Transmisión de potencia en el tractor. Transmisiones mecánicas

El tractor agrícola consta de diferentes partes, en este artículo vamos a centrarnos en una de sus partes, la transmisión. Todo gira en torno a transmitir la potencia generada en el motor a los distintas partes del tractor que la utilizan, que son principalmente, las ruedas, los sistemas hidráulicos y la toma de fuerza, por eso hablamos de transmisión de potencia.

Por tanto, podemos decir que se llaman transmisiones o simplemente transmisión al conjunto de elementos que aseguran la transferencia de la potencia a los diferentes puntos de la máquina que la utilizan.

Transmisión de par motor y de régimen de giro

Para calcular la potencia de una máquina o simplemente de un motor, lo que se toma en cuenta el la potencia de un eje. A nivel del motor la referencia es el eje del cigüeñal. En los tractores también se utiliza como referencia la potencia de la toma de fuerza. En todos estos casos la potencia tiene dos componentes: par motor y régimen de giro, de acuerdo a la siguiente expresión:

N (W) = M (Nm) x w (rad/s)

Siendo N la potencia en Watios, M el par motor en Newtons por metro y w la velocidad angular del eje (régimen de giro), en radianes por segundo

Así pues la transmisión de potencia se lleva a cabo mediante la transmisión de los dos factores que la componen: par motor y régimen de giro, de forma que llegue en las mejores condiciones y con las menores pérdidas posibles para el funcionamiento del tractor. Esto se traduce en conseguir la fuerza que demande la labor a la velocidad de avance adecuada. Y si además conseguimos un bajo consumo de combustible, pues mejor todavía. Para entender el par motor y como se genera en el motor, te recomendamos nuestro artículo: Curvas del Motor en los Tractores: información completa.

En la mayoría de las marcas de tractores la transmisión es la estructura básica del tractor. De ahí que los fabricantes de tractores sean unos especialistas en transmisiones, prefiriendo fabricar sus propias cajas de cambio que le dan identidad a cada marca.

En la actualidad todas las empresas que ofrecen tractores han completado su gama de productos con la incorporación de la transmisión sin escalones (transmisiones automáticas), o infinitamente variable conocida como CVT, de la que hablaremos más adelante.

La transmisión esta formada por diferentes elementos como: embrague, caja de cambios, diferencial, reducción final, palieres, ruedas y toma de fuerza.

Partes de un sistema de transmisión

Embrague

Es el encargado de independizar el movimiento del motor.

Al embragar se transmite el par motor que le llega.

Sin embargo, en la posición desembragado independiza la transmisión del movimiento del motor.

Al embrague de un tractor se le exige una serie de condiciones:

• Acción progresiva que evite tirones en la conexión y desconexión.
• Estabilidad térmica durante el trabajo.
• Inercia reducida y capacidad para amortiguar vibraciones.
• Bajo mantenimiento.

Caja de cambios

Se basa en la composición de múltiples engranajes o ruedas dentadas de diferentes tipos y es la encargada de variar las relaciones de transmisión en los tractores.

Caja de cambios John Deere 3350. Fuente: Wikimedia

No resulta sencillo hacer una división clara de los tipos de cajas de cambio, pero si vamos hacer una simplificación de estas.

1. Cambios de marchas de engranajes simples

En una caja de cambios convencional existe un eje primario (de entrada) que recibe el movimiento del motor y otro eje secundario (de salida) que transmite el movimiento hasta el diferencial y el eje trasero.

Entre el primario y el secundario esta el intermediario que sirve de apoyo de algunos engranajes para conseguir las diferentes relaciones de transmisión.

Esta transmisión del movimiento entre cada dos ejes sucesivos se realiza por pares de engranajes.

Cuanto mayor sea el numero de relaciones de transmisión mejor será el aprovechamiento energético del motor, es decir en la reducción del consumo de combustible. Esto siempre que el conductor eligiese la marcha mas adecuada.

De esto se encarga el inversor que se sitúa delante de la caja principal.  Utilizando un inversor sincronizado se consigue el mismo número de marchas hacia adelante y hacia atrás.

La utilización de marchas sincronizadas se ha utilizado mucho debido a las operaciones de transporte del tractor, pero la sincronización no es suficiente para resolver los problemas que presenta el cambio de marchas en las operaciones de campo. Esto se debe a la inercia del tractor y el apero en su conjunto que no es suficiente para mantener la velocidad de avance mientras se cambia de una marcha a otra.

2. Cambios de marchas bajo carga, transmisión Powershift

La caja de cambios bajo carga que permite pasar de una marcha a otra sin interrumpir la transmisión de potencia entre el motor y las ruedas.

Una de sus ventajas principales es la facilidad de maniobra para el conductor , ya que puede cambiar de velocidad rápidamente de velocidad sin tener que utilizar el embrague.

Algún ejemplo de estas cajas de cambios es el conocido Hi-Low de John Deere o la transmisión Powershift.

Este tipo de transmisión se ofrece en combinación con la transmisión de tipo escalonado pero modificando el régimen de giro del eje primario mediante pares de engranajes.  Esto permite, que todas las marchas se multipliquen por dos. Tiene dos embragues.  La preselección de las dos velocidades se lleva a cabo mediante un pulsador.

Transmisión Powershift Claas Arion

1. Engranajes

2. Cuatro gamas controladas hidráulicamente

3. REVERSHIFT inversor sin embrague

4. Módulo QUADRISHIFT con cuatro velocidades powershift o módulo HEXASHIFT con seis velocidades

3. Cambios de marchas de engranajes planetarios

Conviene explicar el termino de sistema planetario: es un sistema de engranajes que algunos giran alrededor de un eje central, mientras que otros giran sobre si mismo. Esta formado por un engranaje central conocido como planeta (P), los satélites que son un conjunto de engranajes que giran sobre si mismos. Los satélites (S) están unidos entre si a un elemento llamado porta satélite (PS) que gira alrededor de un eje central y el engranaje con un dentado interior se llama corona (C).

Los engranajes planetarios también se utilizan en los trenes de la reducción final de las ruedas. Del cual se hablara mas adelante.

La principal ventaja de estos es que son más compactos que los engranajes externos y además se puede prescindir del embrague de disco principal utilizando embragues o frenos de discos múltiples.

Después el sistema de cambio bajo carga ha ido evolucionando utilizando engranajes planetarios  pero el coste de fabricación ha limitado estos sistemas, a demás de que no cubrían las necesidades del usuario, debido a que los cambios bajo carga se necesitan solamente en marchas de campo, ya que para el transporte basta con la sincronización.

4. Cambios de marchas continuos mecánico-hidráulicos (CVT: continuous variable transmission)

Las transmisiones con división de potencia:

Permite dividir el par motor que entra en la caja de cambios y conseguir una transmisión sin escalones (CVT-IVT)  utilizando sistemas planetarios , según la posición de estos se pueden considerar dos tipos: planetario divisor (el sistema planetario se situada en la entrada de la caja) o planetario sumador ( cuando se encuentra en la salida de la caja).

Es difícil comprender este tipo de caja de cambios. Estas consiguen un alto nivel de eficiencia en toda la gama de velocidades de los tractores agrícolas.

Cajas CVT con planetario divisor

Fendt indrodujo este tipo de cajas en los tractores. Donde un conjunto de engranajes planetarios recibe la potencia del motor directamente y de este sistema planetario salen dos líneas de potencia (una es mecánica y la otra hidráulica) y estas se juntan en el eje de salida de la caja que va camino de las ruedas.

Transmisión Fendt CVT Vario. Fuente: Fendt

Para mejorar el rendimiento energético utilizan una caja de cambios con dos escalones que se coloca en la salida hacia las ruedas permitiendo dos rangos de variación de las velocidades de avance: de 0-32 km/h y de 0-40 km/h.

Se podría comparar este tipo de caja CVT con la PowerShift mencionada anteriormente.

En el caso del Fendt 926 Vario con el control electrónico del régimen del motor y de la transmisión se puede modificar de manera continua la relación entre el motor y las ruedas consiguiendo optimizar de esta forma los consumos de combustible sin intervención del operario.

Cajas CVT con planetario sumador y variador hidrostático

Case/Steyr fue el fabricante que comenzó con este tipo de caja de cambios que toma el nombre de S-Matic, a diferencia de la Caja “Vario” de Fendt con planetario divisor.

Muchos fabricantes ofrecen modelos de tractor con transmisión CVT, pero en muchos casos también estos mismos modelos se venden con caja de marchas convencionales o bien bajo carga o sincronizada.

Partes del puente trasero del tractor

El puente trasero del tractor engloba: el diferencial, los frenos y las reducciones finales.

El diferencial

A la salida de la caja de cambios en el eje o ejes del motor se encuentra el diferencial, comunicando con el piñón de ataque produciéndose la primera reducción de velocidad y aumentando los pares transmitidos por ejes y engranajes. Además, el diferencial es esencial para que el tractor pueda abordar una curva, de manera segura. En está trayectoria curva, la rueda exterior recorre mayor distancia que la interior.

Este mecanismo divide al eje del motor en el cual se encuentra en dos partes, terminando en un piñón cónico llamado planetario. Engranando con estos planetarios, se montan otros otros piñones cónicos denominados satélites situados en la caja del diferencial, unida está a la corona que recibe el movimiento desde la caja de cambios.

Al circular en línea recta, los satélites no giran alrededor de su eje y arrastran ambos planetarios a la misma velocidad, y por tanto las ruedas recorren la misma distancia.

A diferencia cuando se circula por una curva, la caja del diferencial recibe el mismo movimiento de la corona, pero lo reparte de manera diferente entre la rueda interior y la exterior. Esto es debido a que los satélites giran sobre sus ejes, y su sentido de giro es desde el planetario de menor al de mayor velocidad, dependiendo del radio de giro de la trayectoria que describen las ruedas. En está situación de las ruedas en curva, el par motor es la mitad del par que llega a la corona, aunque hay que decir que existen perdidas por rozamiento.

El diferencial. Fuente: Todomecánica

Bloqueo del diferencial

Cuando se realizan labores en campo la adherencia no es siempre la misma dando lugar a deslizamientos, el diferencial detecta que se está tomando una curva y actúa incrementando el resbalamiento incluso quedando el tractor atascado. Se incorpora el sistema de bloqueo del diferencial ,  convirtiéndose el eje trasero en un eje rígido.

Tradicionalmente se ha utilizado un pedal o palanca, pero es frecuente el uso de pulsadores. Pero la no utilización del bloqueo diferencial, a llevado a que los fabricantes a sustituirlos por los de bloqueo automáticos.

Los sistemas de bloqueo automáticos o sistemas autoblocantes. Los tractores cada vez tienden a ser más potentes siendo imprescindible utilizar de una forma sistemática el bloqueo diferencial, de ahí que se utilice el bloqueo automático. Existen dos tipos: autoblocantes por garras o bien por fricción.

Bloqueo electrónico supera las eficiencias del bloqueo automático mecánico como del bloqueo manual, pero con un mayor coste. Permite bloquear el diferencial cuando las velocidades de los semiejes son diferentes o desbloqueando cuando se produce el giro de las ruedas para tomar una curva o en diferentes labores en campo.

Se combina con la tracción delantera, el patinamiento y la selección de cambio de velocidades.

La hidráulica combinada con la electrónica es base fundamental de los tractores modernos de alta gama, formando parte de los sistemas de comunicación CAN-BUS, aunque con mayor preparación del personal para su mantenimiento.

Reducción final

El puente trasero formado por un bloque central y por los palieres, en cuyos extremos se encuentran las ruedas. Estos ejes trasmiten el movimiento desde el diferencial  hasta las ruedas. La reducción final se sitúa entre el diferencial y las ruedas, y está formado por un conjunto de engranajes.

La mayoría de los tractores utilizan un sistema planetario de 3 o 4 satélites unidos entre sí. La corona suele ser fija, al entrar el movimiento por uno de los elementos móviles , se produce la reducción de la velocidad  en la salida del otro, simultáneamente invirtiendo el sentido del giro.

Diferentes componentes de la transmisión del tractor. Fuente: infoagro

Toma de fuerza del tractor (TDF)

Es un eje exterior de transmisión de potencia unido cinematicamente al motor.

Inicialmente la toma de fuerza de los tractores fue diseñada para el accionar máquinas de recolección.

La TDF puede ser independientes o por el contrario dependientes del motor.

Las independientes están unidas directamente al motor y son independientes del movimiento del vehiculo, al contrario ocurre con las dependientes.

En el caso de ser independientes dispone de un embrague que permite su conexión en carga.

En la actualidad, los tractores disponen de una toma de fuerza independiente, excepto algunos modelos de mercado de bajo nivel adquisitivo.

Normalización de la toma de fuerza

La toma de fuerza esta normalizada por ASAE.

Es de gran importancia el dimensionamiento y uso de los elementos para el enlace entre máquina y tractor.

Precauciones para la utilización de la toma de fuerza del tractor

El eje de la TDF sobresale del tractor y además tiene una forma estriada, este puede ser de gran peligro.

En los antiguos tractores era frecuente salir y entrar a la cabina por la parte trasera, mientras que el operario subía o bajaba podía buscar un apoyo que facilitase la bajada o la subido lo que ha causado muchísimos problemas.

Las normas han establecido una protección por una pantalla que impida cualquier contacto. Bajo ningún concepto debe retirarse del tractor.

Los elementos del árbol de transmisión conocido como junta universal o Junta Cardan deben de estar siempre homologadas por las normas UNE-EN 12965.

Junta Cardan

El objetivo de la junta Cardan es transmitir el movimiento de rotación desde un eje conductor a otro conducido a pesar de su no colinealidad.

Es un tipo de junta no homocinética (el eje al que se transmite el movimiento no gira a una velocidad angular constante).

Junta Cardan. Fuente: TRAXCO

La toma de fuerza está constituida por dos piezas en forma de horquillas conectadas entre sí por medio de una pieza con forma de cruz.

Además, no se debe olvidar la importancia de parar el motor del tractor para realizar cualquier trabajo en la toma de fuerza debido a que se puede poner en marcha por un fallo del mecanismo de desconexión.

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vanessaymaria