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05-Cadenas cinemáticas

Los trenes de poleas y de engranajes que hemos visto son un caso particular de asociación de distintos mecanismos. El elemento de salida de uno es el de entrada del siguiente.

La cadena cinemática más extendida e importante en la actualidad es, sin duda, el motor y el sistema de transmisión de un automóvil, donde se transforma la energía del combustible en el giro de las ruedas, y por tanto, en velocidad del vehículo.

En esta página se hace un análisis del sistema completo:


MOTOR

En la gran mayoría de los automóviles modernos, se trata de una máquina térmica de combustión interna, ésto significa que se aprovecha la energía de un combustible para transformarla en un giro. Aunque existen otros tipos, el modelo universal es el motor de cuatro tiempos, en el que un émbolo se desplaza arriba y abajo por el interior de un cilindro para mover una biela que al final hace girar el cigüeñal (pulsa sobre la imagen para ver la animación):

https://sites.google.com/site/tecnorlopez32/tema5-mecanica/05-cadenas-cinematicas/motor.gif

Las válvulas de admisión (dan entrada a los gases frescos) y de escape (permiten salir a los gases quemados hacia el tubo de escape) se accionan mediante un árbol de levas. En motores más avanzados se disponen un árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de escape.

Como sólo se genera energía en uno de los cuatro movimientos, se disponen más cilindros para que haya alguno en el tiempo de explosión-expansión, y éste pueda impulsar al resto. Por eso los motores de cuatro cilindros son los más utilizados en automoción. También se pueden disponer más cilindros para obtener un funcionamiento más suave, o colocarlos en V para que ocupen menos:

 

Motor de 4 cilindros en línea

 

Motor de 6 cilindros en V


Además de la propia potencia del motor (que se suele expresar en caballos de vapor), de un motor se expresa la velocidad de giro a la que se produce y el par, aunque éste se puede calcular mediante la expresión:

P = C · ω

con la potencia P en Vatios, el par C en Newton·metro y la velocidad de rotación ω en radianes partido por segundo.


EMBRAGUE

En los automóviles se trata casi siempre de embragues de fricción de disco, como los que se trataron en los acoplamientos. La potencia máxima que se puede transmitir sin que el embrague patine depende de la superficie de fricción, del coeficiente de rozamiento y de la fuerza con que se comprima el disco de embrague.


CAJA DE CAMBIOS

El motor de un vehículo puede girar entre un margen de velocidades limitado (entre 1000 y 7000 rpm en motores de gasolina y de 1000 a 5000 rpm para motores Diesel), pero los vehículos necesitan una variación de velocidad en las ruedas mucho mayor. Por ello se disponen unos engranajes con distinta relación de transmisión de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas.

Para ello se disponen un árbol primario con ruedas dentadas unidas a él y que recibe el giro del embrague. Estos piñones primarios engranan constantemente con las ruedas dentadas del eje secundario, que pueden girar libremente sobre él. Mediante unas piezas desplazables por manguito estriado sobre el eje secundario se puede trabar el piñón deseado:

Piezas básicas de la caja de cambios


El desplazable traba la rueda conducida al árbol secundario

En la siguiente animación puedes comprobar el funcionamiento de una caja de cuatro marchas hacia adelante y una marcha atrás (pulsa sobre la imagen para ver la animación).



En los gráficos de la animación anterior se puede comprobar tres detalles:

  • Cuando no hay ninguna marcha engranada (posición neutra o de punto muerto), no se transmite giro hacia las ruedas.
  • El desplazable tiene una pieza con forma cónica. Ésto sirve para intentar igualar las velocidades de giro del piñón y el propio desplazable antes de trabar las piezas.
  • La marcha atrás se consigue introduciendo un piñón loco entre los piñones motriz y conducido.


GRUPO CÓNICO Y DIFERENCIAL

Tras la caja de cambios se produce una nueva reducción mediante dos piñones cónicos que cambian la dirección de giro para transmitirla a las ruedas.


En el grupo cónico se inserta un mecanismo a base de otros cuatro piñones cónicos pequeños, dos de ellos unidos a los palieres y los otros dos (llamados satélites) solidarios a la corona. Se trata del diferencial. Con este ingenio, cuando una de las ruedas presenta más resistencia, los satélites ruedan sobre el piñón de esa rueda y aplican más giro a la rueda opuesta. De esta forma, el vehículo puede tomar curvas ajustando la distancia que recorre cada rueda (pulsa sobre la imagen para ver la animación).


https://sites.google.com/site/tecnorlopez32/tema5-mecanica/05-cadenas-cinematicas/diferencial.gif


Con toda esta cadena cinemática, obtener el par y la velocidad de giro en las ruedas para cada velocidad de giro del motor no es complicado. A continuación se puede calcular de forma igualmente sencilla la velocidad del vehículo con el único dato del desarrollo de la rueda, es decir, lo que avanza ésta en una vuelta.



Para saber más:

Vídeo del funcionamiento del diferencial

Cómo funcionan las cajas de cambios automáticas

Explicación alternativa de las cajas de cambio

How automatic transmissions work




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