Transmisión de potencia en el tractor. Transmisiones mecánicas

Publicado: 10/01/2018 - Actualizado: 04/07/2019

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.

¿Qué son las transmisiones?

Podemos definirlas como el “Conjunto de elementos que transmiten la potencia del motor hasta los elementos donde se utiliza, principalmente ruedas y toma de fuerza”

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 un tractor o simplemente de su motor de combustión, lo que se toma en cuenta es la potencia de un eje. A nivel del motor, ese eje de 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.

Los radianes por segundo no suele ser un dato que conozcamos. Lo habitual es conocer el número de vueltas del motor o régimen de giro en revoluciones por minuto (n). En ese caso, para obtener la potencia en Watios, se haría el siguiente cálculo:

N (W) = M (Nm) x 2PI/60 x n (rpm)

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.

El objetivo es conseguir la fuerza que demande la labor a una velocidad de avance adecuada. Y si además conseguimos un bajo consumo de combustible, pues mejor todavía.

Para entender qué es el par motor y cómo cambia según el funcionamiento del motor, te recomendamos el siguiente artículo: Curvas del Motor en los Tractores: información completa.

Tipos de transmisiones

Hacer una clasificación o explicar los diferentes tipos de transmisiones que tienen los tractores no es tarea fácil. Hay cientos de marcas de tractores, que a lo largo de los años han sacado al mercado miles de modelos diferentes, con sistemas de transmisión muy diversos.

En España por ejemplo, conviven honorables tractores de más de 25 o 30 años, con cajas de cambio muy sencillas puramente mecánicas, con tractores de alta gama, recién salidos de fábrica, que incorporan los últimos avances en transmisiones infinitamente variables (CVT).

La transmisión es algo muy característico de los tractores, pues son máquinas que están pensadas para hacer labores muy diferentes, con necesidades muy diversas en cuanto a par motor y velocidad de avance.

Por ejemplo, hay labores como el subsolado, que demandan un par motor alto y desarrollan a velocidades muy cortas (2- 4 km/h). Otras como el transporte son el ejemplo contrario, se requiere poco par motor para desplazar un remolque y por ello se pueden realizar a mayor velocidad ( máximo 25 km/h).

Partes o elementos principales de transmisión de un tractor

Para facilitar la explicación, podemos decir que los elementos que componen la transmisión de un tractor son los siguientes: embrague, caja de cambios, diferencial, reducción final, palieres, ruedas y toma de fuerza.

Vamos a ir viéndolos uno por uno.

Embrague

Es el encargado de independizar el movimiento del motor de las transmisiones.

Al embragar se transmite el par motor que llega del eje del cigüeñal, a través del volante de inercia.

Sin embargo, en la posición desembragado, se independiza la transmisión del movimiento del motor a la caja de cambios.

A cualquier embrague, y esto también es aplicable 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. También hay excepciones, pues existen cajas de cambio sin engranajes.

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

Se trata del tipo más sencillo de caja de cambios que llevan los tractores. Las primeras que se fabricaron y por tanto las más antiguas.

En una caja de cambios de este tipo 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.

Para conseguir la marcha atrás se utilizaba un elemento llamado inversor, situado entre el eje intermediario y el secundario, que al girar invierte el sentido de giro del eje secundario y por tanto también el sentido de la marcha del tractor.

Las cajas de engranajes simples tienen unas limitaciones importantes:

• Hay que pisar el embrague y parar el tractor para cambiar de marcha
• Mayor desgaste por rozamientos.
• Necesidad de mayor espacio que otros tipos.

Por estos motivos este tipo de cajas de cambio se han dejado de utilizar. Los tractores nuevos no las llevan.

2. Cambio de marchas sincronizado.

Las cajas de cambio sincronizadas permiten cambiar de marcha sin parar el tractor. Esto fue un gran avance en su tiempo, pues era un engorro tener que parar el tractor cada vez que se cambiaba de marcha.

Este avance fue posible gracias a los sincronizadores. Estos elementos consiguen que haya un acoplamiento suave entre los engranajes cuando se cambia de marcha. Cómo su propio nombre indica lo que hacen es «sincronizar», o dicho con otras palabras, igualar la velocidad de giro de los engranajes antes de que se acoplen y conseguir que coincidan los dientes de un engranaje con los huecos de otro.

De esta forma se eliminan o reducen los golpes, el desgaste excesivo o las roturas de engranajes en las cajas de cambio.

3. 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.

Con este tipo de transmisión el tractorista puede cambiar de velocidad rápidamente sin tener que utilizar el embrague, que esto ya lo hacían las cajas con cambio de marchas sincronizado, y además durante el cambio de marcha no se interrumpe la transmisión de potencia

Un ejemplo de cajas de cambios Powershift son las Hi-Low de John Deere.

En ocasiones también se utiliza el término Semipowershift para denominar aquellas cajas de cambio en que no todas las marchas se cambian bajo carga. Cómo por ejemplo la de tractor CLAAS Arion de la figura.

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

Vamos a empezar por explicar lo que es un sistema planetario a través de los elementos que lo componen. En un sistema planetario hay tres tipos de engranajes: el piñón central o planeta (P), los satélites (S) que rodean el planeta y la corona (C). También conviene mencionar otro elemento, que es el brazo portasatélites (PS).

En función de si se bloquean unos u otros elementos, se consiguen relaciones de transmisión con una desmultiplicación mayor, menor, inexistente o inversión del sentido de la marcha.

Los engranajes planetarios se utilizan en las cajas de cambio automáticas y en los trenes de la reducción final de las ruedas, de lo cual se hablará más 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.

Con el paso de los años el sistema de cambio bajo carga ha ido evolucionando hacia el uso de engranajes planetarios, pero el coste de fabricación ha limitado su expansión.

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

Este tipo de caja de cambios es las más compleja. Las transmisiones CVT combina sistemas mecánicos, hidráulicos y electrónicos.

¿Con qué objetivo? Conseguir un cambio bajo carga, sin escalonamientos y con infinitas posiciones.

¿Cómo puede ser que tenga infinitas posiciones? Porque es una caja de cambios que no tiene marchas como tal, sino una infinidad de posiciones. Es decir, no tiene posiciones fijas.

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).

Cajas de cambio CVT con planetario divisor

Fendt introdujo este tipo de cajas CVT en los tractores agrícolas. 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.

La caja CVT que montan los Fendt VARIO tiene dos escalones, con lo que se consiguen dos rangos de velocidades de avance: de 0-32 km/h y de 0-40 km/h.

Cajas de cambio 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.

Todas las principales marcas del sector ofrecen tractores con cajas de cambio CVT, otro tema sería analizar cuándo y por qué merece la pena adquirir un tractor con este tipo de cambio, o si por el contrario es mejor comprar uno que tenga una caja de cambios más sencilla.

La potencia que sale de la caja de cambios, ese par motor y esas revoluciones una vez transformados según las necesidades particulares de cada labor, continúan su camino hacia las zonas del tractor donde se utiliza. En los tractores de tracción trasera, la potencia va a la ruedas de atrás y a la toma de fuerza. En los tractores de tracción a las cuatro ruedas, la potencia se destina tanto a las ruedas de atrás como a las de delante.

Además, todos los tractores tiene toma de fuerza trasera, con su correspondiente par motor y velocidad angular, y allí también debe llegar potencia. Y algunos tractores tiene dos tomas de fuerza: trasera y delantera, por lo que necesitan potencia en ambos elementos.

Partes del puente trasero del tractor

Llamamos puente trasero al conjunto de elementos que transmite la potencia desde la salida de la caja de cambios hasta la ruedas traseras, que es donde suelen llevar la tracción los tractores.

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

El diferencial

El diferencial recibe la potencia de la caja de cambios y la transmite a cada lado del tractor. Además, el diferencial es esencial para que el tractor pueda abordar una curva, de manera segura. En esta trayectoria curva, la rueda exterior recorre mayor distancia que la interior.

Un diferencial convencional consta de los siguientes elementos: corona, satélites, planetarios y palieres

¿Cómo funciona un diferencial?

La potencia del motor llega a la corona, que a su vez se la pasa a los satélites, estos a los planetarios y finalmente a los palieres izquierdo y derecho, que la transmiten a las ruedas correspondientes.

La forma en que está construido el diferencial, o dicho de otra manera, la forma en que engranan los elementos anteriormente mencionados, permite al tractor adaptarse mejor a las curvas.

Cuando el tractor 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 esta 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.

Cuando se gira hacia la izquierda el planetario de la izquierda gira menos, lo que hace que el palier correspondiente también y a su vez la rueda izquierda. Y viceversa, cuando el tractor gira hacia la derecha, la rueda derecha necesita girar menos, y esto se hace gracias a que el palier gira menos, tiene una velocidad angular menor, porque el satélite al que está conectado también gira más lento.

¿Y qué ocurre en las rectas? 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.

Bloqueo del diferencial

Cuando se realizan labores en campo la adherencia de cada rueda va variando, dando lugar a deslizamientos. El diferencial detecta que se está tomando una curva y actúa incrementando el resbalamiento, e incluso el tractor puede llegar a quedarse atascado. Para evitarlo, todos los tractores llevan incorporado el sistema de bloqueo del diferencial. Este bloqueo hace que dejen de funcionar como tales los dos semiejes, y se conviertan en un solo eje rígido.

Tradicionalmente se ha utilizado un pedal o palanca, pero es frecuente el uso de pulsadores. Pero la no utilización del bloqueo diferencial, ha llevado a los fabricantes a utilizar sistemas 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. En los tractores más modernos el bloqueo de diferencial se hace mediante control electrónico en función de la información que llega de los sensores sobre la velocidad de avance del tractor y la velocidad de giro de cada rueda.

Reducción final

La reducción final se encuentra en el puente trasero y en los tractores de doble tracción también en el delantero. La reducción final está formada por un bloque central y por los palieres, en cuyos extremos se encuentran las ruedas. Estos ejes transmiten el movimiento desde el diferencial  hasta las ruedas.

El objetivo o función que cumple la reducción final, como su propio nombre indica es hacer un desmultiplicación antes de que la potencia llegue a la «parte final». Esta «parte final» o destinataria de la potencia son cada una de las ruedas.

¿Qué es lo que se reduce? Lo que se reduce o disminuye son las vueltas, el régimen de giro, para conseguir un mayor par en la ruedas, manteniendo la potencia.

La mayoría de los tractores utilizan un sistema planetario de 3 o 4 satélites.

Toma de fuerza del tractor (TDF)

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

Inicialmente la toma de fuerza de los tractores fue diseñada para el accionar máquinas de recolección. Sin embargo, en la actualidad podemos encontrar multitud de aperos que son accionados por la toma de fuerza, como por ejemplo rotocultores, sembradoras, abonadoras, pulverizadores, etc.

Todos los tractores tienen toma de fuerza trasera y algunos, además de la trasera, tienen toma de fuerza delantera.

Las TDF pueden ser independientes o por el contrario dependientes del motor.

Las independientes están unidas directamente al motor y son independientes del movimiento del tractor, 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 nuevos suelen disponer de una toma de fuerza independiente, excepto algunos modelos muy sencillos.

Normalización de la toma de fuerza

La toma de fuerza es un elemento del tractor que está normalizado, lo cual permite al agricultor conectar al tractor multitud de aperos distintos.

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 subida, 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.

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).

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

Para evitar accidentes es obligatorio que la junta cardan tenga una cobertura de plástico, tal y como se ve en la imagen.

Hasta aquí el artículo sobre transmisiones mecánicas o mejor dicho, transmisión de potencia en el tractor. Por favor deja tus dudas en la parte de comentarios.

No quisiera terminar si antes agradecer la ayuda y las correcciones de la Profesora Pilar Linares de la UPM, que tanto sabe de estos temas.

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