Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 119, Agosto 2009, artículo 2
Análisis del tren motriz de un vehículo clase C2 con transmisión automática y su efecto en el cosumo de combustible
Mercedes  Rafael-Morales,

Introducción

El transporte en México juega un papel importante en el uso de la energía y por lo tanto en el impacto ambiental, debido a la enorme cantidad de combustible derivado del petróleo que se emplea en su operación. Posiblemente se trata de la actividad con mayor potencialidad de ahorro de energía tanto a mediano como a largo plazos, si se aplican políticas apropiadas para el sector.

La información de los últimos diez años contenida en el Balance Nacional de Energía [1], indica que el transporte carretero en México representa más del 90% del total de consumo de combustible de todas las formas de transporte. De acuerdo con dicha información, el consumo total de diesel representa el 26% del total de las necesidades de combustible en el sector transporte. Lo anterior significa que el transporte carretero, tanto de pasajeros como de carga, representa el 10% del total de la demanda energética de México. Así, cualquier ahorro de combustible en el transporte carretero tiene un impacto significativo en la eficiencia energética global.

Las empresas de transporte pesado utilizan vehículos que han sido seleccionados, basándose en preferencias personales de los transportistas, en recomendaciones comerciales o en la experiencia de los operadores. Esto ha provocado una deficiente operación de los mismos, debido principalmente a la falta de conocimiento que existe respecto al  funcionamiento de los componentes del tren motriz en el desempeño de la unidad y de su relación con el consumo de combustible.

El consumo de combustible en los vehículos pesados depende de diversos factores tal como el tipo de carretera, clima y comportamiento del operador, estos factores son difíciles de modificar por un fabricante de vehículos, sin embargo, una selección adecuada de los elementos que integran el tren motriz de la unidad, favorece la correcta operación de las unidades de acuerdo con las características del servicio que presten, logrando un consumo eficiente del combustible.

Se puede señalar, que las operaciones de las empresas de transporte están sujetas a la disponibilidad comercial del tipo de vehículos, y al tipo de unidades importadas las cuales son diseñadas para condiciones orográficas diferentes a las de México, por lo que pueden presentar fallas en el tren motriz durante su operación [2].

Las características del tren motriz y el perfil de las carreteras por las que circula el vehículo determinan el modelo de vehículo más adecuado. Aunque la resistencia del aire, la resistencia a la rodadura y las especificaciones de la tracción influyen en el consumo de combustible, el peso de la carga, sigue siendo el factor más influyente en el consumo de combustible por tonelada y kilómetro. Los motores más potentes y las cargas más pesadas suponen un mayor consumo de combustible. Sin embargo, realizando el cálculo por tonelada/kilómetro, el consumo de combustible se reduce cuando el tren motriz es el adecuado.

Para una empresa de transporte, la planeación de rutas y el peso de la carga constituyen los factores más significativos a la hora de reducir el consumo de combustible.  El método de conducción y el estado de las carreteras también influyen en el consumo de combustible. Por lo que,  si se realiza  desde el principio la selección  adecuada del vehículo para llevar acabo las operaciones de la empresa de transporte, esto puede representar hasta un 10 % el ahorro de combustible.

Aspectos a considerar para  la selección de los componentes del  tren motriz.

Los aspectos principales que se deben de tomar en consideración para el proceso de selección de los elementos del tren motriz de un vehículo, son [3]:

El tipo de operación: define la naturaleza del transporte y por lo tanto, permite establecer el peso bruto vehicular máximo que puede transportar la unidad.

La ruta de operación: este aspecto permite establecer los porcentajes máximos de pendiente ascendente los cuales requerirán potencia adicional para arrancar y superar las pendientes críticas; igual consideración debe hacerse para vencer la resistencia al rodamiento en una carretera en malas condiciones (rugosidad y desgaste de la superficie de la carretera), lo que permite poner particular atención al desgaste de las llantas.

El desempeño del vehículo: se ve influenciado principalmente por la velocidad,  el peso bruto vehicular máximo que puede transportar y la altitud que define la pendiente crítica por la que transitará. Con estos parámetros se pueden determinar, de manera preliminar la potencia máxima del motor y establecer los elementos que integrarán el tipo de vehículo y su tren motriz. Es importante considerar en la selección del tren motriz, la economía del combustible.

Cumplimiento de la normatividad: para la circulación o construcción de los vehículos en México se debe de cumplir con las normas vigentes, tanto de pesos y dimensiones, como de protección al medio ambiente.

Componentes del tren motriz.

 El  tren motriz está integrado por: motor, embrague, caja de velocidades, diferencial y llantas. Cada uno de estos elementos proporcionan características particulares en el comportamiento de la unidad, por lo que es importante conocer la forma de seleccionar cada uno de ellos.

Motor: Para la selección del motor se estima la potencia (P0) necesaria para mover la unidad y para vencer la resistencia aerodinámica del área frontal del vehículo, de acuerdo con la siguiente fórmula[4].

                   P0 = 12.03 A + 2.033 PBV                                                     (1)

 

Siendo P0  la Potencia estimada,  A la superficie frontal del vehículo y PBV es el peso bruto vehicular del vehículo. Esta aproximación, permite seleccionar un motor de acuerdo a la capacidad torsional de la transmisión y su potencia debe ser mayor a la potencia estimada anteriormente.

Embrague: El embrague es el elemento del tren motriz que transmite el torque del motor a la caja de velocidades por medio de discos de fricción, para poner un vehículo en movimiento [5]. El torque requerido del embrague se calcula mediante la ecuación (2).

                    Tem = ( R M N Q) / 12                                                           (2)

Siendo Tem el  torque del embrague,  R es el radio medio del disco,  M es el coeficiente de fricción por tipo de pasta, N es el número de caras de fricción y  Q es la carga en el plato.

Llantas: El tamaño de las llantas se selecciona considerando la capacidad de carga de las mismas, su número y el peso bruto vehicular. Se debe de tomar en cuenta que cada una de ellas soporta un peso igual al de las restantes y que sólo estará cargada el 80% de su capacidad de carga, con el fin de prolongar su vida útil [6].

Diferencial: Este es el  elemento que restringe la velocidad del vehículo. Para este elemento se necesita conocer la relación corona/piñón, denominado también como paso del diferencial. El paso del diferencial se calcula con la formula (3),[7].

                   Pd = [0.06Pll(Rcm+200)]/PuVr                                                  (3)

Siendo Pd      la relación de paso del diferencial, Pll  es el perímetro de la llanta,  Rcm es el régimen de consumo mínimo de combustible del motor, Pu es la relación de paso del último engrane de la transmisión y Vr es la velocidad reglamentaria de circulación.

 El resultado de esta fórmula proporciona una relación de paso cercana a las comerciales, que puede utilizarse para alcanzar la máxima velocidad permitida, dentro del área de mínimo consumo específico de combustible. El límite de velocidad para autobús es de 95 km/h y para transporte de carga de 80 km/h, en ambos casos existe una tolerancia de, más 15 km/h para maniobras de rebase.

Caja de velocidades (Transmisión): El elemento que proporciona las características de desempeño más importantes del vehículo es la caja de velocidades o transmisión; por esta razón se le considera como base para la selección del tren motriz.

La transmisión es la parte del tren motriz que modifica el torque y las revoluciones por minuto que desarrolla el motor, permitiendo al vehículo operar una gran variedad de velocidades de marcha. La transmisión le proporciona al vehículo características tales como: capacidad de arranque en pendiente (startability), capacidad de ascenso en pendiente (gradeability), una velocidad adecuada de operación, aceleración y capacidad de carga.

La relación de engranes de la transmisión y del diferencial deben de asegurar la operación del motor dentro de su rango de trabajo óptimo, para un  desempeño más eficiente del vehículo a bajos costos de operación. Existen motores de bajas revoluciones por minuto (rpm) que deben mantener las rpm del motor cerca del torque máximo para lograr la operación eficiente del vehículo. La selección de engranes de la transmisión para el acoplamiento con el diferencial, debe considerar lo siguiente [8]:

-           La reducción total del tren de engranes es calculado a través de la multiplicación de las relaciones de los engranes en cada componente, esta reducción de engranes se debe calcular para determinar la pendiente máxima en la que puede iniciar la marcha un vehículo, ecuación  (4).

                 Rte = Rt x Ra x Rd                                                                    (4)

Donde Rte es la reducción total del tren de engranes, Rt relación de la transmisión principal, Ra relación de la transmisión auxiliar y Rd relación del diferencial.

-           El porcentaje de pendiente máxima en la que puede iniciar la marcha (startability) un vehículo se calcula mediante la siguiente ecuación [9].

                   S = [(T x Rte x Rll)/ (10.7 x PBV)] –Rr                                  (5)

S es la startability, T es el torque máximo del motor, Rte reducción total de engranes, Rll es la Velocidad de rotación de la llanta, PVB es el peso bruto vehicular y Rr es la resistencia al rodamiento.

-           El número de relaciones de velocidad de la transmisión, necesarias para acelerar progresivamente con facilidad y rapidez el vehículo cargado, debe ser uniforme y no superponerse. Por lo que el paso ideal entre los engranes debe encontrarse en el rango de 18% a 20% entre las relaciones. La relación de paso  representa el porcentaje de la amplitud entre los pasos de los engranes y se calcula mediante la ecuación (6).

                   Rp  = [( Rten/ Rten-1)-1] x 100                                                 (6)

Donde Rp es la relación de paso, Rten es el valor de la reducción total en el paso utilizado y  Rten-1 es el valor de la reducción total en  el paso inferior.

Hay que considerar que la caída excesiva de rpm entre cambios, demora y complica los cambios de velocidad provocando que el vehículo pierda trabajo (torque). El rango ideal de caída de las rpm en el motor, debe ser entre las 200 y 400 rpm, para un cambio adecuado en la transmisión.

La característica principal de una transmisión, además de la relación de cada velocidad, es que permita el escalonamiento de las mismas cuando se realizan los cambios.  Estos escalonamientos se pueden observar al realizarlos en lo que se le denomina diagrama de velocidades. Este diagrama indica la velocidad máxima alcanzable y el número de revoluciones por minuto en las cuales se logra dicho valor.

Selección de la caja de velocidades.

 Para seleccionar adecuadamente una caja de velocidades, se tienen que considerar los siguientes aspectos:

La velocidad máxima permitida [10], para cada posición de la caja de velocidades se debe de alcanzar con un 90 por ciento de las rpm máximas permitidas, de tal forma que siempre exista una potencia de reserva del motor que evite un desgaste prematuro.

El análisis de patrón de cambios de velocidades [shift pattern], a través del diagrama de velocidades con el fin de observar el comportamiento de la transmisión, todos los cambios de engranes de la transmisión deben de realizarse dentro del rango de mínimo consumo específico de combustible del motor.

La velocidad de crucero se debe de obtener siempre en el régimen  de economía de combustible -zona verde- del motor, con el propósito de ahorrar y prolongar la vida  útil del motor,  ya que está menos revolucionado.

Lograr con la última relación de caja y sobre carreteras planas o autopistas, una velocidad que corresponda al limite legal y que permita al motor girar alrededor del régimen de consumo mínimo.

Asegurar subir las pendientes más pronunciadas, con una velocidad aceptable, ya que la transmisión influye directamente sobre la capacidad de arranque en pendiente del vehículo, debido a la relación de paso de la primera marcha, una relación de paso numéricamente bajo tendrá como consecuencia baja capacidad de arranque, lo cual es importante en terreno montañoso.

Otra característica asociada con la transmisión es la capacidad de ascenso del vehículo, ya que una transmisión mal seleccionada, cuando la unidad se encuentra a plena capacidad de carga, puede hacer que el régimen del motor disminuya, al grado de impedir el avance del vehículo.

Existen transmisiones con sobremarcha (overdrive) que permiten operar al vehículo dentro de la velocidad crucero, controlando la velocidad del motor de manera más eficiente. El rango de las relaciones de la sobremarcha se encuentra entre 0.6:1.0 y 0.8:1.0, que proporcionan una velocidad del vehículo mayor en relativamente bajas rpm del motor.

La vida de una transmisión se ve afectada por el uso inadecuado de la sobremarcha como es el caso de operación con cargas pesadas o en combinación con la relación del diferencial bajo. Se recomienda el uso de la sobremarcha solamente cuando se puedan mantener altas velocidades del vehículo y el motor pueda sostenerlas.

El tren motriz es un sistema dinámico en el que los elementos están íntimamente relacionados, lo que hace difícil su selección, por lo que el elemento que proporciona las características de operación más importantes del vehículo es la transmisión, siendo  considerada como base de la selección del tren motriz.

Caso de estudio

Se llevaron a cabo pruebas [11] con un camión clase C2 año modelo 2005, con un PBV de 22 toneladas,  equipado con un motor de 210 HP@2300 rpm de potencia máxima y un torque máximo de 520 lb/ft@1200 rpm; la transmisión es automática de cinco velocidades, el diferencial tiene una relación 5.28 y las especificaciones de las llantas son 11R22.5, el consumo mínimo de combustible del motor se localiza a las 1750 rpm. La ruta de prueba fue Cd. de México – Puerto de Veracruz – Cd. de México (Figura 1), presentando un 80 % de terreno montañoso.  

En la tabla 1 se presentan las relaciones de velocidades de la transmisión automática.

Tabla 1. Relaciones de la caja de velocidades

No. de  velocidad

Rt

3.49

1.86

1.41

1.00

0.74

 

Figura 1. Mapa de la ruta de prueba del caso de estudio [12] , iniciando en la Cd. de México, finalizando en el Puerto de Veracruz y retornando a la Cd. de México.

En la Tabla 2 se presentan los resultados del cálculo de la reducción total de engranes y el porcentaje de paso entre cada relación de velocidad de la transmisión. Donde Ra tiene el valor de 1 y  Rd el valor de  5.28

Tabla 2. Resultados de la reducción total de engranes y el porcentaje de paso.

Relación de velocidad

Rte

Paso %

18.43

 

9.82

87.63

7.44

31.91

5.28

41.00

3.91

35.14

Es de observar que los porcentajes de la relación de la transmisión no permiten un cambio progresivo suave, lo cual se comprueba al realizar el diagrama de velocidades, ver la Figura 2.

Para determinar si el diferencial es el adecuado, con los datos del vehículo y aplicando la expresión (3), se determina la relación del diferencial y se obtiene el valor de 5.9. Este valor confirma que el diferencial en el tren motriz de la unidad permite alcanzar la velocidad de operación reglamentaria en el régimen de economía de combustible.

En la Figura 2 se observa el régimen del motor, en donde se obtiene la velocidad de 90 km/hr, que para el punto seleccionado tiene una velocidad de 1700 rpm.

Analizando el diagrama de velocidades se observa que los cambios no se pueden realizar en la zona verde, zona de  economía de combustible, debido a la discontinuidad que existe en el porcentaje de paso de cada uno de los cambios.

Durante la prueba realizada se utilizaron regímenes del motor muy alto, cercano a las 2 300 rpm gobernadas del motor,  para que los cambios se puedan realizar por arriba de las rpm del  torque máximo y de esta forma evitar cambios en retroceso que aumenta el uso de combustible.

Figura 1. Diagrama de velocidades con el patrón de cambios de velocidad en el régimen de mínimo consumo de combustible del motor.

Conclusiones

De acuerdo con las características del tren motriz del vehículo utilizado en las  pruebas de campo, se puede observar en el diagrama de velocidades que los cambios progresivos de velocidades, no se pueden realizar dentro de la zona de economía de combustible, ya que de acuerdo con los porcentajes de paso calculados, la amplitud entre ellos presentan valores muy altos con respecto a los  valores que se consideran como los ideales. Además se corrobora en el diagrama de velocidades, que al realizar los cambios ascendentes se presentan caídas de hasta 850 rpm, provocando que el vehículo pierda torque, dificultando la operación del mismo.

El tren motriz de este vehículo, equipado con una transmisión automática no permitió al operador aplicar un manejo con uso eficiente de combustible, ya que se tienen  que realizar los cambios de velocidad en el régimen del motor fuera de la zona verde.

Un vehículo equipado con este tipo de transmisión tiene dificultades para su desempeño en terreno montañoso, ya que la transmisión no le permite al operador lograr un manejo con uso eficiente del combustible.

REFERENCIAS

[1]    Secretaría  de Energía, Balance Nacional de Energía 2007, México, D.F. 2008.

[2]    Comisión de Comunidades Europeas,  Sociedad Francesa de Ingeniería, Cámara Nacional de Empresas de Consultoría, Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Guía Metodologica de Diagnósticos Energéticos en el Transporte, México,D.F., 1995.

[3]    Rafael, M. M., Zavala, P. A., "Selección del tren motriz de vehículos pesados (carga y pasajeros) destinados al servicio público federal ", Publicación Técnica No. 128 Instituto Mexicano del Transporte, 1999.

[4]   Society of Automotive Engineers, Inc.; Truck Ability Prediction Procedure SAE J688, Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA, 1995.

[5]   SPICER; Funcionamiento básico de transmisiones y embragues; Transmisiones TSP SPICER; Pedro Escobedo, Qro. 1998.

[6]   Goodyear, Factores que afectan la duración de las llantas para un camión, Catalogo Goodyear, México, D. F. 1997.

[7]   Rafael M. M., Manuel F.S., Guzmán R.C., Manual de Conducción Técnica de Vehículos Automotores Diesel, Publicación Técnica No. 70 Instituto Mexicano del Transporte, 1995.

[8]   Fitch. J.W.; Motor Truck Engineering Handbook; Society of Automotive Engineers, Inc., Warrendale, PA . U.S. A. 1994.

[9]   Society of Automotive Engineers, Inc SAE Handbook Supplement 82; SAE Recommended Practice, Truck Ability Prediction Procedure SAE-J688, Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA, 1995.

[10]  Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT); Acuerdo que establece el control de la velocidad para vehículos propulsados por motor a diesel, destinados al servicio de autotransporte de personas y bienes; Diario Oficial de la Federación (DOF); 28 de julio de 1980.

[11]  Instituto Mexicano del Transporte, Informe interno, Sanfandila Qro., 2007

[12]  http://www.google.earth.com

RAFAEL Mercedes
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