UNIDAD 4 – DIFERENCIAL Y MANDOS FINALES DEL TREN DE POTENCIA DE MAQUINARIA PESADA Y AGRÍCOLA.
INTRODUZCA: NOMBRE CURSO G0205: Características y funciones de los mecanismos del tren
Gildemeister
de potencia de maquinaria pesada y agrícola
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UNIDAD 4 – DIFERENCIAL Y MANDOS FINALES DEL TREN DE POTENCIA DE MAQUINARIA PESADA Y AGRÍCOLA.
Unidad 4: Diferencial y mandos finales del tren de potencia de maquinaria pesada y agrícola.
Material Introductorio: Diferencial y mandos finales del tren de potencia de maquinaria pesada y agrícola.
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UNIDAD 4 – DIFERENCIAL Y MANDOS FINALES DEL TREN DE POTENCIA DE MAQUINARIA PESADA Y AGRÍCOLA.
ÍNDICE DE CONTENIDO
Contenido INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................... 4 TEMA 1: DIFERENCIAL ...................................................................................................................................... 5 1.1
DEFINICIÓN................................................................................................................................................ 5
1.2
COMPONENTES .......................................................................................................................................... 6
1.3
CLASIFICACIÓN ........................................................................................................................................... 7
1.4
RELACIÓN DE TRASMISIÓN .......................................................................................................................... 10
1.5
MECANISMOS DE DESGASTE Y MANTENCIÓN................................................................................................... 11
1.6
FALLAS: CAUSA – EFECTO ............................................................................................................................ 16
TEMA 2: MANDOS FINALES .............................................................................................................................17 2.1.
DEFINICIÓN.............................................................................................................................................. 17
2.2.
COMPONENTES ........................................................................................................................................ 17
2.3.
CLASIFICACIÓN......................................................................................................................................... 18
2.4.
MECANISMOS DE DESGASTE Y MANTENCIÓN................................................................................................... 20
2.5.
FALLAS: CAUSA – EFECTO ............................................................................................................................ 21
CONCLUSIONES ...............................................................................................................................................22 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................................23
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INTRODUCCIÓN En esta unidad estudiaremos los últimos sistemas que participan en el tren de potencia de una maquinaria, el diferencial y los mandos finales.
Primero definiremos en que consiste el diferencial, tanto en las funciones que debe cumplir como los componentes necesarios para que esto se lleve a cabo, describiendo la forma en la cual trabajan para entregar la potencia desde la transmisión hasta su entrega a los mandos finales. Importante es también poder distinguir cuáles son los tipos de diferenciales, así como sus mecanismos de desgaste, donde la fatiga y la lubricación toman una gran relevancia. Finalmente se revisan las fallas más comunes asociadas a los diferenciales en lo que respecta a su causa y efecto.
Por otro lado los mandos finales, transmiten la potencia finalmente al tren de rodaje de la maquinaria, ya sea por reducción simple o doble a través de un piñón recto y un sistema planetario. En este caso la principal actividad de mantenimiento es la lubricación de acuerdo a lo indicado por el fabricante.
Los invitamos a revisar los materiales preparados para ustedes.
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TEMA 1: DIFERENCIAL
1.1 Definición
Un diferencial es el elemento mecánico que tiene dos misiones fundamentales: primero cambiar el flujo de potencia que viene de la transmisión en ángulo recto para accionar las ruedas, y segundo hacer que las ruedas giren a distinta velocidad cuando la máquina efectúa un giro. Para cambiar la dirección del flujo de fuerza no es necesario en realidad un diferencial, sino que es suficiente con un eje cónico y un engranaje, de hecho hay algunas máquinas que llevan un eje de este tipo porque el radio
de
giro
es
suficientemente
lo
amplio
como para no necesitar el efecto
diferencial.
Sin
embargo la mayoría de las máquinas si lo usan, para evitar el desgaste excesivo de
los
neumáticos
proporcionar
y
mayor
maniobrabilidad en los giros.
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1.2 Componentes El diferencial consta de los elementos siguientes:
Corona El conjunto corona consta del piñón de ataque o de entrada y de la corona. El piñón de ataque hace girar a la corona, la corona debido a
su
diámetro
gira
a
menor
velocidad que el piñón de ataque. El piñón de ataque se apoya en cojinetes cónicos ubicados en la caja del piñón. La corona está apernada a la caja del diferencial y la hace girar para la transmisión de potencia.
Cruceta La cruceta es impulsada por la caja del diferencial y sirve de montaje a los piñones diferenciales
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Engranaje satélite Están montados en el eje de la cruceta y transmiten potencia desde la caja del diferencial a los engranajes laterales y desde estos a los ejes laterales o Palieres. Cuando la máquina efectúa un giro
engranajes
satélites
dan
vueltas en torno a los engranajes laterales para que las ruedas puedan girar a distinta velocidad.
1.3 Clasificación
Eje sólido Si el eje trasero tuviera una corona y un juego de piñones, el eje entre las dos ruedas sería de una sola pieza. Las ruedas traseras siempre estarían accionadas a la misma velocidad, y tratarían de ir en la misma dirección y recorrer la misma distancia. Cuando las ruedas delanteras fuerzan la máquina alrededor del giro, las ruedas traseras se resistirán. Las ruedas delanteras tendrán que forzar las ruedas traseras para seguir el giro. Como resultado, los neumáticos delanteros y los traseros se desgastarán excesivamente. Muchas de las otras tensiones y esfuerzos serán evidentes sólo cuando el eje falle. Ejes separados
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Para mejorar la posición del giro, el eje trasero se corta en dos mitades. Si eso es todo lo que se hace, la máquina estará impulsada por una rueda y la otra estará libre. Mientras esto hace más fácil dar el giro, todas las tensiones afectarán sólo un
eje.
En
una
desplazamiento
operación
en
línea
recta,
de el
neumático impulsado se desgastará rápidamente y la máquina tirará de un lado.
Caja del diferencial y engranajes laterales Se pone una caja alrededor de los dos ejes
separados.
La
caja
suministra
soporte a los semiejes. La caja también actúa como contenedora en todos los componentes del diferencial. La caja del diferencial gira con la corona cónica.
Ahora,
adicionemos
un
engranaje al extremo de cada eje. Estos engranajes, generalmente, se llaman engranajes laterales o de salida. Los engranajes laterales giran con los ejes. Los engranajes laterales no están conectados a la caja del diferencial.
Engranajes laterales MATERIAL INTRODUCTORIO UNIDAD 4 | 8
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Los engranajes laterales, según la figura, están estriados al extremo de cada eje. Pueden verse la corona y el piñón. Observe que los engranajes laterales no están estriados a la caja del diferencial. Los
engranajes
laterales
giran
independientemente de la caja del diferencial.
Cruceta y engranajes de piñón del diferencial Los
engranajes
laterales
no
están
conectados directamente a la corona ni a la caja del diferencial. La cruceta tiene cuatro extremos en ángulo recto uno con el otro. Estos extremos se ajustan, a través de orificios, en la caja del diferencial y no tocan los engranajes laterales, sino que giran con la caja del diferencial. Los engranajes se montan en los cuatro extremos de la cruceta. Los extremos de la cruceta van a través de los ejes centrales de los engranajes. Estos engranajes se llaman engranajes de piñón del diferencial, coronas cónicas o engranajes de la cruceta. Los engranajes del piñón del diferencial están en ángulo recto con los engranajes laterales. Los dientes de los engranajes de piñón del diferencial se conectan con los engranajes laterales. Cuando los engranajes de piñón del diferencial giran con la cruceta, los engranajes laterales se mueven con ellos.
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1.4 Relación de trasmisión Existen dos grupos de transmisión en el tren de potencia de una maquinaria:
Caja de transmisión
Diferencial
En estos sistemas se produce una reducción de la velocidad respecto a la velocidad que entrega el cigüeñal, mediante el conjunto corona-piñón.
A modo de ejemplo citaremos la bicicleta, quien haya observado el
funcionamiento de
una bicicleta con cambios habrá notado que con ella se puede viajar a poca velocidad pero pedaleando mucho y con poco esfuerzo o viajar a mucha velocidad pedaleando poco y con mucho esfuerzo. En el primero de los casos la bicicleta va con plato chico y piñón grande, y en el segundo al revés, plato grande y piñón chico. En los diferenciales hay también engranajes que cumplen esa función llamados corona y piñón. El piñón vendría a representar el plato de la bicicleta y la corona el Piñón de la bicicleta. 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 da 3,538, por redondeo se dice directamente 3,54). Esto quiere decir que por cada 3,54 giros que "trae" el eje desde la transmisión hasta allí, a las ruedas llega solo 1 giro. Por eso se dice 3,54 a 1.
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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.
1.5 Mecanismos de desgaste y mantención
Una primera causa es la carga de los elementos rodantes en la pista de rodadura que provoca un descascarillado profundo evidenciando una fatiga en los caminos de rodadura, donde la pista interior es la más lesionada, esto provoca una pérdida de la geometría del eje (grave). Una segunda causa es desgaste por condiciones de servicio, (tracción tenaz en los cambios de fuerza), es decir, alto torque, baja velocidad, escasa ventilación, por lo tanto la temperatura del aceite puede subir a niveles de riesgo este mecanismo debe su existencia al aceite que lo lubrica y lo enfría. La limpieza de la carcasa que soporta los engranajes diferenciales, llegado el momento de disipar las altas temperaturas que se generan en una condición severa de operación, es fundamental, ya que si tiene lodos adheridos, estos se transforman en una verdadera chaqueta térmica
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impidiendo el paso del calor al medio ambiente más frío (la carcasa del diferencial hace de radiador para enfriar el aceite).
Si el rodamiento se deteriora mucho antes de lo esperado, hay que pensar que pudo haber actuado una carga excesiva provocando una tensión desmedida en el eje pasante. De lo contrario pudo darse un error en el montaje o de mantenimiento. Si se comprueba daños por corrosión sería una falla de mantenimiento una causa podría ser por un periodo cambio de aceite muy prolongado o fatiga prematura del lubricante por contaminación con agentes externos (agua, polvo, arena), éste acumula una alta concentración de partículas duras y ásperas (fierro y cobre), lo que hace que la marcha sea irregular y ruidosa, ya que las partículas duras actúan como esmeril provocando desgaste en otros rodamientos y engranajes asociados a la función.
Otra falla de mantenimiento ocurre cuando el sellado es defectuoso frente a la humedad y suciedad del medio ambiente (puede ingresar por el respiradero, por los retenes de los cubos traseros, por las fugas de aceite del diferencial, este puede perder por retenes o empaquetaduras). Todas estas fallas en los procedimientos provocan una alta concentración de agua de condensación al interior de la caja, ayudando a la pérdida de la superficie dura del rodamiento, hace que éste tenga una tolerancia que no debiera tener, de no ser corregidos con urgencia, provoca algo mucho más catastrófico, una desalineación y perdida de paralelismo de los ejes del piñón – corona, por su modo de trabajo se puede llegar a la rotura de dientes o bien en la fractura del ojo guía del porta rodamiento guía del piñón.
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También si el eje trasero en su labor no recibe el trato adecuado (sobrecargado por encima de su capacidad o caminos en mal estado), se puede deformar provocando una torcedura y una pérdida definitiva de la geometría. Estos ejes estructurales poseen una cierta elasticidad y se pueden deformar cíclicamente miles y miles de veces con la carga o ante fuertes impactos, pero si son sometidos a sobreesfuerzos más allá de su resistencia mecánica, pueden llegar a un estado de fatiga total, quedando inservible
en o
costos
estado muy
elevados de recuperación por la tecnología que implica el centrado y recuperación de túneles donde se alojan los
rodamientos
(reparaciones
que
normalmente las fabricas no las recomiendan).
Ante la rotura de dientes arrancados de raíz, se debe evaluar las marcas de trabajo con respecto de su par, si estas huellas están más acentuadas en la orilla del diente podría haber un desalineación del piñón / corona, grietas o picaduras profundas si están a la vista, podría ser motivo para pensar que una alta presión de aceite de lubricación podría ser la causa de la rotura. Si no se encuentran ninguna de estas evidencias podemos llegar a pensar que reiterados golpes a la tracción provocan torques desmedidos (20 o 30 veces la fuerza del motor) lo cual lo lleva a un estado de fatiga estructural rompiendo la dureza superficial y fracturando el material de resistencia (núcleo).
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Modo de mantenimiento preventivo
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Modo predictivo de mantenimiento
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Origen de las principales fallas
1° Origen de las principales fallas 2° Contaminación del lubricante (agua, polvo ambiental). 3° Por pérdida de aceite (Carter de poca capacidad, se calienta fácilmente). 4° Procedimiento de reparación equivocado, exceso de intervención. 5° Repuestos de dudosa calidad. 6° Fatiga de materiales adquiridas en su proceso de obtención o de mecanizado. 7° Desgaste por condiciones naturales asociadas al modo de trabajo, por periodo extendido de uso, por stress. 8° No cambiar el aceite a tiempo (40 días).
1.6 Fallas: causa – efecto A continuación se presentan las fallas típicas en diferenciales: Causa Ruido en el diferencial
Efecto Desgaste en los engranajes Mal engrane entre piñón y corona
Fugas
Desgaste en los cojinetes Rotura de retenes
Malas condiciones de operación
Destrucción de dientes de engranajes
Caminos irregulares o colisión
Ejes deformados
Excesivo calor por falta de lubricación
Pérdida de propiedades de piezas con tratamiento térmico
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TEMA 2: MANDOS FINALES 2.1. Definición Los
mandos
finales
son
aquellos
dispositivos que se encargan de canalizar la potencia del motor para poder dar movimiento a cualquier elemento de la maquinaria. Los mandos finales aplican una fuerza impulsora a las ruedas o las cadenas. Los mandos finales de un cargador de ruedas y los mandos finales de un tractor de
cadenas
son
diferentes
pero
desempeñan la misma función. Reducen la velocidad de rotación y aumentan el par. De hecho aquí es donde se produce el mayor aumento de par, en los engranajes. Los componentes que van por delante de los mandos finales son más pequeños y ligeros porque transfieren un par inferior a los componentes que van después del mando final.
2.2. Componentes Los principales componentes de un mando final, dependerán del tipo de mando final, pero en general encontramos: Piñón diferencial: Engrana con el engranaje principal, el piñón recibe la potencia de los embragues a traves del semieje exterior. El piñón hace girar el engranaje principal, el cual es mucho mayor y provoca una disminución de velocidad y un aumento del par.
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Engranaje principal: Engrana con el piñón y transmite la potencia al tren de rodaje por medio del semieje.
2.3. Clasificación
Los tipos más usuales en maquinaria pesada son los siguientes: 1. De piñón y de engranaje recto: Multiplica el torque y permite obtener una mayor altura de la máquina con respecto al suelo. Este tipo de mando generalmente se monta en cajas separadas con su lubricación propia; también se ha popularizado en tractores agrícolas y para movimiento de tierra. 2. Por engranaje epicicloidal: Permite montarse en espacios reducidos, por ser más pequeño y compacto que el de piñón y engranaje recto. Sus piezas se desgastan menos, por la carga repartida uniformemente entre varios engranajes. Se está empleando cada vez más en tractores agrícolas, máquinas y camiones pesados. 3. Doble reducción con engranajes planetarios y piñón de dientes rectos: Incrementar la tracción y reducir la tensión en los dientes de engranajes para una larga vida de mandos finales.
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1. Grupos de frenos húmedos
8. Porta planetario de segunda reducción
2. Rodamiento central
9. Engranajes planetarios de segunda reducción
3. Rodamiento central
10. Porta planetario de segunda reducción
4. Engranaje retenedor
11. Eje principal
5. Anular de primera reducción
12. Rueda
6. Engranajes planetarios de 13. Engranaje solar de primera reducción primera reducción 7. Anular segunda reducción
14. Engranaje solar de segunda reducción
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2.4. Mecanismos de desgaste y mantención
Los principales mecanismos de desgaste que sufren los mandos finales son por lubricación inadecuada, fatiga ante cargas cíclicas y desalineación. Por lo tanto, ante la rotura de dientes arrancados de raíz, se debe evaluar las marcas de trabajo con respecto de su par, si estas huellas están más acentuadas en la orilla del diente podría haber un desalineación del piñón / corona, de lo contrario si existe presencia de grietas o picaduras profundas a la vista, podría ser motivo para pensar que una alta presión de aceite de lubricación. Si no se encuentran ninguna de estas evidencias podemos llegar a pensar que reiterados golpes a la tracción provocan torques desmedidos (20 o 30 veces la fuerza del motor) lo cual lo lleva a un estado de fatiga estructural rompiendo la dureza superficial y fracturando el material de resistencia (núcleo).
El mantenimiento de los mandos finales se concentra en una lubricación adecuada, respetando siempre su cambio o relleno de acuerdo a la ficha de mantenimiento propuesta por el fabricante. También es conveniente realizar análisis de aceites para tener antecedentes de algún otro tipo de desperfecto, tales como elementos que se puedan incrustar entre los dientes, presencia de agua u otro tipo de contaminación.
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2.5.
Fallas: causa – efecto
Las principales fallas en los mandos finales son: Causa
Efecto
Mala operación
Destrucción
de
los
dientes
de
los
engranajes Nivel de aceite
Bajo nivel de aceite produce perdida de las
propiedades
adquiridas
por
tratamiento térmico Cambio de aceite
Desgaste en los engranajes
Temperatura del aceite
Sobrecalentamiento
Ingreso de tierra
Rayadura y fatiga en los dientes de los engranajes
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CONCLUSIONES En la presente unidad hemos determinado las funciones que cumple el diferencial, las cuales son básicamente dos; por un lado transmite la potencia desde el eje de transmisión hacia el tren de rodaje en ángulo recto y hacer que las ruedas giren a distinta velocidad cuando la máquina efectúa un giro. El diferencial se utiliza principalmente para evitar el desgaste excesivo de los neumáticos y proporcionar mayor maniobrabilidad en los giros. Los componentes principales del diferencial son: la corona, que consta del piñón de ataque y corona la cual está apernada a la caja del diferencial y la hace girar para la transmisión de potencia, mediante la cruceta donde van montados los engranajes satélites quiñes la entregan a los engranajes laterales, luego a los palieres y finalmente a los mandos finales. Entre los mecanismos de desgaste más importantes que ocurren en los diferenciales están la fatiga en los rodamientos, mala operación, contaminación del lubricante por agua, polvo o condiciones
ambientales,
perdidas
por
fugas
de
aceite
provocando
sobrecalentamiento, procedimientos erróneos en las intervenciones, fatiga de materiales por repuestos de dudosa calidad o adquiridas en su proceso de mecanizado u obtención. Finalmente estudiamos los mandos finales, cuya función es reducir la velocidad angular e incrementar el par o torque, así como de transmitir la potencia desde los palieres al tren de rodaje de la maquinaria, utilizando simple o doble reducción con engranajes planetarios y piñón recto, la cual incrementa la tracción y reduce la tensión en los dientes de engranajes para una larga vida de mandos finales. Básicamente los mecanismos de desgaste que sufren los mandos finales son por lubricación inadecuada desde el punto de vista de la falta o fugas, con lo cual disminuye la película protectora y los mecanismos de desgaste entran en acción sobre todo en los dientes de los engranajes. Así mismo las sobrecargas, la fatiga producto de cargas cíclicas producto del mal montaje o desalineación entre los ejes donde se encuentran montados los engranajes. Por ultimo cabe destacar el seguimiento de la rutina impuesta por el fabricante como pautas de mantenimiento, sobre todo en lo que a lubricación y tipo de lubricante que se debe utilizar, para mantener la vida útil de los mandos finales.
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BIBLIOGRAFÍA Albañil, H. & Mora, E. (2002). Mecánica de fractura y análisis de falla. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica.
Bosch, R. (2005). Manual de la técnica del automóvil. Alemania: R. Bosch.
Crouse, W. (1983). Mecánica del automóvil. Barcelona: Marcombo.
Ruiz, J. (2008). Sistemas de transmisión y frenado: [mantenimiento de vehículos autopropulsados. Pozuelo de Alarcón, Madrid: Editex.
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