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Introducción. La adecuada selección del tren motriz de un vehículo de servicio pesado tiene un impacto directo en la productividad de las empresas de transporte en México. Por lo general, la mayoría de las personas responsables de la selección de los vehículos, se basan más en preferencias personales o recomendaciones comerciales [1], que en el desempeño que tendrá la unidad en las condiciones particulares a las que va a ser sometida; esto se debe principalmente al desconocimiento técnico que se tiene sobre cómo evaluar cuál deberá ser dicho desempeño. Es por ello, que una empresa de transporte necesita contar con criterios propios para seleccionar el tipo de unidad más adecuada a sus necesidades. Tomando en cuenta que el vehículo ideal no existe, es posible establecer los elementos técnicos para definir la mejor opción, considerando el tipo de recorrido que el vehículo realizará con mayor frecuencia, así como, los tipos de carretera más comunes en las rutas que cubre la empresa. Lo anterior, tiene como meta lograr un rendimiento mecánico y energético óptimo del vehículo, sin menoscabo de su capacidad para subir pendientes críticas a una velocidad adecuada [2] y con el motor operando el mayor tiempo posible en régimen estabilizado. La selección de un vehículo se puede considerar como un problema de optimización de una función económica bajo ciertas restricciones. Esto es, se requiere identificar las características técnicas del vehículo, que permitan obtener las máximas utilidades, cumpliendo con el marco legal y normativo, las limitaciones financieras y los requisitos propios de cada empresa.
Consideraciones para la selección del tren motriz. El desempeño (performance) del vehículo se ve afectado por diversos parámetros cuantitativos, de los cuales dos de ellos son importantes: la pendiente más crítica por la que transitará, que a su vez depende de la ruta de operación, y el peso de la carga máxima que se puede transportar. Con estos parámetros, en principio, se puede determinar la potencia máxima del motor y establecer los elementos que integrarán el tipo de vehículo, su tren motriz y la potencia del motor, teniendo en cuenta el peso bruto vehicular y las dimensiones requeridas. Es importante considerar las normas de protección ecológica para ruido y emisiones contaminantes, desde el punto de vista de economía de combustible, ya que esto último debe ser el factor determinante en la selección del tren motriz. La naturaleza de la carga impone algunas características del tipo de vehículo, por ejemplo, si es de carga o de pasajeros, si debe cumplir un itinerario fijo o se debe ajustar a un tamaño específico. Al analizar la ruta de operación más crítica, se debe poner particular atención al estado de la carpeta asfáltica (rugosidad y desgaste de la superficie de la carretera) y a los porcentajes de pendiente ascendente máximos [3], ya que estos factores requerirán potencia adicional para arrancar y superar las pendientes críticas, así como para vencer la resistencia al rodamiento en una carretera en malas condiciones. La potencia máxima de un motor para mover una carga, es un criterio insuficiente para seleccionar el tren motriz, ya que no corresponde al mejor rendimiento, particularmente en la capacidad de arranque en pendientes (startability) [4] o en la habilidad de ascenso en pendientes (gradeability) [5]. Un elemento clave para la selección del vehículo es la conformidad con las normas vigentes en materia de pesos, dimensiones [6] y de protección ecológica, ya que estos pueden imponer algunas restricciones de uso. Por ejemplo, el combustible Diesel Sin cumple en México y en los Estados Unidos con las normas ecológicas vigentes, pero las empresas mexicanas están expuestas a las rigurosas normas de los Estados Unidos sobre el ruido de los automotores, lo que podría impedir su operación internacional. El tren motriz es un sistema dinámico, en el que los elementos están íntimamente relacionados, lo que hace difícil la selección de sus componentes [7], así como realizar una evaluación del comportamiento del vehículo bajo las restricciones de startability o gradeability.
Capacidad de arranque en pendiente ascendente (startability) del vehículo. La startability es la pendiente máxima en la que el vehículo puede iniciar la marcha sin menoscabo de su desempeño, se expresa en porcentaje. Para calcular la capacidad de arranque se utiliza la siguiente ecuación [4]:
Donde: Capacidad de arranque en pendiente (startability) [%]
Habilidad de ascenso del vehículo (gradeability) La habilidad de ascenso del vehículo o gradeability es la medida del compromiso entre una pendiente específica y el peso bruto vehicular. La ecuación (2) permite calcular la gradeability [5]:
donde Pr está definido por:
Los demás parámetros están definidos por las siguientes ecuaciones:
Donde:
Criterios de startability y gradeability aceptables. Una vez que la relación de la transmisión ha sido seleccionada, la velocidad de crucero del vehículo puede ser calculada mediante la ecuación 8 utilizando la relación de la primera velocidad de la transmisión. Conociendo el régimen de operación del motor, la relación del eje y el diámetro de las llantas, la velocidad calculada nos permitirá obtener la habilidad de ascenso bajo estas condiciones. Para el caso de un camión de carga que puede ser utilizado en todo tipo de camino, una capacidad de ascenso en pendientes de 30% es satisfactoria. Por otra parte, se puede considerar como regla general [8] que para poder iniciar la marcha en una pendiente de inclinación x%, la capacidad de ascenso del vehículo, una vez que ha iniciado la marcha, deberá ser de (x+5)%. Por lo que, una capacidad de arranque a plena carga en una pendiente de 25% es satisfactoria.
Ejemplo del desempeño del tren motriz evaluando la capacidad de arranque y ascenso en pendientes (gradeability y startability). En la Figura 1 se presenta el desempeño de un vehículo [9], cuyo tren motriz está integrado por lo siguiente: motor de 400 HP, transmisión de 14 velocidades, diferencial con paso de 5.29 y llantas de 3.51 m de perímetro; la carga a transportar es de 36,320 kg (80 000 lb). Con el tren motriz seleccionado se tiene una capacidad de ascenso mayor al 40% de pendiente. Sin embargo, a medida que se van realizado los cambios hacia adelante, se observa cómo la capacidad de ascenso va disminuyendo con el aumento de la velocidad del vehículo.
FIGURA 1
El diagrama de velocidades correspondiente al tren motriz antes señalado, se presenta en la Figura 2, en donde se ha establecido el régimen óptimo de operación, al que se le ha denominado zona verde, desde el punto de vista de economía de combustible entre las 1400 y 1800 r.p.m. Sin embargo, para este caso se nota que los cambios de segunda a tercera y de cuarta a quinta no se pueden realizar dentro del régimen óptimo de operación. Los demás cambios si permitirán operar el vehículo con economía de combustible.
FIGURA 2
El mismo tren motriz se presenta en la Figura 3, sólo que se le ha aumentado la carga al vehículo a 47 216 kg (104 000 lb). En esta figura es donde se puede observar que la capacidad de ascenso máxima es de 28% de pendiente. Es decir, el aumento de la carga en un 30% provoca una disminución en la capacidad de ascenso del 32 %.
FIGURA 3
Por lo que se observa en el diagrama de velocidades de la Figura 2, se tiene que cambiar el tipo de transmisión para lograr que todos los cambios se realicen dentro de la zona verde, para operar el vehículo con el menor consumo de combustible. De acuerdo con los ejemplos mostrados, se observa que es factible realizar una serie de combinaciones de los elementos que componen el tren motriz, para encontrar la combinación óptima de sus elementos, a fin de lograr que todos los cambios de velocidad sean efectuados dentro de la zona de consumo mínimo de combustible y que además proporcione una buena gradeability. Durante la selección del tren motriz más adecuado a las condiciones de operación requeridas por la empresa, es necesario tener presente los reglamentos y normas de operación aplicables en cada caso.
Comentarios. Al seleccionar los vehículos en las empresas de transporte, en necesario conocer el comportamiento que tendrán éstos al destinarlos a las operaciones específicas de la empresa, bajo los criterios de capacidad de ascenso y arranque en pendiente (gradeability y startability), lo que posibilita analizar el efecto de la sobrecarga del vehículo. Los criterios antes mencionados permiten observar una relación casi lineal entre el aumento de la carga y la disminución de la capacidad de ascenso. Esto, junto con los reglamentos correspondientes, ayudará a las empresas en la toma de decisiones, para sobrecargar o no la unidad de acuerdo con la ruta de operación más frecuente, así como, realizar un análisis del comportamiento del tren motriz con respecto al consumo de combustible.
Referencias. [1].- FITCH J. W; Motor "Truck Engineering Handbook"; 4th ed., SAE, 1994. [2].- MÉXICO, SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES, "Acuerdo que establece el control de velocidad para vehículos propulsados por motor a Diesel, destinado al servicio de autotransporte de personas y bienes", México, D. F., Diario Oficial de la Federación de 28 de julio de 1980. [3].- MÉXICO, SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES, "Normas de Servicios Técnicos; Proyecto Geométrico de Carreteras", México, D. F., 1984 [4].- RILEY Thomas N., Eric A. SAMUELSON and Elizabeth M. SCHMIDT; "New Ten Speed Transmissions Add Unique Features", SAE Technical Papers Series, 902277, Transmission Div., Eaton Corp., 1990. [5].- SAE J688, "Truck Ability Prediction Procedure", Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA, 1987. [6].- MÉXICO, SECRETARÍA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES; "Norma Oficial Mexicana NOM-012-SCT-2-1994, Sobre el peso y dimensiones máximas con los que pueden circular los vehículos de autransporte que transitan en los caminos y puentes de jurisdicción federal", México, D. F., Diario Oficial de la Federación de 29 de noviembre de 1994. [7].- SÁNCHEZ, Manuel; Mercedes RAFAEL; y Carlos GUZMÁN, "Diseño de Software para la Selección de Trenes Motrices de Vehículos Destinados al Servicio Público Federal", memorias del Simposio La Investigación y el Desarrollo Tecnológico en Querétaro; Querétaro, Qro., septiembre 1996. [8].- PERKINS, Charles M.; "Principles and Design of Mechanical Truck Transmissions," SAE SP-363, Eaton Yale & Yowne Inc., 1971. [9].- RAFAEL, Mercedes; y ZAVALA, Armando, "Selección del tren motriz de vehículos pesados (carga y pasajeros) destinados al Servicio Público Federal", Publicación Técnica No. 128, Instituto Mexicano del Transporte, Sanfandila Qro., 1999.
* Este artículo es producto de la continuación de los trabajos de investigación realizados en el IMT sobre este tema, cuyos primeros resultados fueron presentados en el número 30 de este boletín.
Mercedes Rafael Morales, Investigador del IMT
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