Powertrain ó Mecanismo de Transmisión
Motor térmico – Motor eléctrico
Caja de cambios
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades 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.
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 mayor que el que proporciona el motor, hay que reducir 10 veces el régimen de vueltas del motor de combustión.
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 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 entiende mejor con la expresión de la potencia P en un eje motriz:
{
}}
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donde:
es la potencia (en W)
es el par motor (en N·m)
es la velocidad angular (en rad/s)
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 potencia constante y viceversa.
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 se necesita de la marcha atrás. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague. Acoplado a la caja 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 que 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 motor de combustión (rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las relaciones cinématicas de engranajes, se demuestra que esta relación es de tipo lineal.
Supongamos que se tiene una caja de cambios de cuatro velocidades que presenta una relación entre velocidad del vehículo y en el motor que obedece a la gráfica anterior.
Obsérvese la zona de máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega a 10 km/h empieza el motor a funcionar fuera de dicha zona, lo que implica pasar a la 2ª velocidad. Al cambiar a dicha marcha, el motor ya funciona en un régimen inferior a dicha zona, pero al acelerar se alcanzará. Al llegar a 50 km/h se repetiría la acción con la 3ª marcha, etc.
La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas (engranajes) dispuestas en tres árboles.
- Árbol (eje) 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 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.
- 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. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje.
Con la “palanca de cambios” se modifica las diferentes relaciones entre los engranajes, lo que determina la posición de la marcha 1º, 2º, 3º,4º ó 5º. 
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.
diferencial
Diferencial
Se conoce como “diferencial” al componente mecánico encargado, de trasladar la rotación, que viene del motor/transmisión, hacia las ruedas encargadas de la tracción.
El objetivo es: administrar la fuerza motriz, en las ruedas encargadas de la tracción, tomando como base, la diferencia de paso o rotación entre una rueda, con relación a la otra. .
Un vehiculo al tomar una curva, una rueda recorre mas espacio que la otra. Si se toma una curva a la derecha, la rueda interna (derecha) recorrerá un distancia menor que la externa (izquierda); igualmente una rueda mas grande, recorrerá mas espacio que una pequeña.
El diferencial tiene la función de corregir estas diferencias a través del mecanismo mostrado en la figura.
Un vehiculo regular, deriva la tracción o fuerza motriz a dos ruedas, que pueden ser las de adelante, o las de atrás; como consecuencia, toman el nombre, tracción trasera, o tracción delantera.
Diferencias entre los motores eléctricos y los térmicos a la hora de entregar el par y la potencia. Es enorme la diferencia de rendimiento energético entre ambos.
Definiciones sencillas comunes a estos motores:
Par motor: Es la fuerza con la que gira el eje del motor. Se mide en Newton/metro (Nm)
Régimen de giro: Es el nº de vuelas que da el eje motor por unidad de tiempo. Se mide en revoluciones por minuto (rpm).
Potencia motor: Es la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo y se obtiene de multiplicar el par por las revoluciones. Se mide en caballos de vapor (CV o HP) o en Kilowatios (kW): 1 kW = 1,36 CV
Par motor: Es la fuerza con la que gira el eje del motor. Se mide en Newton/metro (Nm)
Régimen de giro: Es el nº de vuelas que da el eje motor por unidad de tiempo. Se mide en revoluciones por minuto (rpm).
Potencia motor: Es la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo y se obtiene de multiplicar el par por las revoluciones. Se mide en caballos de vapor (CV o HP) o en Kilowatios (kW): 1 kW = 1,36 CV
Los gráficos de potencia, par y revoluciones definen las relaciones entre estos parámetros para cada motor. Y como luego veremos, los motores eléctricos presentan ventajas importantes frente a los térmicos es este área.
También reseñar que para mover cargas pesadas (locomotoras, camiones, tractores...) se utilizan motores elásticos (buenos valores de par desde bajas vueltas) y de par muy elevado, mientras que para cargas ligeras o competición se utilizan motores muy revolucionados, en los que el par a bajas vueltas no es tan importante.
También reseñar que para mover cargas pesadas (locomotoras, camiones, tractores...) se utilizan motores elásticos (buenos valores de par desde bajas vueltas) y de par muy elevado, mientras que para cargas ligeras o competición se utilizan motores muy revolucionados, en los que el par a bajas vueltas no es tan importante.
Un ejemplo: cualquier motor turbodiesel actual de 2 litros tiene un par motor similar o superior a un motor de F1, pero mientras que el 1º lo alcanza a menos de 2000 rpm, el otro lo alcanza a más de 15.000 rpm, con lo que las diferencias finales de potencia son abismales.
Entrando ya en materia, en el gráfico superior podemos ver las curvas típicas de un motor eléctrico y de un motor de gasolina de 1600 cm3. Hemos comparado dos motores de Nissan de 109 CV de potencia. La potencia máxima es la misma, pero en realidad el motor eléctrico es más potente es casi todas las circustancias: hasta 1000 rpm ofrece más del triple de potencia, hasta 2000 rpm más del doble y aunque las curvas se van acercando hacia las 6.000 rpm, el gasolina corta a 6.500 rpm y el del Leaf aún ofrece su potencia máxima hasta 9800 rpm y gira hasta las 10.400 rpm. Por eso cuando la gente prueba un coche eléctrico por primera vez, se sorprende por la sensación de potencia a velocidades bajas o medias. No es una sensación, es real. Son mucho más potentes que un vehículo térmico equivalente en esas condiciones.
Otro factor diferenciador importante es que el motor térmico es incapaz de girar por debajo del régimen de ralenti (unas 700 rpm): el giro se vuelve inestable y se para. En cambio el eléctrico es capaz de girar igual de equilibrado y con la misma fuerza (par) a 20 rpm que a 2000 rpm. Y desde 0 rpm dispone ya del par máximo. El motor eléctrico no necesita girar cuando el vehículo está parado, ni un embrague para iniciar la marcha acoplando el mismo a una caja de velocidad o diferencial.
Y como para el inicio de la marcha lo importante es el par y no la potencia, si le acoplásemos una caja de 5 marchas sería capaz de arrancar con toda suavidad con cualquiera de ellas, aunque lógicamente en las marchas largas las aceleraciones serían menos evidentes.
Un dato adicional del Leaf, su caja reductora tiene un desarrollo final similar al de una 2ª típica de un coche térmico (14,3 km/h por 1000 rpm), por lo que alcanza su régimen máximo de giro a 150 km/h, limitando de esta forma su velocidad máxima.
Más gráficos de motores eléctricos: Fluence 95 CV y Kangoo 60 CV. En realidad estamos ante el mismo motor, como demuestra el hecho de que el par máximo sea idéntico. Cambian las especificaciones, de manera que el motor del Fluence es capaz de mantener el par a más revoluciones.
Llama la atención unas curvas de par atípicas, con un trazo ascendente en las primeras rpm. Renault anunció hace tiempo una limitación electrónica del par a pocas vueltas para conseguir más suavidad y progresividad en las arrancadas.
Quizás la causa hay que buscarla en los desarrollos de transmisión escogidos, aún más cortos que en el Leaf: 11 km/h a 1.000 rpm (Kangoo) y de 12 km/h a 1000 rpm (Fluence). Esto significa que en la Kangoo el motor gira a 12.000 rpm a 130 km/h y en el Fluence gira a más de 11.000 rpm a 135 km/h.
Volviendo al primer gráfico, el del motor del Tesla Roadster, vemos que el motor se estira hasta unas increíbles 14.000 rpm, manteniendo un par constante desde 0 hasta 6.000 rpm, para luego decaer de forma rápida, dando lugar a una curva de potencia más "puntiaguda" de lo habitual en los motores eléctricos. En este caso, y dada la orientación deportiva del modelo, quizás si hubiese estado justificada la adopción de una caja de cambios con dos o tres marchas (no haría falta más) para aprovechar todo su potencial. De hecho las primeras unidades llevaban una caja Magna de dos velocidades que terminó siendo desechada por factores como fiabilidad, coste y peso, a pesar de conseguirse mejores prestaciones.
Rendimiento energético
En un motor eléctrico es la relación entre la energía eléctrica que absorbe y la energía mecánica que ofrece. En los coches eléctricos se montan motores de alto rendimiento, con una eficiencia media del 90%. Algunos fabricantes presumen de un rendimiento de hasta un 95% (figura de abajo, motor Renault), pero probablemente se refiera al valor típico y no al valor medio.
En un motor eléctrico es la relación entre la energía eléctrica que absorbe y la energía mecánica que ofrece. En los coches eléctricos se montan motores de alto rendimiento, con una eficiencia media del 90%. Algunos fabricantes presumen de un rendimiento de hasta un 95% (figura de abajo, motor Renault), pero probablemente se refiera al valor típico y no al valor medio.
En los motores térmicos la eficiencia energética es la relación entre la energía contenida en el combustible y la energía mecánica ofrecida. Su rendimiento es muy inferior al de los motores eléctricos, ya que la combustión genera mucho calor que no es aprovechable y son necesarias muchas piezas móviles que generan pérdidas por rozamientos. La mayor parte de la energía se pierde en forma de calor, bien a través del radiador, escape, bloque motor.... Hay muchas cifras contradictorias en cuanto a sus rendimientos reales en función de las condiciones de estudio y el tipo de motores. En general se estima un límite del 25% para los motores de gasolina y del 30% para los grandes motores diésel.
Dado que 1 litro de gasolina contiene una energía equivalente de 9,7 kWh y el litro de gasóleo contiene 10,3 kWh, podríamos llegar a comparar la eficiencia de diferentes vehículos (ojo, eficiencia del coche, no del motor). Por ejemplo, podemos comparar un eléctrico como el Leaf, con un gasolina eficiente como el Golf 1,4 TSI 122 CV y un diésel como el Golf 1,6 TDI 105 CV. Sus consumos homologados son:
Dado que 1 litro de gasolina contiene una energía equivalente de 9,7 kWh y el litro de gasóleo contiene 10,3 kWh, podríamos llegar a comparar la eficiencia de diferentes vehículos (ojo, eficiencia del coche, no del motor). Por ejemplo, podemos comparar un eléctrico como el Leaf, con un gasolina eficiente como el Golf 1,4 TSI 122 CV y un diésel como el Golf 1,6 TDI 105 CV. Sus consumos homologados son:
* Leaf: 13,7 kWh/100 km / 0,85 (rendimiento estimado carga batería) = 16,1 kWh/100 km
* Golf 1,6 TDI: 4,7l/100 km x 10,3 kWh = 48,4 kWh/100 km
* Golf 1,4 TSI: 6,0 l/100 km x 9,7 kWh = 58,2 kWh/100 km
El rendimiento energético del vehículo eléctrico triplica al del vehículo térmico.
En este último gráfico vamos a ver otra diferencia entre el rendimiento de los motores eléctricos y los térmicos.
Primero explicaremos este gráfico de eficiencia del Leaf: la línea superior corresponde al valor del par con carga máxima (acelerador a fondo), mientras que la línea horizontal (valor par = 0) refleja el valor sin carga. Para todas las situaciones posibles de rpm, par y cargas, el gráfico nos asigna un valor de eficiencia mediante el gradiente de color.
Lo primero que llama la atención es que la eficiencia es bastante homogénea y siempre superior al 85%. Y la máxima eficiencia se consigue con cargas parciales medias y altas y a rpm elevadas. Esto es típico de los motores eléctricos. La zona de mayor eficiencia está situada a un régimen claramente por encima del par máximo.
Primero explicaremos este gráfico de eficiencia del Leaf: la línea superior corresponde al valor del par con carga máxima (acelerador a fondo), mientras que la línea horizontal (valor par = 0) refleja el valor sin carga. Para todas las situaciones posibles de rpm, par y cargas, el gráfico nos asigna un valor de eficiencia mediante el gradiente de color.
Lo primero que llama la atención es que la eficiencia es bastante homogénea y siempre superior al 85%. Y la máxima eficiencia se consigue con cargas parciales medias y altas y a rpm elevadas. Esto es típico de los motores eléctricos. La zona de mayor eficiencia está situada a un régimen claramente por encima del par máximo.
¿cuál sería la recomendación para un vehículo eléctrico si dispusiésemos de una caja de cambios con varias relaciones? Al insertar una marcha larga disminuyen las rpm del motor al tiempo que aumentan las cargas y el par. Si volvemos al gráfico vemos que la respuesta no está clara: una disminución del régimen nos podría sacar de la zona más eficiente, mientras que un aumento del par nos podría favorecer. En todo caso hablaríamos de diferencias mínimas de eficiencia.
La conclusión es que una caja de cambios no aporta una mejora significativa en el consumo en los vehículos eléctricos, al contrario de lo que se comenta habitualmente, seguramente por una asimilación del modelo de los motores térmicos.
Curiosidad: ¿Sabes de dónde proviene lo de HP? Horse Power (fuerza de caballo). Ocurrió que en Inglaterra a fines del siglo XVIII, con el advenimiento de las máquinas de vapor para aplicaciones agrícolas, los campesinos preguntaban a los fabricantes a cuantos caballos podían reemplazar con aquellas máquinas.
De la medida promedio de la potencia que desarrollaba un caballo de carne y hueso nació el Horse Power, o como le llamamos nosotros "caballo de fuerza".
Los franceses estaban por entonces en un grado de desarrollo similar, y por no usar la misma denominación que los del otro lado del canal de la Mancha inventaron el CV o caballo vapor, que era muy parecido al HP inglés pero no exactamente igual... es decir que era un HP francés.
1 HP --------- 746 Watts 1 CV ----------- 736 Watts
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Fuente:
Wikipedia, la enciclopedia libre/ www.teslamotors.com/ www.nissan.com/
Rosario, Marzo2013.- Recopilación, traducción, adaptación
Ing. Ricardo Berizzo - U.T.N.Rosario
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