diferencial, cardan juntas homocineticas
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DIFERENCIAL EN CAMIONES
TREN DE CARDAN
JUNTA HOMOCINETICA
Integrantes:
Deiver Pérez Mat. 17933
Pedro Sanchez Mat 18638
Junio 2013
EJE TRASERO DIFERENCIAL
Como su nombre lo dice, transmitir el giro del motor de la mejor manera
posible y de modo diferente a cada una de las ruedas motrices, permitir salir de la
inercia cuando la maquina esta detenida, cuando el motor solo puede aportar un
mínimo torque (caja mecánica), vencer grandes obstáculos geográficos empujando
la maquina cuando va de subida o frenando cuando esta bajando, lograr de manera
sostenida altas velocidades de crucero, permitir doblar sin que se estropeo ningún
mecanismo de tracción, muchas otras funciones.
Los puentes traseros son del tipo flotante, algunos con dos reducciones y una
sola velocidad; la reducción final se consigue en dos fases, la primera mediante un
conjunto de engranajes cónico espirales denominados piñón / corona, la segunda a
través de engranajes epicíclicos de reducción en los cubos reductores de las masas
de las ruedas traseras, proporcionando ambos sistemas la reducción total del
puente posterior.
Son muy resistentes, pueden ser de chapa embutida de acero especial, soldado,
con una caja central que le proporciona una resistencia máxima a la flexión. En la
caja central se aloja el grupo diferencial. Una configuración ideal es aquella de
doble reducción, esta le proporciona notables beneficios. Cuando así ocurre, la
reducción en el grupo diferencial es baja. La corona es de pequeño diámetro, bien
soportada, expuesta a mínimas deformaciones, en tanto que el piñón es grande y
soportado por robustos rodamientos de rodillos cónicos sobre un eje de gran
diámetro.
El pequeño tamaño del conjunto de engranajes requiere de un alojamiento
relativamente pequeño, con lo que es posible disponer de una altura máxima entre
el suelo y la armazón del puente favorable a condiciones de camino severo. Por
otra parte esta baja reducción del grupo permite a los semiejes (palier) trabajar en
condiciones muy favorables, puesto que el par transmitido es inferior o no muy
superior al doble del correspondiente al del cambio de velocidad empleado.
La última reducción se lleva a cabo en los extremos de los ejes, en una caja de
planetarios que se aloja en el extremo del cubo de rueda:
Ej... Reducción del piñón corona
2,5: 1, reducción final en el cubo de rueda 3,66:1, total de la reducción del eje
trasero es igual a 6,16: 1
En un puente de diseño normal, la carga del eje palier es de cinco a nueve veces
mayor al del cambio de velocidad utilizado.
Hay 2 tipos de fallas en los engranajes, las más comunes:
A.- Ruptura de dientes por esfuerzos de flexión.
B.- Picaduras de dientes debido a esfuerzos superficiales y fatiga del lubricante.
La falla por ruptura de dientes es catastrófica (flexión) ya que por lo general la
ruptura de un diente deshabilita la maquina.
La falla por picaduras llega gradualmente y da una advertencia audible
(predictiva), de ser posible se pueden revisar los dientes sin desarmar demasiado
el equipo. Los engranajes pueden seguir operando durante cierto tiempo después
de que se inicie la picadura antes de tener que reemplazar los totalmente.
Ambos modos de falla son fallas por fatiga debido a esfuerzos repetidos de los
dientes individuales conforme entran y salen del acoplamiento. Una geometría
adecuada del diente es vital para la operación y vida de los engranajes dado el
perfil de los dientes.
Pruebas extensas de materiales para fabricar engranajes bajo situaciones de
carga real, en combinación con años de experiencia acumulada por los fabricantes
han resultado en un conjunto de ecuaciones probadas para el calculo tanto de los
esfuerzos como de la resistencia a la fatiga por flexión y superficial de los
engranajes.
Llegado el momento de una mantención debido a uso prolongado, esta debe ser
al menor costo posible, debe involucrar aspectos de los rodamientos, lainas de
ajuste, golillas espaciadoras.
BREVE DESCRIPCION DE LA TRANSMISION EN UN AUTO DE
TRACCION TRASERA
El motor funciona y entrega su potencia mediante un movimiento rotativo en el
cigüeñal. Ese giro del motor es el que se aprovecha para transmitirlo a las ruedas
de un auto y hacer que el mismo se mueva. Desde la salida del motor (cigüeñal),
hasta llegar a las ruedas, el movimiento "pasa" por los elementos que permiten
transmitirlo:
• Embrague
• Caja de cambios
• Cardan
• Diferencial
• Palieres
A todo este conjunto se lo denomina TRANSMISION
.
VELOCIDAD DE ROTACION: Necesidad de reducirla, el movimiento desde el
cigüeñal no se debe transmitir directamente a las ruedas.
La potencia de un motor aumenta con el número de rpm hasta que se alcanza lo
que se llama "velocidad de régimen".
Si un auto vá por un camino horizontal a la máxima velocidad que le permite
su motor, al abordar una subida no podrá subirla a la misma velocidad que en el
llano, ya que el esfuerzo de subir la pendiente absorberá parte de la potencia del
motor. Las resistencias al avance que se presentan, pueden terminar por consumir
toda la potencia de un motor. Y eso es lo que ocurriría si desde el cigüeñal
directamente se transmitiera su movimiento a las ruedas traseras, pues las
resistencias que éstas sufren se aplicarían directamente a frenar el giro de aquel.
Mediante los mecanismos de la caja de velocidades y de corona-piñon del
diferencial, la rotación del cigüeñal se transmite a las ruedas de tal forma que,
cuando el auto vá despacio porque el motor agota su fuerza (ej.: en una subida), es
posible alterar la transmisión (bajando un cambio) para lograr que aún yendo
despacio el auto, su motor vuelva a girar rápido dando la potencia necesaria para
subir. Es por esto que se utilizan en el auto sistemas de transmisión- reducción por
medio de engranajes.
En la caja de cambios hay un grupo de reducción y en el diferencial, otro.
PRIMERA ETAPA EN LA REDUCCION: Caja de cambios
Tomaremos como ejemplo un vehiculo Ford determinado. Su caja de cambios
tiene cuatro marchas, y está definida por las relaciones entre sus engranajes.
Por ejemplo una de las cajas de Ford posee las siguientes relaciones
• 1º marcha 3,11:1
• 2º marcha 2,20:1
• 3º marcha 1,47:1
• 4º marcha 1:1
Dependerá de la marcha en la que avance el auto, el lograr las diferentes
reducciones
En primera marcha el motor gira 3,11 veces para lograr un giro a la salida de la
caja. Por eso se la denomina relación 3,11 a 1. En este caso en la caja se produce
una importante reducción. Con esto se logra fuerza y no velocidad. Por eso se usa
la primera marcha para arrancar ó en una subida.
En segunda marcha el motor gira 2,20 veces para lograr un giro a la salida de
la caja. Por eso se la denomina relación 2,20 a 1
En tercera marcha el motor gira 1,47 veces para lograr un giro a la salida de la
caja. Por eso se la denomina relación 1,47 a 1
En cuarta marcha el motor gira 1 vez para lograr un giro a la salida de la caja.
Por eso se la denomina relación 1 a 1. Como puede verse la cuarta marcha es
directa, o sea tiene relación 1:1. Quiere decir que por cada giro del motor, a la
salida de la caja hay tambien un giro de motor. No hay reducción allí. Todo lo que
gire el motor se transmite a la salida de la caja. Poca fuerza y mucha velocidad.
SEGUNDA ETAPA EN LA REDUCCION: El diferencial
La salida de la caja de cambios se comunica con el diferencial a través de un
eje llamado cardan. No hay reducción de velocidades de giro apreciables aquí. Al
llegar el movimiento de rotación del cardan al diferencial, se produce la segunda
reducción. Y ocurre a través del conjunto Corona-Piñón del diferencial.
En los diferenciales hay tambien engranajes que cumplen esa función llamados
Corona y Piñón.
RELACION DE DIFERENCIAL:
De la división entre la cantidad de dientes de la corona y el piñón surge lo que
se conoce como Relación de Diferencial expresada por un número referido a la
unidad.
Por ejemplo si la corona tiene 46 dientes y el piñón tiene 13 dientes, diremos que
la relación es de 3,54 a 1 (aunque en realidad la división dá 3,538, por redondeo se
dice directamente 3,54). Esto quiere decir que por cada 3,54 giros que "trae" el
cardan hasta allí, a las ruedas llega solo 1 giro.
Por eso se dice 3,54 a 1,
TREN CARDAN
El cardán es un componente mecánico, descrito por primera vez por Girolamo
Cardano, que permite unir dos ejes que giran en ángulo uno respecto del otro. Su
objetivo es transmitir el movimiento de rotación de un eje al otro a pesar de ese
ángulo. En los vehículos de motor se suele utilizar como parte del árbol de
transmisión, que lleva la fuerza desde el motor situado en la parte delantera del
vehículo hacía las ruedas trasera. El principal problema que genera el cardán es
que, por su configuración, el eje al que se le transmite el movimiento no gira a
velocidad angular constante.
En la actualidad, la configuración más común en los automóviles es el motor
delantero transversal con tracción delantera. En esta configuración, así como en
otras en que el motor se ubica cerca de las ruedas motrices, no se utiliza el cardán.
En estos casos la fuerza se transmite típicamente mediante semiejes y juntas
homocinéticas.
El cardán es fácilmente observable en camiones por tu tamaño abultado, en los
que el árbol de transmisión se observa como una larga pieza de metal que rota
sobre sí misma cuando el vehículo está en marcha. Está ubicada
longitudinalmente entre el motor y el tren trasero donde están montadas las
ruedas, pudiéndose observar un cardán típicamente en el acople con el diferencial
o a la salida de la caja de cambios.
El cardan en si, es el eje que transmite el torque que sale de la caja de cambios
hacia el diferencial, y desde el diferencial se transmite la potencia hacia las
ruedas. Aquí es donde se da la diferencia de un auto con la moto, ya que en los
autos, desde el diferencial se transmite el torque hacia las ruedas mediante
palieres, mientras que en las motos no hay palieres y directamente sobre el
“diferencial” se posa la rueda.
JUNTAS HOMOCINETICAS
El significado de la palabra homocinética es: velocidad constante, es decir, el
trabajo de las juntas homocinéticas es transmitir la fuerza y el movimiento del
motor a las ruedas, de forma constante, permitiendo los movimientos de la
suspensión y la dirección. Funcionan igual que la cadena en una bicicleta, que
transmite el movimiento de los pedales hasta la rueda trasera.
Su principal característica es que esta transmisión se hace constantemente sin
importar que haya cambios en la orientación de la rueda para poder cruzar en las
curvas.
Normalmente van ubicadas en la parte delantera del auto y siempre van en
pareja, es decir, una a la rueda derecha y otra a la rueda izquierda.
Cuando es necesario trasmitir movimiento entre dos árboles concéntricos pero
desviados angularmente se utilizan acoplamientos especiales, uno de ellos,
utilizado con mucha frecuencia, es el cardán, no obstante, los cardanes tienen el
inconveniente de que la velocidad angular del árbol arrastrado no es constante
aunque lo sea la del árbol transmisor, por lo que la trasmisión no es homocinética;
que significa de igual velocidad.
Para lograr la igualdad entre las velocidades instantáneas de los árboles arrastrado y
transmisor se acude a otros tipos de acoplamiento que si son homocinéticos.
La primera posibilidad de lograr una junta homocinética es utilizando un
cardán doble como se muestra en la figura 1.
Figura 1
En este caso, los cambios instantáneos de la velocidad angular de uno de los
cardanes y trasmitidos al cuerpo común, son compensados en sentido contrario
por el otro, de manera que las velocidades angulares instantáneas de los árboles
de entrada y salida son iguales en todo momento.
Este acoplamiento simple, robusto y durable se usa en ocasiones para la
trasmisión de la potencia en los puentes motrices de palieres desnudos en los
automóviles, pero tienen el inconveniente de que su longitud es relativamente
grande y cuando el espacio es muy reducido no son utilizables.
También otro inconveniente de este tipo de unión es que no permiten movimiento
axial relativo entre los árboles transmisor y trasmitido, por lo que si esta
condición es necesaria en el trabajo, hay que dotar al sistema con algún
acoplamiento desplazable intermedio que permita el cambio de longitud.
Otra junta homocinética es la que se muestra en el esquema típico de la figura
2, este tipo de junta es la mas universalmente utilizada en los vehículos ligeros de
tracción delantera y palieres desnudos.
Figura 2
Observe que está constituida por un núcleo interno acoplado a uno de los
árboles de la unión al que se han tallado unas pistas acanaladas con perfil especial,
al otro árbol se acopla otro cuerpo exterior en cuyo interior están talladas también
un número igual de pistas acanaladas. Ocupando el espacio de manera precisa
entre las canales talladas de los cuerpos interior y exterior, están unas bolas de
acero que pueden rodar apoyadas en ambas pistas y embebidas en un lubricante
sólido. Todas estas partes están construídas de acero endurecido para aumentar su
durabilidad.
Con esta construcción los árboles pueden adquirir una posición angular tal y
como se muestra mientras la trasmisión es de igual velocidad, es decir
homocinética.
Este diseño puede soportar grandes ángulos de inclinación, tales como los
necesarios en las ruedas directrices de los vehículos y son de dimensiones
reducidas, además permiten cierta cantidad de movimiento axial entre los árboles,
por lo que encuentran gran aplicación en este campo. Cabe aclarar aquí, que este
no es el único diseño de juntas homocinéticas, pero esta es la "mas típica".
Su principal inconveniente es que deben estar aislados del exterior, para evitar
la pérdida del necesario lubricante y la entrada a la unión de materias abrasivas o
agua desde el exterior. Estas materias extrañas aumentan notablemente el desgaste
de bolas y pistas produciendo holguras inadmisibles en poco tiempo. Como la
inclinación de los dos árboles es variable la cubierta de la junta homocinética no
puede ser rígida, y se acude para ello, a una suerte de acordeón de goma, cuya
durabilidad en una parte de los casos es relativamente corta. En la figura 3 se
muestra una vista real seccionada de una de estas uniones para apreciar el interior,
y en la figura 4, otra con mas detalle: observe el estriado interior de uno de los
cuerpos para introducir uno de los árboles, y el exterior en el otro para acoplar la
carga.
Figura 3 Figura 4
Por último, en la figura 5 una vista real de un palier de automóvil, note el
protector de goma de ambas uniones homocinéticas.
Figura 5
Las juntas homocinéticas actúan cuando el vehículo gira, al caer en un hueco o
golpea sobre el pavimento, ya que las condiciones de giro de los ejes se alteran, y
cada rueda se mueve de manera independiente. Al desplazarse hacia arriba y hacia
abajo, los movimientos de la suspensión también obligan a las juntas y a los ejes a
alargarse o achicarse, moviéndolos hacia adentro o hacia afuera de acuerdo a los
desniveles del terreno.
Comodidad
Son importantes debido a que son elementos de seguridad, además de
proporcionar comodidad y durabilidad a los vehículos. Ahora la mayoría de los
automóviles en todo el mundo están equipados con juntas homocinéticas. La
mayor parte de los automóviles poseen dos semiejes de transmisión
homocinéticos, cada uno con dos juntas, lo que da un total de cuatro articulaciones
o juntas por cada auto.
Las juntas se articulan siguiendo un movimiento hacia arriba y hacia abajo, al
acompañar los movimientos de la suspensión, al pasar por un bache, por ejemplo,
y se mueven hacia los lados, de acuerdo con los movimientos de dirección al
tomar una curva. Las juntas homocinéticas soportan condiciones severas de
funcionamiento. Por lo tanto, aunque parezca sencillo, el trabajo de las juntas
homocinéticas no lo es.
Partes
Las juntas están compuestas por una punta de eje, también llamada campana,
que está conectada al cubo de la rueda, a diferencia de la rótula. Dentro de la
campana hay un espacio donde encajan perfectamente seis esferas de acero. A
través de un anillo llamado jaula, se mantienen las esferas en el mismo plano, sin
que salgan de su lugar. Un anillo interno, también con seis pistas, es acoplado a
ellas. Este anillo está conectado al eje de transmisión, y así lleva el torque del
motor.
Diferencia con las crucetas
Las juntas homocinéticas son dos ejes conectados entre sí por medio de una
articulación que permite que ambos giren juntos y con la misma velocidad,
formando un ángulo máximo de 47° el uno con el otro. Las antiguas crucetas
tenían la misma función, pero los ángulos de sus articulaciones eran muy
limitados, lo que causaba vibraciones incómodas.
Siempre que gira el eje, la pista lo acompaña, moviendo con él las esferas que
harán que se mueva la campana. El movimiento de las esferas dentro de la
campana permite que la junta homocinética trabaje en ángulos.
La importancia de las juntas homocinéticas está en que dan al vehículo una
mayor flexibilidad en su desplazamiento, transmitiendo la fuerza del motor a las
ruedas manteniendo la velocidad y evitando vibraciones durante su manejo. En los
vehículos de tracción delantera no se utilizan cardanes y crucetas porque este
sistema genera vibraciones cíclicas cuando rota con un ángulo de desviación entre
ambos ejes mayor a unos pocos grados.
La geometría del sistema cardánico produce un cambio de velocidad entre el
eje que transmite la potencia y el eje transmitido, que depende del ángulo al cual
esté trabajando el sistema. Mientras mayor sea el ángulo entre los ejes mayor será
esta variación de velocidad.
Esto ocurre ya que el eje que transmite la velocidad mantendrá una velocidad
de giro (revoluciones por minuto) igual a la del motor, pero en cambio, debido a
la geometría en forma de cruz donde el eje transmitido está posesionado a 90
grados del eje transmisor, éste último se ve obligado a acelerar su velocidad
angular para luego desacelerarla alternativamente, 4 veces por cada vuelta
completa, de manera de mantener la misma cantidad de RPM, lo cual genera la
vibración que se mencionó al comienzo.
Ángulo de desviación
Esto no resulta una preocupación en los vehículos de tracción trasera porque el
ángulo de desviación entre el eje del cardán y el diferencial trasero se mantiene
constante y es muy parecido a 0 grados, además las crucetas ubicadas a los
extremos del sistema están posicionadas a 90 grados una de otra de manera de
cancelar el efecto de la vibración.
Por el contrario, en una vehículo de tracción delantera, las juntas que se
encuentran acopladas a las ruedas pueden verse obligadas a trabajar casi a 45
grados cuando las ruedas están totalmente cruzadas hacia alguno de los dos lados.
Esta diferencia entre centros de los ejes es demasiado para un sistema cardánico y
por eso es necesario el uso de sistemas homocinéticos o de velocidad constante.
A diferencia del sistema cardánico, la junta de velocidad constante mantiene la
velocidad de giro (revoluciones por minuto) en el eje transmitido exactamente
igual a la velocidad de giro del eje transmisor sin importar el ángulo al que se esté
trabajando.
CUIDADOS
• Las juntas homocinéticas vienen especificadas, para cada tipo de vehículo. Esto
significa que se debe tener cuidado al cambiarla por otra; 1/2 pulgada de
diferencia en el largo es suficiente para que ésta se salga de posición o se haga
difícil instalarla.
• El puente (cross member) en algunas ocasiones se agrieta; este hecho, con el
movimiento aleja o esfuerza el alcance de la flecha, dando como consecuencia que
ésta se salga de posición o se desconecte de la transmisión.
• En algunos vehículos, al remover las juntas homocinéticas, asegúrese de reponer
el aceite que se le cae. Algunas transmisiones automáticas usan diferencial con
lubricación independiente, que requieren reponer aceite, removiendo un tornillo
grande, ubicado exactamente en el centro de la tapa del diferencial (no caiga en la
falsa impresión, de que tratándose de un vehículo de tracción delantera, con
transmisión, de diferencial integrado, el aceite se surte por el mismo tubo de
alimentación).
BIBLIOGRAFIA
http://www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/0608Diferencial-
Darwin.pdf
http://www.encarreraweb.com.ar/datos_tecnicos/transmisioncalculos.pdf
http://www.sabelotodo.org/automovil/homocinetica.html
http://www.clubmazdavenezuela.com/index.php/publicaciones/87-mecanicos/119-
lo-que-debemos-saber-sobre-las-juntas-homocineticas-tripoides
http://elpesaodelamoto.com/tutoriales/funcionamiento-del-cardan/
http://www.loscardanes.com/index.cfm?section_ID=What