Ensayo de caja de cambio en banco experimental

50 Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de T ecnologías Industriales Dpto. Ingeniería de los Materiales y el Transporte Escuela Técnica Superior de Ingeniería Ensayo de caja de cambio en banco experimental Sevilla, 2022 Autor: Abián Aguilar Rodríguez Tutor: Francisco José Morales Sanchez ii iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Ensayo de caja de cambio en banco experimental Autor: Abián Aguilar Rodríguez Tutor: Francisco José Morales Sanchez Francisco García Benítez Dpto. de Ingeniería y Ciencia de los Materiales y del Transporte Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 iv v Proyecto Fin de Carrera: Ensayo de caja de cambio en banco experimental Autor: Abián Aguilar Rodríguez Tutor: Francisco José Morales Sánchez Francisco García Benítez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 vi El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos A mi familia, que con su apoyo incondicional me ha permitido estudiar lo que he deseado. A mi novia, que me ha animado a continuar pese a los obstáculos en el camino. A mis amigos y compañeros, con los que he compartido las alegrías y dificultades de la carrera. Abián Aguilar Rodríguez Sevilla, 2022 viii ix Resumen El objetivo del presente Trabajo de Fin de Grado es caracterizar, estudiar y ensayar una caja de cambios manual en un banco de ensayos. Se dispone de un protocolo para el ensayo de ésta, debiendose testear al realizar físicamente los ensayos basándose en él y proponiendo las modificaciones necesarias en el caso de detectarse deficiencias. Para ello se hará una breve introducción a los fundamentos de sistemas de transmisión mecánicos. Posteriormente se caracterizará una caja de cambios cuyas especificaciones son desconocidas, hallando parámetros como el fabricante, el modelo, el vehículo y motores a los que va asociada, así como sus limitaciones mecánicas, en concreto el par y revoluciones de entrada máximas. De la caracterización surgirán una serie hipótesis que deberán ser dilucidadas mediante un primer ensayo de la caja. Una vez realizado el primer ensayo, si este fuese satisfactorio, se analizan los resultados, se ajusta si es necesario el banco de ensayos y se plantean una serie de ensayos posteriores en los que se somete a la caja a distintas condiciones de operación. Tras un postprocesado de los resultados obtenidos, se obtendrán una serie de conclusiones, que se discutirán en el último punto del trabajo. xvi xvii ÍNDICE DE ECUACIONES Ecuación 1. Velocidad tangencial del punto de contacto 3 Ecuación 2. Relación transmisión engranajes exteriores 6 Ecuación 3. Relación transmisión engranajes interiores 6 Ecuación 4. Relación de transmisión tren ordinario 8 Ecuación 5. Relación de transmisión para Figura 8 8 Ecuación 6. Relación de transmisión para Figura 9 8 Ecuación 7. Formula de Willis 9 Ecuación 8. Momento de una fuerza 12 Ecuación 9. Potencia en función del par y la velocidad angular 12 Ecuación 11. Relación de transmisión con coeficiente de corrección 34 Ecuación 12. Coeficiente de corrección 34 xviii xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Rueda de camión 2 Figura 2. Límites de velocidad en vías interurbanas [14] 3 Figura 3. Esquema de transmisión mecánica. [12] 4 Figura 4. Embrague centrífugo [13] 4 Figura 5. Par de engranajes [16] 5 Figura 6. Par engranajes exteriores 6 Figura 7. Par engranajes interiores 6 Figura 8. Tren ordinario de engranajes [6] 7 Figura 9. Tren de engranajes con rueda número 5 parásita [17] 8 Figura 10. Esquema tren epicicloidal 9 Figura 11. Renderizado 3D de un tren epicicloidal [18] 9 Figura 16. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (lateral derecho) 16 Figura 17. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayos (lateral izquierdo) 16 Figura 18. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (parte posterior) 17 Figura 19. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (lateral izquierdo posterior) 17 Figura 20. Relaciones entre fabricantes y tipos de cajas fabricadas [15] 17 Figura 21. Primera caja procedente de BMW E36 318tds desguazado (lateral izquierdo) [8] 18 Figura 22. Caja del ensayo (lateral izquierdo) 19 Figura 23. Segunda caja de BMW E36 318tds desguazado (vista lateral izquierda) [8] 20 Figura 24. Códigos de la segunda caja desguazada (vista lateral derecha) [8] 20 Figura 25. Tercera caja procedente de E36 318tds desguazado (lateral izquierdo) [9] 21 Figura 26. Código en la tercera caja (lateral izquierdo) [9] 21 Figura 27. BMW E36 318tds Compact 22 Figura 28. BMW E36 318tds Sedane 22 Figura 29. Esquema sistema de transmisión BMW E36 318tds [10] 23 Figura 30. Curva de par y potencia 318tds [11] 24 Figura 31. Banco de ensayos en funcionamiento 27 Figura 32. Esquema general del banco de ensayos 28 Figura 33. Menu prinicipal del software 29 Figura 34. Régimen de revoluciones en ensayo sin par 31 Figura 35. Banco de ensayos alcanzando las 1.000 r.p.m. 32 Figura 36. Silentblocks en segunda caja de desguace [8] 32 Figura 37. Fuerzas y momentos actuando sobre los soportes 33 xx Figura 38. Pestañas de Protocolo Ensayo 36 Figura 39. Curva par motor grado 3 37 Figura 40. Curva par motor grado 4 37 Figura 41. Curva par motor grado 5 37 Figura 42. Curvas de par para cada marcha (Grado 5) 38 Figura 43. Pestaña Datos 38 Figura 44. Control manual del banco de ensayos 40 Figura 45. Rotura de los tornillos eje de salida y freno motor 41 Figura 46. Alertas de ensayo activadas 42 Figura 47. Primera marcha sin par (gráfica velocidades) 43 Figura 48. Primera marcha sin par (gráfica pares) 43 Figura 49. Primera marcha sin par (gráfica velocidades filtrada) 44 Figura 50. Primera marcha sin par (gráfica pares filtrada) 44 Figura 51. Primera marcha sin par (gráfica pares y velocidades) 45 Figura 52. Primera marcha sin par (velocidades y potencia) 45 Figura 53. Primera marcha sin par (segmentación) 46 Figura 54. Relación de transmisión primera marcha Figura 55. Rendimiento según velocidad de entrada 47 Figura 56. Calentamiento de la caja (velocidades y par) 48 Figura 57. Calentamiento de la caja (rendimiento) 49 Figura 58. Fallo en acople de ejes 50 Figura 59. Eje primario de la caja de cambios 50 Figura 60. Anillo para prisioneros Figura 61. Prisionero 51 Figura 62. Escalada de par hasta alarma 52 xxi xxii 1 1 INTRODUCCIÓN El presente proyecto se apoya en los trabajos realizados previamente por Camacho Moro, J. (2018). Proceso de verificación y calibración de un banco eléctrico de ensayo de transmisiones [1]. Alberdi Acedo, A. (2019). Ensayo en banco de una caja de cambios [2]. y De Los Santos Domínguez, M. (2020). Programa de análisis de datos de ensayos de banco de transmisiones [3]. En 2018, Camacho Moro realizó un exhaustivo trabajo de calibración y corrección en el banco de ensayos motivo de este trabajo. Posteriormente se hicieron pequeñas pruebas sobre una caja CVT diseñada por el Departamento de Ingeniería y Ciencia de los Materiales y del Trasporte (en adelante, el departamento). En 2019, Alberdi Acedo elabora una serie de scripts en MATLAB®, que permiten tanto analizar los datos de salida del ensayo, como crear un protocolo de ensayo a partir de una serie de parámetros que el usuario selecciona. Tras ello, en 2020, De Los Santos Domínguez, recopila el trabajo de Alberdi Acedo, creando una aplicación interactiva de MATLAB® en la que el usuario no necesita acceder al código. Es esta última aplicación la que se usará en el actual trabajo para analizar, graficar y protocolizar los ensayos. En todos los trabajos anteriormente mencionados, se prepara el banco de trabajo y se establece un método para realizar los ensayos, pero ninguno completa un estudio exhaustivo de un sistema de trasmisión. Es por ello por lo que el objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es caracterización de una caja de cambios manual, su testeo en el banco de ensayos del departamento y el análisis de los resultados obtenidos tras el mismo. 2 2 LA TRANSMISIÓN: FUNDAMENTOS Conviene previamente definir qué es un sistema de trasmisión, qué tipos hay y en que máquinas se usan. Si se desea profundizar más en la materia, se recomienda al lector la siguiente bibliografía: BOSH. (2018). Bosh Automotive Handbook, 10th Edition [4], y Pintado Sanjuán, P. (1994). Un curso de automoción [5]. Todos los vehículos cuentan con una planta de potencia con la que producir la energía necesaria para propulsarse. En el caso que nos incumbe, en los automóviles, es el propio vehículo quien transporta una fuente de energía (hidrocarburos, gas natural, hidrógeno o una batería, entre otros), la cual es procesada por una planta de potencia (motor de combustión interna, pila de hidrógeno o motor eléctrico) transformándola en energía mecánica. En definitiva, el vehículo transforma una energía potencial en energía cinética. Esta energía cinética debe trasladarse desde la planta de potencia hasta las ruedas, que con su giro dotarán de velocidad longitudinal al vehículo. Es en este traslado de energía desde la planta de potencia hasta las ruedas en la que puede ser necesario contar con un sistema de trasmisión. Rara vez la planta de potencia va conectada directamente a las ruedas. Hacer esto supondría elevar enormemente la masa no suspendida, lo cual empeora las características dinámicas del vehículo, además de suponer un gran detrimento en cuanto al aislamiento de vibraciones debidas a las irregularidades de la carretera. Además, el par y la velocidad angular de las ruedas no puede ser siempre idéntica entre ellas. Para afrontar una curva de cierto radio con éxito, las ruedas interiores recorrerán una menor distancia que las exteriores, lo que implica que deberán tener menor velocidad angular. También, en aquellos vehículos cuyas ruedas que le dotan de dirección son además las ruedas propulsoras, el angulo de transmisión debe ser variable. Son todas estas características mencionadas anteriormente las que justifican la existencia de un sistema de transmisión. Una característica de los motores de combustión interna es que aportan el par en un rango de revoluciones limitado. Normalmente el motor de 4 tiempos de una motocicleta tiene un rango de funcionamiento de entre 1.000 a 10.000 revoluciones por minuto, habiendo modelos que alcanzan las 13.000 r.p.m. u otros más exóticos que logran la increíble cifra de 20.000 r.p.m. En coches con motor gasolina atmosférico, el rango se suele encontrar entre las 1.000 y 7.000 r.p.m. Para vehículos turbodiésel, el rango baja un poco, entre 1.000 y 5.000 r.p.m. Y muchos camiones con motor diesel tienen un rango entre 500 a 2.200 r.p.m. Con una amplitud de revoluciones de apenas 1.800 r.p.m. en el caso de los camiones, se quieren lograr velocidades entre los 5 y 100 km/h. Un cálculo rápido nos aporta la velocidad del camión si conectásemos su motor directamente a las ruedas: Datos: Llanta de 22,5 pulgadas (571,5 mm de diámetro) Neumático 315/80 (250 mm de alto) Radio efectivo de rueda: 571,5 2+250 =535,75 mm Figura 1. Rueda de camión 3 La velocidad tangencial del punto de contacto con el asfalto de la rueda es la velocidad que adquiere el vehículo. Esta velocidad viene dada por la expresión: 𝑣𝑣=𝜔𝜔 ∙ 𝑟𝑟 Ecuación 1. Velocidad tangencial del punto de contacto Con una 𝑟𝑟= 0,53575 metros y la mínima velocidad del motor, 𝜔𝜔=500 rev min ∙1 min 60 s ∙2𝜋𝜋 rad 1 rev =50𝜋𝜋 3rad/s, la velocidad del camión es: 𝑣𝑣=50𝜋𝜋 3∙0,53575 =28,052 m/s O lo que es lo mismo, 100,98 km/h. Una velocidad mínima completamente inasumible para un camión. Si hacemos la misma operación para el régimen máximo de revoluciones, se obtiene que la velocidad es de 444,32 km/h (mucho antes de llegar a esta velocidad, las fuerzas de rodadura y aerodinámicas superarían la fuerza de tracción que es capaz de generar el motor, por lo que no podría continuar acelarando indefinidamente). Recordemos que a 2022, la velocidad máxima para camiones cuya MMA supera los 3.500 kilogramos es de 90 km/h por autovía y 80 km/h por carretera convencional. La conclusión de este estudio es que resulta indispensable la instalación de un sistema que modifique la relación velocidades angulares entre la salida del motor y la entrada del eje de las ruedas. Este análisis también justifica por qué las cajas de cambios de camiones tienen desarrollos tan cortos en comparación a los de un turismo: sus grandes ruedas, del orden de dos veces el diámetro de las de un turismo convencional, necesitan menos velocidad angular para proporcionar la misma velocidad, en concreto, dos veces menos. Además, para poder mover el elevado tonelaje de la carga, se necesitan pares motrices altos. Recordemos que los pares de salida van a la inversa que las relaciones de cambio, esto es, si la velocidad de salida es la mitad de la velocidad de entrada, el par de salida será el doble que el par de entrada. El concepto de par y su relación con la transmisión se tratará en profundidad en los próximos apartados. Figura 2. Límites de velocidad en vías interurbanas [14] 10 2.4. Diferenciales Se añade este punto, porque como se verá más adelante, el diferencial es un elemento que forma parte del sistema a estudiar, y aunque no se vaya a ensayar, conviene hacer una breve introducción de este. Un diferencial no es más que un tren epicicloidal degenerado, con una relación de transmisión 𝜂𝜂𝑠𝑠=−1. La corona recibe el giro del motor y es solidaria al portasatélites, los ejes de los planetas se conectan a las ruedas. Estos planetas tienen el mismo número de dientes. Los satélites giran en dirección opuesta uno de otro, y en el caso de que ambas ruedas tengan la misma velocidad, no rotarán respecto al portasatélites. El diferencial se utiliza para que las ruedas de un automóvil puedan girar a velocidades distintas en curva. Se evita así fricción excesiva, deslizamientos y desgastes de los neumáticos. Este mecanismo también permite el bloqueo completo de una rueda mientras se sigue transmitiendo potencia a otra. Normalmente el diferencial se diseña de tal forma que actue como reductora, lo que nos otorga una desmultiplicación adicional permanente. El principal inconveniente de un diferencial ordinario, es que si una rueda deja de ofrecer resistencia, todo el par se derivará hacia ella. Esto puede ocurrir cuando una rueda patina o se encuentra en el aire. En este caso, la rueda libre empezará a girar a toda velocidad, mientras que la rueda en contacto con el asfalto o que aún tiene tracción no trasmite par. Los diferenciales con tecnologías capaces de resolver este inconveniente son conocidos como diferenciales autoblocantes. Los diferenciales autoblocantes más comunes son los siguientes: • Diferencial autoblocante tipo Torsen: funcionan gracias a que los satélites son sustituidos por unos engranajes cilíndricos helicoidales. Con ello se consigue que de la corona se transmita el movimiento a los satélites, y del satélite al planeta, pero sin que los giros del planeta puedan trasmitirse al satélite. Torsen es realmente el nombre comercial del mecanismo, que fue patentado en 1958. • Diferencial autoblocante de deslizamiento limitado: como su nombre indica, permiten un deslizamiento o diferencia de velocidades limitada. Al alcanzar esa diferencia máxima un conjunto de embragues se cierra frenando la rueda más veloz, evitando que todo el par llegue a ella. Conocidos en la literatura inglesa como LSD (Limited-slip differential) • Diferencial autoblocante Haldex: es un conjunto de elementos hidráhulicos, mecánicos y electrónicos, que trabajan conjuntamente para repartir el par. Comúnmente usados en vehículos con tracción a las cuatro ruedas. Haldex es el nombre comercial del mecanismo fabricado y patentado por la empresa sueca con el mismo nombre. Figura 12. Diferencial ordinario [17] 11 • Diferencial autoblocante electrónico: mal llamados autoblocantes. Realmente se trata de un diferencial ordinario con una serie de sensores capaces de mediar la velocidad relativa entre los ejes de salida. Cuando la velocidad relativa supera cierto umbral, el sistema manda una señal a la ECU, que actúa sobre el freno de la rueda con mayor velocidad para oponer resistencia. Se trata del sistema más económico, pero con la gran desventaja de que su uso conlleva un desgaste importante de los frenos. 12 2.5. Potencia y par Todo aquel que haya adquirido alguna vez un vehículo, visitado un concesionario, o al menos, consultado las especificaciones de algún modelo, estará familiarizado con el termino caballos de vapor. Aunque en la actualidad se intenta sustituir por su equivalente en el sistema internacional, el kilovatio, la mayoría conductores conoce en caballos el orden de magnitud de la potencia de un vehículo: un utilitario ronda entre los 80 y 100 caballos, para una berlina o SUV con mayor capacidad de carga, hasta los 150 o 180 caballos se considera una cifra razonable, y a partir de los 200 caballos se tiene el concepto de coche potente y deportivo. Sin embargo, pocos son los conductores que conocen el orden de magnitud del par motor que ofrece la mayoría de los vehículos. E incluso a veces el concepto de par motor es confundido con la potencia como si de la misma magnitud física se tratase. En un motor de combustión interna o explosión, tras la fase de encendido en un cilindro, se genera una presión muy elevada. Esta presión multiplicada por el área del pistón nos da una fuerza. Esta fuerza llega hasta el cigüeñal através de la biela. Es aquí donde se “origina” nuestro par. El ciegueñal se encuentra rotando respecto a su eje principal. La biela está conectada a cierta distancia respecto a este eje del ciegueñal. Recordemos que el momento de fuerza o par (M) se obtiene como el producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza (respecto al eje) por el vector fuerza: 𝑀𝑀=𝑟𝑟 ×𝐹𝐹  Ecuación 8. Momento de una fuerza El par es un escalar con unidades de Newton por metro (𝑁𝑁𝑁𝑁). La potencia (P), es la cantidad de trabajo por unidad de tiempo que realiza el vector fuerza. Otra forma de expresarlo es como el producto entre el par y la velocidad angular (rad/s) del cigüeñal: 𝑃𝑃=𝑀𝑀 ∙ 𝜔𝜔 Ecuación 9. Potencia en función del par y la velocidad angular La potencia se expresa en vatios (W). Si se conoce la curva de par respecto a la velocidad angular, la curva de potencia es inmediata. Lo mismo ocurre si tenemos la relación potencia-velocidad angular. La curva de par y potencia resulta crucial para conocer el funcionamiento real de un vehículo. Figura 13. Pistón tras fase explosión [19] 13 2.6. Actualidad Nos encontramos en un contexto de transición energética, en el que tecnologías poco eficientes o contaminantes intentan ser sustituidas por otras cuyo impacto ambiental sea menor. A ello se le suman las políticas implantadas por los gobiernos para desincentivar el uso de combustibles fósiles, que son fuente de contaminación local debido a la producción de gases de nitrógeno y CO, tóxicos para el ser humano. En este contexto, la industria del automovil ha paralizado casi por completo el desarrollo de nuevos motores de combustión interna para centrar todos sus recursos en tecnologías hibridas, puramente eléctricas u otras como la pila de hidrógeno. Como se comentó en puntos anteriores, el motor eléctrico no suele requerir de una caja de cambios convencional. Cabe preguntarse si las transmisiones de vehículos, en concreto nos referimos a la que aborda este trabajo, las cajas de cambio manuales, están a las puertas de convertirse en una tecnología obsoleta, siendo reemplazada por nuevos mecanismos o incluso desechada por innecesaria. Diferentes estudios como los de Global Market Insights. (2020). Precision Gearbox Market, Markets and Markets. (2018). Industrial Gearbox Market y POLARIS Market Research. (2021). Automotive Transmission Market Size parecen indicar todo lo contrario. La previsión es que el mercado de sistemas de transmisión aumente durante los próximos 6 años. Figura 14. Previsión del mercado de sistemas de transmisión por regiones, en billones de dólares americanos [7] Las cajas manuales aparecen bien posicionadas en el análisis, con una proyección futura de mantener sus ventas. La caja de cambio manual es mucho más barata de fabricar que sus tecnologías rivales, lo que otorga a los fabricantes de automóviles la opción de ofrecer una gama de acceso de ciertos vehículos con un precio reducido. También nos encontramos con que muchos fabricantes han amortizado sus plantas de cajas manuales y optimizado los procesos al máximo. Detener estas instalaciones para pasar a fabricar una tecnología diferente requiere de una inversión elevada, que además en el momento de incertidumbre sobre cuál será la solución de movilidad predominante durante los próximos años, la convierten en una inversión de alto riesgo. 14 15 3 CARACTERIZACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS Uno de los primeros objetivos es hallar en qué vehículo ha ido montada la caja a ensayar. Cada caja de cambios ha sido diseñada para soportar de manera segura una serie de cargas y velocidades. Superar los parámetros de diseño puede provocar la rotura repentina de la caja, lo que supondría un peligro para el banco de ensayos, y sobre todo, para la integridad física de los usuarios cercanos. Por esto es crucial averiguar qué clase de caja disponemos, para nunca sobrepasar sus limitaciones mecánicas. Los fabricantes de automóviles diseñan la caja de cambios en consonancia a un determinado motor. Posteriormente, caja y motor se montan en uno o varios modelos de vehículo diferentes. En decir, la caja de cambios va a asociada a un motor, y no a un modelo de vehículo determinado. Esto lo podremos comprobar más adelante. 3.1. Inspección visual de la caja La única información que tenemos de la caja a ensayar es que se trata de una caja de cambios manual de 5 velocidades, 6 contando la reversa o marcha atrás. Este tipo de cajas de cambio utilizan trenes de engranajes ordinarios, con accionamiento manual. Algunos de los engranajes están montados sobre rodamientos, lo que hace que su giro sea independiente al eje. Con el pomo o palanca de cambios, lo que se logra es bloquear respecto a su eje algunos engranajes. Según el engranaje que bloqueemos, obtendremos una relación de transmisión diferente. Para determinar ante qué caja nos encontramos, debemos buscar una serie de códigos y marcas serigrafiadas, troqueladas o en relieve, que nos indiquen el fabricante, modelo o número de serie. Figura 15. Caja de cambios objeto de estudio 16 Hay dos tipos de códigos presentes en la caja: troquelados y de fundición. En la literatura inglesa, los de fundión reciben el nombre de "cast numbers" y determinan el lote de fabricación en el que se hizo la carcasa exterior de la caja. Los códigos de más relevancia encontrados son los siguientes: GETRAG, 221.0.0122.90, BMW y 1.221.846.9. En las siguientes figuras se puede observar en detalle estos códigos. Figura 12. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (lateral derecho) Figura 13. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayos (lateral izquierdo) 17 Figura 14. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (parte posterior) Figura 15. Detalle de los códigos grabados en la caja de ensayo (lateral izquierdo posterior) 3.2. Fabricante Rara vez un fabricante de automóviles fabrica sus propias cajas de cambio. Normalmente, se recurren a empresas especializadas. Son 5 grandes fabricantes los que abarcan casi la totalidad del mercado: ZF Friedrichshafen, Aisin Seiki, Magna (GETRAG), Schaeffler y Borgwarner entre otros. Figura 16. Relaciones entre fabricantes y tipos de cajas fabricadas [15] 18 En la Figura 20 se pueden observar los diferentes fabricantes de transmisiones y sus relaciones comerciales con los fabricantes de automóviles, así como los tipos de cajas de cambio que producen. Cabe destacar que esta infografía está basada en los datos de un estudio realizado en febrero de 2014, y apoyado principalmente en las factorías que se encuentran en China. La fuente puede encontrarse en la bibliografía. Por las inscripciones encontradas, el fabricante es GETRAG. También contamos con la insignia de BMW, que nos indica que la caja está destinada a algunos vehículos de esta marca. GETRAG, fabricante con sede en Untergruppenbach, Alemania, era proveedor de diversos fabricantes de automóviles, como BMW, Daimler AG, Ferrari, Mitsubishi, Porsche, Reanault, el grupo Volkswagen y Volvo. En 2016 la compañía fue adquirida por el grupo Magna por 1,6 mil millones de USD. 3.3. Modelo de caja GETRAG, y casi todos los fabricantes, no comparten públicamente los modelos de caja que fabrican o en qué vehículos se montan. Tampoco revela como codifica los números de serie de cada caja. Se tiene que recurrir a foros especializados, desguaces y entusiastas del automóvil, que recopilan información de numerosas cajas hasta encontrar una relación entre los códigos grabados y los vehículos a los que se asocia la caja. El método empleado para casar los códigos ha sido el de buscar iterativamente en el buscador Google y diferentes páginas de desguaces a nivel europeo, cada uno de los códigos de la caja, hasta encontrar algúna coincidencia exacta. Tras una búsqueda exhaustiva, y encontrar numerosas similitudes en cajas de diferentes modelos de BMW, finalmente, el código 221.0.0122.90 ha resultado coincidir íntegramente con una serie de cajas anunciadas en diferentes webs de desguaces. La más destadaca es la web de desguaces española www.autorecambioverde.com, que cuenta con numerosas cajas de características similares. Figura 17. Primera caja procedente de BMW E36 318tds desguazado (lateral izquierdo) [8] 19 Figura 18. Caja del ensayo (lateral izquierdo) Como se puede observar en la Figura 21 y la Figura 22, visualmente las cajas son idénticas. La caja de la Figura 21 se anuncia con el código 221.0.0122.90, aunque no se muestra en las imágenes. 26 27 4 PRUEBAS EN EL BANCO DE ENSAYOS 4.1. El banco de ensayos Ensayar una caja de cambios montándola directamente en un vehículo tiene grandes desventajas. La instalación de sensores de par y velocidad angular se dificulta por la posible falta de espacio entre elementos del vehículo. Las vibraciones debidas a las irregularidades del asfalto y las fuerzas de inercia que genera el movimiento del vehículo pueden afectar a la medida real del par a la que está sometida la caja. Además, para analizar cada marcha en todo el rango de revoluciones disponible, se deberían alcanzar velocidades muy elevadas para las marchas altas, suponiendo un gran riesgo para el operario y limitando el ensayo a circuitos cerrados al tráfico. Por todo ello se emplean bancos de ensayo, que permiten medir el comportamiento de una caja de cambios en un ambiente controlado, pudiendo ajustar los parámetros de funcionamiento con mayor facilidad y de forma computerizada. No obstante, debe tenerse en cuenta que siempre se debe realizar un ensayo final con la caja montada en el vehículo a la que está destinada para someterla a condiciones de conducción real. Los bancos de ensayo permiten realizar dos tipos de ensayo diferentes: de rendimiento y de fatiga. Los ensayos de fatiga consisten en someter a la caja de cambios a un elevado número de ciclos, analizando así su durabilidad y verificando si esta es adecuada para la vida útil de la caja. Estos ensayos requieren de una elevada cantidad de semanas o incluso meses con el banco en funcionamiento y sometiendo a diferentes ciclos a la caja. Los ensayos de rendimiento tienen una menor duración y se centran en caracterizar la respuesta de la caja ante diferentes “estímulos”, como lo son los pares del motor a la entrada y pares resistentes a la salida. Nuestros ensayos se centrarán en analizar el rendimiento de la caja, ya que el banco no está pensado para ensayos de larga duración. Figura 27. Banco de ensayos en funcionamiento 28 4.1.1. Elementos Aunque el control del banco se realiza exclusivamente desde el Software instalado en el computador, es necesario conocer el funcionamiento de todos los elementos que lo componen para depurar errores si estos se produjeran. El banco está compuesto principalmente por 2 motores, uno de ellos asociado a la entrada de la caja y otro a la salida. El motor de entrada es un Tetravec de 155kW de potencia y se encarga de suministrar el par necesario a la caja. Este motor tiene asociado un pequeño motor de 1.1kW que acciona un ventilador para refrigerar el motor Tetravec. Tras la caja se coloca una reductora con relación 1.78:1, que lleva a su vez asociada una bomba hidráulica para forzar el paso de un fluido refrigerante. Este fluido circula por unos conductos hasta llegar a un radiador, donde disminuye su temperatura por intercambio de calor, completando el circuito y volviendo de nuevo a la bomba. Tras la reductora se sitúa el segundo motor, que actúa como freno (generador). Este segundo motor tiene al igual que el primero otro pequeño motor encargado de su refrigeración. La energización de todos los elementos del banco se realiza mediante corriente eléctrica. La potencia de los motores impide que se pueda tomar la corriente a los 230V y 50Hz de la red general, por lo que se obtiene en trifásica. Además, nos interesa que los motores puedan funcionar en todo un rango de velocidades, por lo que se cuenta con un variador que regula la intensidad que llega. Figura 28. Esquema general del banco de ensayos En cuanto a los sensores, se cuenta con dos sensores de par y dos de velocidad angular. Una pareja de cada colocada en el eje de entrada a la caja y el otro a la salida. El sensor de par se basa en el efecto piezo eléctrico, propiedad de algunos sólidos por la que generan una carga eléctrica bajo tensión mecánica. Normalmente se emplean cristales de cuarzo. Cada uno de estos elementos tiene una serie de limitaciones mecánicas. Vamos a estudiar cuales son los elementos limitantes en el banco para obtener los valores que no se deben exceder. Tabla 3. Especificaciones de los elementos del banco Revoluciones máximas (r.p.m.) Par (Nm) Potencia máxima (kW) Motor 1 6.500 425 155 Torsímetro entrada 12.000 1.000 - Torsímetro salida 8.000 5.000 - Reductora 6.000 - 147 Motor 2 4.800 3.414 252 29 Puede parecer que el elemento limitante para las revoluciones máximas es el motor 2, pero hay que tener en cuenta que antes del mismo está presente la caja reductora, por lo que las 4.800 r.p.m. máximas se corresponden realmente con unas 8.500 r.p.m. del eje conectado a la caja de cambios, superior a la limitación de 6.000 r.p.m. de la reductora. Por tanto, la velocidad máxima a la que podremos someter nuestra caja es de 6.000 r.p.m. El Software se encarga de recibir y procesar las señales de los sensores, además de controlar la velocidad del motor y la carga del generador. También permite realizar los ensayos de forma automatizada, almacenar los datos de los sensores y exportarlos como ficheros de texto plano. El funcionamiento del programa resulta intuitivo y sencillo. La interfaz principal se muestra en la Figura 32 Figura 29. Menu prinicipal del software En Configurar tipos de caja guardaremos el nombre y modelo de la caja, estableceremos una serie de escalas y alertas de seguridad, además de programar las fases del ensayo. En Realizar ensayo podremos activar la ventilación y motores del banco, controlándolo manualmente o dando comienzo a las fases de ensayo programadas. Dentro de Resultados del ensayo podremos ver las grabaciones de datos obtenidos durante los ensayos, además de exportarlos a ficheros de texto plano. Graficas comparativas como su propio nombre indica, permite seleccionar diferentes ensayos realizados y comparar los datos mediate gráficas. Esta opción no se usará, ya que mayoritariamente exportaremos todos los datos y los procesaremos en MATLAB. Terminar finaliza el programa. 30 4.2. Primer ensayo El primer ensayo tiene como objetivo hallar las distintas relaciones de cambio para la caja dada y compararlas con las que ofrece el fabricante para el E36 318tds, además de comprobar el correcto funcionamiento del banco de ensayo, así como la precisión de los datos que obtiene. El procedimiento empleado ha sido el siguiente. 4.2.1. Configuración tipo de caja El primer paso necesario antes de ensayar cualquier caja es definir sus propiedades en el programa. Cada caja definida lleva asociados unas escalas, alertas y fases de ensayo. Cómo se desea realizar distintos ensayos, o que ciertas fases, como la de calentamiento, no se repitan continuamente, se configuran tantas “cajas” como tipos de ensayo se vayan a realizar. Las escalas y alertas, sin embargo, son iguales en todas las configuraciones de caja realizadas. Se crean 3 cajas de la siguiente forma: Tabla 4. Cajas definidas Marca Modelo Versión Comentarios GETRAG S5G TAKM Calentamiento Para calentar la caja antes de los ensayos GETRAG S5G TAKM Sin Par Sin existencia de par resistente GETRAG S5G TAKM Con Par Con par resistente Las escalas permiten configurar el nombre de cada variable durante el ensayo, así como las escalas de visualización de cada una de ellas. Las alarmas creadas son los criterios que seguir para que salte una alarma cuando se realice el ensayo de la caja. Al saltar una de estas alarmas, el ensayo queda invalidado y el banco se detiene inmediatamente. Las alarmas configuradas son: Tabla 5. Alarmas configuradas Par motor máximo (Nm) Par freno máximo (Nm) Régimen motor (rpm) Régimen freno (rpm) 190 1.000 6.000 6.000 4.2.2. Ensayo Antes de comenzar los ensayos se debe calentar la caja a su temperatura de funcionamiento. Para ello, se seleccionará una marcha cualquiera y se dará velocidad a la entrada durante un tiempo. El estudio del efecto de la temperatura en el rendimiento de la caja se realizará en ensayos posteriores. Para calentar la caja en este primer ensayo se ha realizado un control manual del motor, manteniéndolo a 250, 500 y 1.000 r.p.m. durante 5 minutos cada velocidad. Tras detener el calentamiento, se comprueba manualmente que la caja se ha calentado a una temperatura superior a la del ambiente. Modificamos la caja GETRAG, modelo S5G TAKM, versión Sin Par para configurar las fases del ensayo. Cada fase de ensayo permite controlar las revoluciones del motor y la carga del freno de forma lineal con 7 puntos temporales. Podemos añadir múltiples fases y se ejecutarán una tras otra. Para este primer ensayo los puntos dados son los que aparece en la siguiente tabla. 31 Tabla 6. Fases del ensayo sin par Fase 1 Tiempo 00:00:10 00:00:40 00:00:50 00:01:20 00:01:30 00:02:00 00:02:10 R.P.M. 500 500 1.000 1.000 1.500 1.500 2.000 Fase 2 Tiempo 00:00:30 00:00:40 00:01:10 00:01:20 00:01:50 00:02:00 00:02:10 R.P.M. 2.000 1.500 1.500 1.000 1.000 500 0 Quedando la distribución de velocidades de la siguiente forma: Figura 30. Régimen de revoluciones en ensayo sin par Una vez configuradas las fases, volvemos al menú principal y accedemos a realizar ensayo, cargando la caja GETRAG S5G TAKM Sin Par. Antes de iniciar el ensayo automático encendemos manualmente el motor, freno y los ventiladores de ambos equipos. Tras comprobar que todo opera con normalidad, se inician las fases del ensayo. El ensayo transcurre con normalidad hasta la marca de tiempo 00:50:00, momento en el que el motor se encuentra a 1.000 r.p.m. y acelera para alcanzar en 10 segundos las 1.500 r.p.m. Apartir las 1.000 r.p.m. la estructura sobre la que va montada el banco de ensayos comienza a vibrar, aumentando la amplitud de las oscilaciones a medida que sube el régimen de giro. Al alcanzar las 1.500 r.p.m. parece entrar en resonancia, ya que las vibraciones aumentan exponencialmente, haciendo que pletinas metálicas cercanas a la caja se sacudan golpeando con esta y haciendo ruido. Se detiene entonces inmediatamente el ensayo. En la Figura 35 se puede apreciar marcada con el número 1 la pletina mencionada. 0 500 1000 1500 2000 2500 0:00:00 0:00:10 0:00:20 0:00:30 0:00:40 0:00:50 0:01:00 0:01:10 0:01:20 0:01:30 0:01:40 0:01:50 0:02:00 0:02:10 0:02:20 0:02:30 0:02:40 0:02:50 0:03:00 0:03:10 0:03:20 0:03:30 0:03:40 0:03:50 0:04:00 0:04:10 0:04:20 Sin Par r.p.m. 32 Figura 31. Banco de ensayos alcanzando las 1.000 r.p.m. Se realiza una inspección visual tras detener el ensayo y apagar los motores y la ventilación. La tornillería de los ejes de entrada se ve en buen estado, idem para el eje de salida. La caja va anclada al banco de ensayo gracias a dos pletinas, una para la parte delantera de la caja y otra para la trasera. Estas pletinas se acoplan al banco de trabajo a través de unos silentblocks, marcados como 2 en la Figura 35. El silentblock es una pieza de goma o caucho que tiene como misión reducir las vibraciones provocadas por elementos montados entre sí. De este modo, se evitan los roces y golpes que pueden dañar piezas metálicas al contactar unas con otras. Esta configuración llama la atención ya que la ubicación de los silentblocks no se asemeja a cómo se montan cuando la caja está anclada al vehículo. Figura 32. Silentblocks en segunda caja de desguace [8] 33 Al estar la caja a una cierta distancia vertical del silentblock mediante las pletinas, cualquier fuerza longitudinal que actue sobre la caja se traduce en un momento torsor sobre el silentblock. Esto sumado a la elevada masa de la caja de cambios hacen posible que a determinadas velocidades los momentos torsores que sufre el silentblock sean elevados, dando lugar a vibraciones de gran amplitud. Figura 33. Fuerzas y momentos actuando sobre los soportes Convendría estudiar si cambiando la ubicación de los silentblocks traseros a la unión entre caja y pletina desaparecen o disminuyen las vibraciones. Se decide cambiar las fases de ensayo y hacerlas a un bajo número de vueltas, no superando las 1.000 r.p.m. en ningún caso. Para ello se modifica la caja GETRAG S5G TAKM Sin Par y además se crea otra nueva llamada GETRAG, modelo S5G TAKM versión SinPar-LowRPM. La versión Sin Par tendrá un rango de velocidades de entrada entre 0 y 1.000 r.p.m, mientras que la versión SinPar-LowRPM tendrá un rango más corto, de 0 a 300 r.p.m. Las fases de cada caja configurada son Fase 1 Tiempo 00:00:00 00:00:20 00:01:00 00:01:15 00:02:00 00:02:15 00:03:00 R.P.M. 0 500 500 750 750 1.000 1.000 Fase 2 Tiempo 00:00:00 00:00:20 00:01:00 00:01:15 00:02:00 00:02:15 00:02:30 R.P.M. 1.000 750 750 500 500 250 0 Fase 1 LowRPM Tiempo 00:00:00 00:00:05 00:00:35 00:00:40 00:01:10 00:01:15 00:01:45 R.P.M. 0 100 100 200 200 300 300 Fase 2 LowRPM Tiempo 00:00:00 00:00:05 00:00:35 00:00:40 00:01:10 00:01:15 00:01:20 R.P.M. 300 200 200 100 100 50 0 Se realiza el ensayo y se valida para cada una de las marchas. Durante el ensayo de la quinta marcha se observa que las revoluciones de entrada y salida no son iguales. Recordemos que para todas las cajas BMW de la época, la quinta relación es la conocida como directa, es decir, relación 1:1. Se barajan dos posibilidades: que la caja sea diferente y la quinta relación no sea 1:1 o bien que el sensor de velocidad a la salida tenga cierto desfase respecto a las revoluciones reales. 34 El procedimiento para solucionar este problema es sencillo. Una vez finalizado el ensayo y con todos los equipos apagados, se realiza una marca en el eje de entrada y salida, ambas alineadas con la vertical. Se gira manualmente el eje de entrada, y se empiezan a contar las vueltas que da cada eje. Tras dar 10 vueltas el eje de entrada, el eje de salida ha girado 10 vueltas y las marcas continúan alineadas. Es decir, la relación es 1:1, por lo que el problema es que hay un desfase en la medición de las revoluciones a la salida. Este desfase supone un gran inconveniente a la hora de hallar la relación de transmisión para cada una de las marchas. Al no medir las revoluciones de salida reales, la relación calculada no será la real, por lo que no podremos comprobar ante que caja nos encontramos. Debemos entonces corregir el desfase al procesar los datos de cada ensayo. Sabiendo que la relación para la quinta marcha es 1:1 y medidos distintos rangos de revoluciones de entrada y salida, podemos calcular que desfase se está produciendo a la salida. Conocido este desfase, se aplica una corrección a todos los datos. El coeficiente de corrección se puede hallar de la siguiente forma 𝜂𝜂=𝑥𝑥 ∙ 𝜔𝜔𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 Ecuación 10. Relación de transmisión con coeficiente de corrección Siendo x el coeficiente de corrección, y 𝜂𝜂= 1 para la quinta marcha, el coeficiente se puede hallar de la forma 𝑥𝑥=𝜔𝜔𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 Ecuación 11. Coeficiente de corrección Los datos se toman aproximadamente cada 0,2 segundos, o lo que es lo mismo, con una frecuencia de 5 Hz. Para un ensayo con duración de 60 segundos, se tienen un total de 300 puntos, cada uno con una velocidad angular de entrada y salida que varía con el tiempo. Para cada valor de tiempo finito se calcula su coeficiente de corrección individual, y posteriormente se toma como coeficiente de corrección global a la media geométrica de todos los coeficientes individuales. Los 5 primeros segundos de cada ensayo se desechan, ya que son los instantes en los que el motor comienza a girar y los datos que se obtienen no son de relevancia. Tabla 7. Coeficientes de corrección individuales Tiempo (s) Motor (rpm) Freno (rpm) x 24.506 97.87 112.126 0.9070739 24.722 100.159 111.964 0.88678241 24.939 98.938 107.753 0.92416123 25.145 105.064 112.126 0.89452356 25.365 102.449 111.478 0.86867207 25.572 96.802 110.83 0.8970918 25.787 100.879 110.992 0.91808175 26.003 101.926 112.126 0.91700161 26.209 104.367 111.478 0.88410085 26.416 102.449 110.992 0.93593041 26.621 98.785 109.372 0.91802875 26.833 103.844 110.344 0.89117333 27.039 99.396 111.64 0.89408102 27.249 101.751 112.612 0.91578947 27.466 100.705 111.154 0.92031366 27.671 98.938 110.182 0.88365903 27.888 102.623 108.077 0.90199166 28.094 99.396 107.915 0.90325467 28.303 98.328 109.535 0.91711458 35 El la Tabla 7 se puede observar un ejemplo de 20 registros calculados automáticamente con Excel. Tras calcular más de 1.000 registros a diferentes rangos de revoluciones, el coeficiente de corrección que se obtiene es 𝑥𝑥= 0,915. Una vez solucionado este inconveniente y realizados los ensayos, podemos calcular las relaciones de trasmision para cada una de las cajas de cambio. Para ello simplemente cargamos todos los datos de cada ensayo en Excel, aplicamos el coeficiente de corrección a la columna de velocidad de salida y calculamos la relación de trasmisión para cada instante de tiempo. Finalmente hacemos la media para todos los instantes de tiempo. Obtenemos así los siguientes datos Tabla 8. Relaciones obtenidas en el ensayo Ensayo 318tds 1ª 5,4330:1 5,43:1 2ª 2,9430:1 2,95:1 3ª 1,8048:1 1,81:1 4ª 1,2601:1 1,26:1 5ª 0,9999:1 1,00:1 Reversa 4,9524:1 4,96:1 Observamos que coinciden casi a la perfección con las de la caja 318tds, por lo que podemos confirmar la hipótesis de que nuestra caja de cambios se trata de la caja asociada al motor 318tds, montada en un BMW E36. 42 4.4. Tercer ensayo Una vez sustituidos los tornillos y antes de comenzar el tercer ensayo, se revisa el protocolo que causó la rotura anterior. Se detecta que, para la fase cargada, no estaban encendidas las alertas encargadas de detener la máquina en caso de superar el par establecido. Figura 42. Alertas de ensayo activadas Con las alertas correspondientes configuradas, se realizarán 3 tipos de ensayos y análisis a la caja. De calentamiento, sin par y con par. El objetivo de realizar un segundo lote de ensayos sin par es el de testear el software de procesado de datos. Para el procesado de datos se recurre a la segunda de las aplicaciones desarrolladas por M. De Los Santos Dominguez, Análisis de ensayo. Esta app de MATLAB nos permite introducir un fichero en formato .txt con los resultados de cada ensayo, y lo procesa filtrando las señales, segmentando el ensayo, y ofreciendonos parámetros como la potencia, rendimiento o relación de cambio. Cada una de estas opciones se irá comentando en detalle posteriormente. El primer paso para usar la app es tener los datos de cada ensayo en un fichero .txt con cinco columnas separadas por tabulador, ordenadas de la siguiente forma: tiempo, velocidad de entrada, par de entrada, velocidad de salida y par de salida. El fichero no debe contener cabeceras ni títulos en las columnas o filas. Los ficheros que guarda el Software del ensayo contienen cabeceras y algunas columnas extra. Además, se genera un fichero por cada fase del ensayo ejecutada, cuando realmente necesitamos un único fichero que contenga todo el ensayo. También debemos aplicar el coeficiente de corrección a las velocidades de salida. Para depurar y montar los ficheros recurrimos a excel. Creamos una macro que elimina automáticamente las cabeceras y columnas innecesarias de cada uno de nuestros ficheros, además de aplicar el coeficiente de corrección a la columna de velocidades de salida. Posteriormente, se unen todas las fases de un mismo ensayo. 43 4.4.1. Análisis ensayo sin par Tras realizar los ensayos a distintos regímenes de vueltas sin ninguna carga resistente aplicada, los resultados obtenidos son los siguientes: Figura 43. Primera marcha sin par (gráfica velocidades) Figura 44. Primera marcha sin par (gráfica pares) Las gráficas obtenidas presentan ruido procente de vibraciones en los sensores y del campo magnético que generan los motores. Para suavizar la señal, el programa permite la selección de dos filtros, uno para velocidades y otro para pares. Tras aplicar el filtro las gráficas quedan de la siguiente forma 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 200 400 600 800 1000 1200 velocidad [rpm] Sin Filtro w<30 rpm Entrada Salida 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 par [Nm] Entrada Salida 44 Figura 45. Primera marcha sin par (gráfica velocidades filtrada) Figura 46. Primera marcha sin par (gráfica pares filtrada) Acoplando las gráficas de pares con velocidades podemos sacar algunas conclusiones inciales 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 200 400 600 800 1000 1200 velocidad [rpm] W entrada W salida 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 par [Nm] T entrada T salida 45 Figura 47. Primera marcha sin par (gráfica pares y velocidades) Se puede observar que a medida que aumentamos la velocidad de giro, el par resistente disminuye (recordemos que no estamos aplicando ningún par aun). Caso contrario ocurre con la potencia, que para dotar de mayor velocidad a la caja requerimos ir aumentándola. Figura 48. Primera marcha sin par (velocidades y potencia) Para realizar un análisis discreto de los parámetros, segmentaremos el ensayo y tomaremos los valores medios de cada intervalo. De esto se encarga automáticamente el programa, requiriendo únicamente introducir las tolerancias. 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 200 400 600 800 1000 1200 velocidad [rpm] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 par [Nm] W entrada W salida T entrada T sallida 050 100 150 200 250 300 350 tiempo [s] 0 200 400 600 800 1000 1200 velocidad [rpm] 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 potencia [W] W entrada W salida P entrada P sallida 46 Figura 49. Primera marcha sin par (segmentación) En el análisis discreto podemos obtener parámetros como la relación de transmisión o el rendimiento según la velocidad de entrada. Como era de esperar, para el caso del rendimiento, a mayores velocidades de giro peor es el rendimiento, debido a las mayores pérdidas mecánicas. Para el caso de la relación de transmisión, esta se mantiene constante durante todo el ensayo, son un valor de 0,1837 (salida entre entrada), o lo que es lo mismo, 5,4437 (entrada entre salida). Cifra que comparada con el valor de 5,43 ofrecido por el fabricante valida los buenos resultados del ensayo. 47 Figura 50. Relación de transmisión primera marcha Figura 51. Rendimiento según velocidad de entrada Para hacer un análisis del resto de relaciones, emplearemos las mismas tolerancias y filtros. Tabla 11. Filtros empleados Filtro w<30rpm Filtro Velocidad Filtro Par Tolerancia Velocidad Tolerancia Par SI 5 60 13 15 Tras analizar las 5 relaciones a diferentes regímenes de velocidad podemos elaborar las siguientes tablas Tabla 12. Rendimiento en vacío a diferentes regímenes Rendimiento en vacío a 500 r.p.m. Rendimiento en vacío a 750 r.p.m. Rendimiento en vacío a 1000 r.p.m M1 81.88% 73.00% 64.34% M2 84.75% 79.99% 73.00% M3 88.96% 84.09% 79.37% M4 89.22% 87.06% 83.74% M5 91.22% 89.67% 86.89% 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 relaciones de transmisión 500 600 700 800 900 1000 1100 velocidad de entrada [rpm] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 rendimiento 48 Tabla 13. Pares en vacío Par máximo entrada en vacío (Nm) Par máximo salida en vacío (Nm) M1 14,54 62,54 M2 17,08 42,43 M3 21,07 33,80 M4 26,44 29,53 M5 30,78 28,14 4.4.2. Análisis en el calentamiento En el primer ensayo se habló sobre la necesidad de realizar un calentamiento progresivo a la caja de cambios antes de comenzar con la toma. Para justificar este proceso de calentamiento se estudiará como evoluciona el par tras un tiempo continuado de funcionamiento de la caja. El rendimiento de la caja de cambios está determinado principalmente por las pérdidas de energía producidas por la fricción entre los engranajes, rodamientos y otras partes metálicas en las que se produce contacto con movimiento relativo entre ellas. La energía perdida es liberada en forma de calor. El inconveniente de la fricción no son únicamente estas pérdidas, sino que también produce el desgaste progresivo de las superficies implicadas. Para evitar todo lo mencionado se recurre a un lubricante. Los lubricantes de cajas de cambio suelen ser líquidos viscosos, que forman una capa entre las piezas móviles impiediendo su contacto. Con ellos no solo conseguimos reducir la fricción y el desgaste, sino que también abserberan calor y lo disiparán, evitando el calentamiento excesivo en los puntos de contacto. Además, gracias a la adición de aditivos, los lubricantes logran una excelente protección contra la corrosión, y estabiliza los químicos e impurezas que puedan encontrarse dentro de la caja de cambios. La lubricación de los engranajes suele ser una lubricación hidrodinámica, dependiendo principalmente de la viscosidad. La viscosidad es una propiedad ligada a la tempatura. A mayor temperatura del lubricante, menor viscosidad. Un lubricante frío o a temperatura ambiente fluirá con mayor dificultad entre las superficies metálicas, aumentando la fricción y las pérdidas mecánicas. Para el calentamiento se somete a la caja “fría” a dos ciclos sin par resistente de 5 minutos cada uno. Tras este calentamiento de 10 se observa que el par resistente disminuye de forma gradual. Figura 52. Calentamiento de la caja (velocidades y par) 0 100 200 300 400 500 600 tiempo [s] 0 10 20 30 40 50 60 par [Nm] 0 200 400 600 800 1000 1200 velocidad [rpm] T entrada T salida w entrada w sallida 49 Figura 53. Calentamiento de la caja (rendimiento) Además, el rendimiento va aumentando conforme aumenta la temperatura. Desde el propio software en el equipo del banco de ensayo, se observa que el rendimiento se estabiliza de 10 a 15 minutos a velocidad continua. 4.4.3. Análisis con par Para estudiar el comportamiento de la caja ante pares resistentes configuramos los ensayos acordes a la Tabla 10. Pares resistentes por marcha. Comenzando por la primera marcha, a un régimen de 750 r.p.m. se mantendrán diferentes pares: Tabla 14. Ensayo con par a 750 r.p.m. primera marcha Marcha V Entrada (r.p.m.) V Salida (r.p.m.) Par 1 (Nm) Par 2 (Nm) Par 3 (Nm) Par 4 (Nm) Par 5 (Nm) 1M 750 138 0 41 83 124 165 Distribuidos temporalmente de la siguiente forma: Tabla 15. Ensayo con par a 750 r.p.m. primera marcha (distribución temporal) Fase 1 r.p.m. 0 750 750 750 750 750 750 Tiempo 0:00:00 0:00:30 0:01:00 0:01:10 0:01:40 0:01:50 0:02:20 Par (Nm) 0 0 0 41 41 83 83 Fase 2 r.p.m. 750 750 750 750 500 250 0 Tiempo 0:00:00 0:00:30 0:01:00 0:01:10 0:01:40 0:01:50 0:02:20 Par (Nm) 124 124 165 165 0 0 0 Una vez iniciado el ensayo, transcurren los primeros treinta segundos en los que el motor gana velocidad hasta alcanzar las 750 r.p.m. deseadas. Esta velocidad se mantiene durante 30 segundos sin par resistente alguno. Después comienza el tercer intervalo, con una duración de 10 segundos, en los cuales el freno motor actuará progresivamente hasta alcanzar un par de 41 Nm. Es durante esta sub-fase de incremento de par en la que se escucha un fuerte ruido y comienza a vibrar el banco. Ninguna alarma salta, por lo que se decide presionar la seta de emergencia, deteniendo el ensayo en pocos segundos. Se inspecciona el banco en busca de fallas, pero no se observa ninguna. Los ejes se encuentran correctamente acoplados y al hacerlos girar con la mano transmiten el movimiento de forma correcta, aunque alternando la 0 100 200 300 400 500 600 tiempo [s] 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 rendimiento Rendimiento 50 dirección de giro se detecta un poco de holgura. Se inicia un ensayo con control manual para comprobar si el problema persiste. Al acelerar el eje de entrada se vuelve a escuchar el ruido, que tras detener la aceleración y permanecer a velocidad continua, deja de escucharse. Se pueba a añadir algo de par resistente, y rápidamente se escucha el ruido y se observa que existe movimiento relativo entre la salida del motor y la entrada de la caja de cambios. Figura 54. Fallo en acople de ejes Todo parece indicar que las chavetas se han roto o desgastado, y que al someterlas a esfuerzo saltan entre dientes del eje estriado. El eje primario de la caja de cambios es un eje estriado de acero templado de gran dureza. Véase la Figura 59 como referencia. Figura 55. Eje primario de la caja de cambios El eje del motor se acopla al de la caja de cambios mediante dos prisioneros dispuestos de forma radial. Estos prisioneros son similares a los de la Figura 60. y Figura 61. 51 Figura 56. Anillo para prisioneros Figura 57. Prisionero El prisionero se compone de un tornillo de cabeza hexagonal, que presiona un cilindro de acero inoxidable con forma de cuña por el extremo que entra en contacto con las ranuras del eje primario de la caja de cambios. Al desmontar los ejes, se observa que esta pieza de acero inoxidable está completamente mellada, siendo esta la causa del fallo. El eje primario se ve en buen estado. Se procede entonces a fabricar otro prisionero, cortando una sección de un cilindro macizo de acero inoxidable y limando su extremo para darle la forma de cuña. Tras montar nuevamente todo, y volver a realizar los ensayos, vuelve a patinar el eje motor respecto al de la caja de cambios. Se reaprietan los tornillos al máximo par admisible, y se reinician por tercera vez los ensayos. Recordemos que se debe llegar hasta los 165 Nm de par resistente en esta fase, y apenas se han podido sobrepasar los 40 Nm, es decir, una cuarta parte del objetivo. Es por ello por lo que se decide crear una nueva fase de ensayo que simplemente incremente el par resistente poco a poco a bajar revoluciones, para verificar que las piezas instaladas son capaces de soportarlo, y que, en caso de no hacerlo, fallen a bajas vueltas minimizando el riesgo de ocasionar daños al banco. Tras iniciar la fase de escada progresiva de par, salta la alarma deteniendo el ensayo. El programa ha detectado que se ha superado la limitación de 200 Nm a la salida. El programa estaba solicitándole al banco unos 60 Nm de par en el freno motor, por lo que los 200 Nm detectados se corresponden a ruido en los sensores de par. Como puede observarse en la Figura 62, en pocos segundos el par a la salida asciende de forma exponencial mientras que la entrada, pese a contar también con ruido, sube con mayor estabilidad. Se prueban diferentes combinaciones de velocidad y subidas de par, pero siempre ocurre que, en algún momento, un pico en la medida del par de salida hace saltar la alarma. Añadido a esto, a los 5 minutos de probar diferentes combinaciones vuelve a deslizar el eje motor respecto a la caja de cambios, claro indicador de que los prisioneros de acero inoxidable no son adecuados para transmisir los pares deseados.