motor 2, atornillado al cigüeñal 1.
• El disco de fricción 3 que gira solidario con el eje de entrada al cambio o "primario" 6 gracias a unestriado.
• El plato de presión 4, que presiona al disco asegurando su adherencia al volante motor 2 cuando el mecanismo está en posición de reposo (embragado).
• Los muelles del mecanismo (en este caso de diafragma), 5 apoyan en el cojinete o "collarín" 7.

Cuando el mando hidráulico (o por cable) del conductor es activado por el conductor, la palanca desplaza al cojinete, el cual empuja al diafragma, que articula sobre los apoyos 9 que a su vez están fijos a la cubierta o tapa 8 , dejando entonces de hacer fuerza con lo que el disco de fricción ya no apoya sobre el volante. El primario 6 queda libre, no recibe par del motor, podemos cambiar de marcha con suavidad. Del mismo modo, si salimos desde parado, acoplaremos el disco de fricción con el pedal tanto más progresivamente cuanto más incremento de par necesitemos en el primario . Por ejemplo en una cuesta muy pronunciada, haremos lo que se llama "  hacer patinar el embrague ».

• 1. Cigüeñal (u otro eje conductor);
• 2. Volante;
• 3. Disco de fricción;
• 4. Plato de presión;
• 5. Muelle o resorte de diafragma;
• 6. Eje primario o conducido;
• 7. cojinete de empuje;
• 8. cubierta o tapa ;
• 9. Anillos de apoyo;
• 10. Tornillos de fijación;
• 11. Anillos.

Caja de cambios

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.

Fundamento

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. Esto se logra mediante las diferentes relaciones de desmultiplicación 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:

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donde:

•  es la potencia (en W)
•  es el par motor (en N·m)
•  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 potenciaconstante.

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.

Existe además otra razón para su uso. Debido a las características de construcción del motor de combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entre potencia obtenida en la combustión y potencia útil entregada a la salida), tienen esta forma:

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).

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 cigueñal(rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las relaciones cinemáticas de engranajes, se demuestra que esta relación es de tipo lineal.

Constitución de la caja de cambios

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

• 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.
• Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contraeje. Consta de un piñón corona conducido 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 marcha seleccionada.Gira en el sentido opuesto al motor.

En las cajas transversales este eje no existe.

• Árbol secundario. Consta de varios engranajes conducidos que están montados sueltos en el árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de desplazables. Gira en el mismo sentido que el motor(cambios longitudinales), y en sentido inverso en las cajas transversales. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje.

La posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas desde la palanca de cambios y determina qué pareja de piñones engranan entre el secundario y el intermediario. , o entre primario y secundario según sea cambio longitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial. Esto es lo que ocurre en las cajas manuales actuales. Las ruedas dentadas están fijas en el eje y montadas sobre un cojinete, de manera que pueden moverse a distinta velocidad que él. Estas ruedas están engranadas permanentemente con las del eje intermedio, y cuando se cambia de marcha uno de los desplazables hace solidario el movimiento de la rueda con el del eje, produciéndose lo que se denomina sincronización. Por esta razón, el eje secundario lleva un estriado entre cada pareja de ruedas.

En las cajas transversales, la reducción o desmultiplicación final eje secundario/corona del diferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentidoque el motor.

• Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se interpone entre los árboles intermediario y secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal) para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. En el engranaje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo, cuando el piñón se interpone, cierra dos contactos eléctricos de un conmutador que permite lucir la luz o luces de marcha atrás, y al soltarlo, vuelve a abrir dichos contactos.

Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axiales, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris,(ya en desuso) aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.

En varios vehículos como algunos camiones, vehículos agrícolas o automóviles todoterreno, se dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación.

La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas:

• Por barboteo.
• Mixto.
• A presión.
• A presión total.
• Por cárter seco.

Eje de transmisión

En ingeniería mecánica se conoce como eje de transmisión a todo objeto axisimétrico especialmente diseñado para transmitir potencia. Estos elementos de máquinas constituyen una parte fundamental de las transmisiones mecánicas y son ampliamente utilizados en una gran diversidad de máquinas debido a su relativa simplicidad.

Un árbol de transmisión es un eje que transmite un esfuerzo motor y está sometido a solicitaciones de torsión debido a la transmisión de un par de fuerzas y puede estar sometido a otros tipos de solicitaciones mecánicas al mismo tiempo.

Generalidades sobre el diseño

En general, existen tres parámetros fundamentales para el diseño de los árboles de transmisión: su resistencia, su rigidez y su inercia de rotación.

Resistencia

• Esfuerzos y resistencia: Son funciones de la geometría local, como los concentradores de esfuerzos y de la distribución de las fuerzas, además de las fallas por fatiga.

Debe ser suficientemente resistente como para soportar las tensiones mecánicas.

Rigidez

• Deflexiones y rigidez: Son funciones de la geometría del árbol y de las deformaciones sufridas debido al estado de esfuerzos .

Inercia

En el diseño de un árbol de transmisión se ha de tener en cuenta que este no tenga demasiada inercia, pues, de manera similar a la masa en un movimiento rectilíneo, la inercia supone una oposición a las variaciones de su velocidad angular, acumulando energía cinética y variando su momento angular.

donde T_e es el par de entrada que se comunica al árbol, T_s es el par de salida que el árbol comunica al mecanismo conducido por él, I es la inercia y α es el la aceleración angular.

Métodos de diseño

Así el diseñador puede seguir dos rutas fundamentales para la proyectación de un árbol:

• Diseñar para la resistencia y luego verificar las deformaciones.
• Diseñar para las deformaciones y luego verificar las resistencias.

Ejes  de transmisión en automoción

Ejes de transmisión en vehículos

En la actualidad, la mayoría de los automóviles usan ejes de transmisión rígidos para transmitir la fuerza del tubo de transmisión a las ruedas. Normalmente se usan dos palieres o semiárboles de transmisión para transferir la fuerza desde un diferencial central, un tubo de transmisión o un transeje a las ruedas.

En los vehículos con motor delantero y propulsión trasera, hace falta un eje de transmisión más largo para trasladar la fuerza a lo largo del vehículo. Hay dos sistemas principales: El tubo de empuje, con una junta universal, y el accionamiento Hotchkiss, con dos o más juntas. Este sistema fue conocido como el sistema Panhard después de que la compañía de automóviles, Panhard et Levassor lo patentara.

Ejes de transmisión en motocicletas

Los ejes de transmisión han sido usados en las motocicletas, prácticamente desde que éstas han existido. Los árboles de transmisión se presentan, frente a las transmisiones de cadena o de correa, como una alternativa relativamente libre de mantenimiento y de mayor duración de vida. Una de las desventajas del eje de transmisión en una motocicleta es que hace falta un sistema de engranajes para girar 90º la potencia desde el árbol a la rueda trasera, perdiéndose algo de potencia en el proceso. Por otro lado, es más fácil proteger las uniones del árbol y los cambios de la arena, el polvo y el barro

El fabricante de motocicletas con árbol de transmisión más conocido es BMW, desde 1923. Entre los fabricantes actuales, Moto Guzzi es también muy conocido por sus motocicletas con árboles de transmisión. También han producido motocicletas con árboles de transmisión la compañía inglesa Triumph Rocket III y las japonesas Honda, Suzuki, Kawasaki y Yamaha.

El primer uso de un árbol de transmisión en una motocicleta todoterreno fue en las series Tote Gote. Usaba un eje recto que accionaba un tornillo sin fin, que hacía girar un engranaje. La cubierta exterior era de aluminio, sujetada por dos casquillos de caucho. El motor mira hacia delante en el bastidor.

Los motores dispuestos longitudinalmente y paralelos al bastidor, como el Flat-twin, se usan a menudo para motocicletas con árbol de transmisión. Esto requiere sólo un giro de 90º y no dos, para transmitir la potencia. Moto Guzzi, BMW, Triumph, y Honda usan esta configuración de motor.

Estas motocicletas están sujetas al efecto de eje, que hace que el chasis se levante cuando se aplica la fuerza. Esto está contrarrestado en sistemas como el Paralever de BMW, el CARC de Moto Guzzi y el Tetralever de Kawasaki.

Ejes de transmisión en el mundo naval

En un barco a motor, el eje de transmisión generalmente conecta la transmisión dentro del navío directamente a la hélice, pasando a través del prensaestopas del eje u otro sello hasta el punto en el que sale del casco (embarcación).

El eje de transmisión de un barco también está sujeto a fenómenos físicos de compresión cuando la hélice hace avanzar la nave y tensión cuando retrocede.

En la industria naval también se usan juntas Cardan entre la transmisión y la caja de cambios de la hélice o las máquinas de chorro de agua.

Ejes de transmisión en bicicletas

El árbol de transmisión ha sido siempre una alternativa a la transmisión de cadena durante el pasado siglo, aunque nunca ha llegado a ser muy popular. Las bicicletas con eje de transmisión se conocen como "sin cadena". Un eje de transmisión posee varias ventajas y desventajas cuando se aplica a una bicicleta.

Ventajas

• Menos probabilidad de romperse o atascarse, un problema común con las bicicletas con transmisión de cadena.
• El uso de un sistema de engranajes ofrece un movimiento de pedalada más constante y suave.
• El conductor no se ensucia con la grasa de la cadena o se lesiona porque se engancha la cadena, lo que ocurre cuando la ropa o incluso una parte del cuerpo es atrapada entre la cadena y el plato o los piñones.
• Menor mantenimiento que un sistema de cadena cuando el árbol de transmisión está encerrado en un tubo, lo más común.
• Un rendimiento más constante. La compañía Dynamic Bicycles proclama que una bicicleta con árbol de transmisión proporciona un 94% de eficiencia donde una bicicleta con transmisión por cadena ofrece entre un 75% y un 97% dependiendo de su estado.
• Mayor visión: sin un desviador u otros mecanismos colgantes, la bicicleta ofrece el doble de visión del suelo.
• Para las compañías de alquiler de bicicletas, estás bicicletas son menos proclives a ser robadas ya que la transmisión no es estándar y no pasan desapercibidas. Este tipo de bicicleta se usa en la mayoría de las grandes ciudades de Europa donde ha habido grandes proyectos municipales de alquiler de bicis, financiados con dinero público.

Desventajas

• Un eje de transmisión pesa más que un sistema de cadena, normalmente entre medio y un kilogramo más.
• Con un mantenimiento óptimo, la cadena ofrece una eficiencia mayor.
• Muchas de las ventajas propuestas por los defensores del árbol de transmisión se pueden conseguir en las bicicletas de transmisión con una cubierta de plástico o metal sobre la cadena y las marchas.
• El uso de un desviador ligero y con un gran número de marchas es imposible, aunque se puede usar un sistema de cubos.
• Quitar la rueda es muy complicado en algunos diseños (como lo es en las bicicletas de cadena con sistema de cubos)

Mecanismo diferencial

Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las ruedas derecha e izquierda de un vehículo giren a velocidades diferentes, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.¹

Cuando un vehículo toma una curva, por ejemplo hacia la derecha, la rueda derecha recorre un camino más corto que la rueda izquierda, ya que esta última se encuentra en la parte exterior de la curva.

Antiguamente, las ruedas de los vehículos estaban montadas de forma fija sobre el eje. Este hecho significaba que una de las dos ruedas no giraba bien, desestabilizando el vehículo. Mediante el diferencial se consigue que cada rueda pueda girar correctamente en una curva, sin perder por ello la fijación de ambas sobre el eje, de manera que la tracción del motor actúa con la misma fuerza sobre cada una de las dos ruedas.

Funcionamiento

El diferencial consta de engranajes dispuestos en forma de "U" en el eje. Cuando ambas ruedas recorren el mismo camino, por ir el vehículo en línea recta, el engranaje se mantiene en situación neutra. Sin embargo, en una curva los engranajes se desplazan ligeramente, compensando con ello las diferentes velocidades de giro de las ruedas.

La diferencia de giro también se produce entre los dos ejes. Las ruedas directrices describen una circunferencia de radio mayor que las no directrices, por ello se utiliza el diferencial.

Un vehículo con tracción en las cuatro ruedas puede tener hasta tres diferenciales: uno en el eje frontal, uno en el eje trasero y un diferencial central.

En el hipotético caso de que ambos ejes sean directrices, el que tenga mayor ángulo de giro describirá un radio mayor.

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Dado que un diferencial ordinario reparte la fuerza por igual entre ambas ruedas (reparto 50%-50%), la capacidad de tracción máxima es siempre el doble de la de la rueda con menor tracción. En caso de que esta sea cero en una de las ruedas, la capacidad de tracción total es lógicamente cero. Para solucionar este problema se emplean diferenciales autoblocantes o bloqueables. Estos últimos pueden enviar hasta el 100% del par a una sola rueda.

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