Bases teóricas de la propulsión automotriz.

La potencia requerida para que un vehículo automotriz (cualquier medio con propulsión propia que se deslice sobre terreno) se pueda desplazar, depende del trabajo que debe hacer para desplazarse, vale decir las fuerzas que debe vencer en el recorrido y la velocidad a la cual se desplaza. El combustible consumido representa la energía consumida, que para estos efectos es lo mismo que el trabajo efectuado por el motor equivalente a la integración de la potencia desarrollada por el motor en cada instante del recorrido considerado.

El combustible consumido en un trayecto determinado va a depender de factores técnicos definidos como se explicará más adelante que están condicionados por características técnicas del vehículo, del camino, ambientales, de operación y del operador.

Fuerzas que el vehículo debe vencer para desplazarse.

La sumatoria de fuerzas que el vehículo debe vencer para desplazarse esta representada por la fuerza en la llanta Fll, que se aplica en la periferia de las ruedas o elemento motriz en su contacto con la calzada o suelo.

La fuerza en la llanta Fll, obtiene al sumar las diferentes resistencias encontradas en el camino, que son la resistencia de rodadura Fr, la resistencia impuesta por el aire Fa, la resistencia impuesta por las pendientes Fp y la resistencia de inercia Fi en el caso de la aceleración. Algunas de estas no existen como en el caso de caminos planos (F p=0) o cuando se desplaza a velocidad constante (Fi=0). Luego:

La potencia en la llanta Pll, resulta de multiplicar la Fll por la velocidad de desplazamiento del vehículo V:

La potencia que debe desarrollar el motor Pe es mayor que la potencia en la llanta, ya que debe suplir las pérdidas en la transmisión desde el acoplamiento en el embrague hasta el los semiejes que accionan las ruedas motrices. Las pérdidas en los diferentes elementos de la transmisión se evalúan por intermedio del rendimiento de la transmisión ηtrans. Luego:

A continuación se dan las expresiones para el cálculo de los diferentes parámetros antes definidos y se analizan a la vez.

Fuerza de rodadura.

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La fuerza de rodadura se calcula a partir de la siguiente expresión:

PBV: peso bruto vehicular, equivalente a la tara del vehículo mas la carga.

f: factor de rodadura.

El peso bruto del vehículo PBV es dependiente de la tara del vehículo, que representa una constante, mas la carga que puede variar desde un valor mínimo hasta completar la carga, lo que hace que la demanda del vehículo sea proporcional a la carga que transporta.

El factor de rodadura f, depende de una serie de factores que se listan a continuación:

Tipo de calzada (concreto, asfalto, calidad de los mismos, tierra apisonada, tierra suelta, ripio, arena, etc.)

Tipo de neumático (radial, convencional, dibujo, fabricante, etc.) Presión de inflado. Diámetro de la rueda. Velocidad

Fuerza impuesta por el aire.

La fuerza impuesta por el aire se calcula a partir de la siguiente expresión:

ρ: Es la densidad del aire ambiente, la que a la vez depende de las condiciones ambientes, presión atmosférica, temperatura y humedad relativa.

Cx: Es el coeficiente de penetración o coeficiente aerodinámico en el sentido de marcha y depende fundamentalmente de la forma aerodinámica del vehículo base y de elementos favorables o perjudiciales que lo modifiquen

A: Area frontal del vehículo expuesta al movimiento.Vrav: Velocidad relativa del vehículo con respecto al aire por lo que se debe de sumar o restar

la componente de la velocidad absoluta del viento en contra o a favor del vehículo respectivamente.

Un análisis de la expresión de cálculo de la resistencia impuesta por el viento y la dependencia de los factores que la conforman, esta queda sujeta a dos factores ambientales como son la densidad del aire y la velocidad del viento, que no son manejables a voluntad. Se debe considerar que la velocidad antes indicada está al cuadrado por lo que tiene una gran influencia en el valor resultante.

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Fuerza impuesta por las pendientes.

La fuerza impuesta por las pendientes se calcula a partir de la siguiente expresión:

α: Angulo entre la horizontal y el plano de la pendiente.

Dado a los ángulos α usuales son pequeños y es costumbre al hablar de pendientes, referirse a la pendiente en %, que representa la tangente del mencionado ángulo multiplicada por 100, se aproxima a la siguiente expresión (en ángulos pequeños menores a 7º el sen es igual a la tg, 12%):

i: pendiente (gradiente) en %

Un análisis de las expresiones anteriores revelan que esta resistencia es considerable para los vehículos de carga y es muy diferente con carga o en vacío.

Fuerza impuesta por la inercia.

La fuerza impuesta por la inercia se calcula a partir de la siguiente expresión:

g: aceleración de gravedad.mr: equivalente en masa que se desplaza linealmente de las masas en rotación.a: aceleración (cambios de velocidad del vehículo en la unidad de tiempo).

Un análisis de la expresión anterior permite ver su relación con las masas del vehículo y su forma de conducción en cuanto a la brusquedad de los cambios de velocidad y mantención de esta constante.

Pérdidas en la transmisión.

Las pérdidas en la transmisión dependen del número de elementos constituyentes de la cadena cinemática motor a ruedas, de la tecnología de los componentes y de las condiciones de operación. La evaluación de estas pérdidas es posible solo con la información de rendimientos dados por el fabricante según condiciones de operación o por ensayos efectuados ex profeso dificultosos de ejecutar. En atención a lo indicado para cumplir

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con los requerimientos del presente trabajo se detallan a continuación los diferentes componentes, variantes y condiciones de operación que inciden en su comportamiento.

Embrague

El embrague mecánico convencional de disco simple o múltiple, de uso generalizado en vehículos de transporte, no tiene pérdidas en su condición de embragado (acoplado). Las pérdidas existen solo en el transiente cuando se hace el cambio o se parte, que pueden variar por las características particulares de su uso por parte del conductor. El embrague puede incluir una pérdida al estar defectuoso y tenga un grado de resbalamiento constante que no le permitirá funcionar en estas condiciones por mucho tiempo.

En el caso de uso de cajas de velocidades automáticas se tiene en vez del embrague mecánico convencional, un convertidor de torque, el que normalmente para cumplir su función incorpora un deslizamiento o diferencia de velocidad motor entrada de caja que incorpora una pérdida que solo desaparece si tiene un dispositivo de bloqueo que actúa cuando no se requiere el efecto de convertidor de torque.

Caja de velocidades (Cajas de cambio)

Las cajas de velocidades, sean estas mecánicas, mecánicas automatizadas o las llamadas cajas automáticas tienen todas como elementos comunes engranajes, cojinetes de diverso tipo, ejes, dispositivos particulares y aceite, todos los cuales presentan una resistencia que se traduce en pérdidas.

Las pérdidas evaluadas a través de su rendimiento dependen del número elementos que participan en la transformación del torque vale decir de la cantidad de pares de engranajes y ejes que son requeridos por cada posición de cambio en particular, teniéndose un rendimiento creciente si se considera por ejemplo super primera, un cambio intermedio o directa.

El aceite lubricante de la caja representa una pérdida importante en las cajas no automáticas sobre todo en aquellas que utilizan lubricantes de alta viscosidad, viéndose además influida la pérdida por su estado de temperatura.

Analizadas las características anteriores una caja de velocidades específica incluye una pérdida que va a depender del cambio en que transita y de la temperatura del lubricante si no está en la de régimen.

Cajas auxiliares.

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Dentro de esta categoría se encuentran los duales, las cajas de transferencia para vehículos de tracción total o cualquier otro dispositivo que permita una transformación del torque en la linea de transmisión. Sus características de pérdidas y rendimiento tienen las mismas características de las cajas de velocidades.

Ejes de transmisión (Cardanes).

Los ejes de transmisión, constituidos por los ejes propiamente tales, la unión telescópica estriada y las juntas cardánicas, también aporta pérdidas dependientes del número de componentes y los ángulos que se originan en cada junta cardánica.

Puente motriz

El puente motriz está constituido por el diferencial que básicamente tiene el piñón, la corona, sistema diferencial (satélites y planetarios) y en algunos casos una doble reducción o dual, los semiejes y finalmente el cubo de la rueda donde también existe en algunos casos lo que se llama un reductor de cubo.

Al igual que para el caso de las cajas de velocidades las pérdidas están condicionadas al número de componentes que están actuando según la opción en que se conduzca y la temperatura del lubricante si no está en la de régimen. Cabe mencionar que las pérdidas del diferencial se multiplican cuando la configuración del vehículo contempla un segundo puente motriz y/o tracción delantera.

Pérdidas en accionamiento de accesorios.

Existe una serie de elementos accesorios que son accionados por el motor que consumen energía del mismo, la que no está relacionada con el camino recorrido. Estos elementos son: bomba hidráulica para la dirección, compresor de aire para los frenos, compresor para el aire acondicionado, el alternador que debe suplir los múltiples y variados consumos eléctricos

Pérdidas por regulaciones defectuosas.

Dentro de las pérdidas por regulaciones defectuosas, que son evitables y constituyen un defecto están la mala regulación de frenos y los errores de alineación del tren delantero y falta de paralelelismo de los puentes.

Consideraciones sobre el motor y su consumo.

El consumo específico de combustible, que es una representación indirectamente proporcional a su rendimiento, no es un valor único y varía de acuerdo a las condiciones de carga y velocidad, por lo que dicho de otra forma el motor puede mejorar su rendimiento haciendo lo mismo pero en diferentes condiciones de velocidad y carga como

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sucede por lo general al mantener la velocidad del vehículo en un mismo camino pero pasando al cambio superior.

Funcionamiento en ralentí.

En el funcionamiento en ralentí, el motor consume en función del tiempo y de los accesorios que estén funcionando, pero como no recorre trayecto no queda relacionado con el camino recorrido si se toma este como parámetro de referencia.

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