Teoría de Motores y Máquinas agrícolas
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Motores y Máquinas Agrícolas Motores y Máquinas Agrícolas Francisco Domingo Molina Aiz Escuela Superior de Ingeniería Departamento de Ingeniería Rural Almería, 2008 Motores y Máquinas Agrícolas Motores y Máquinas Agrícolas Profesor: Francisco Domingo Molina Aiz Almería, 2010 Publicado en: www.ual.es/~fmolina Motores y Máquinas Agrícolas Índice Tema 1. La mecanización agrícola ............................................................................................7 1.1. Definiciones ................................................................................................................7 1.2. Principales tipos de maquinaria agrícola ....................................................................7 1.3. Evolución del sector agrario .......................................................................................9 1.4. Índice de mecanización ............................................................................................13 1.5. Capacidad de trabajo y rendimiento .........................................................................14 1.6. Seguridad .................................................................................................................15 Tema 2. Tipos y elementos del tractor ....................................................................................17 2.1. Tipos de tractores .....................................................................................................17 2.2. Partes de que consta el tractor.................................................................................18 2.3. Trabajos que puede realizar un tractor.....................................................................20 Tema 3. Elementos y sistemas de un motor de combustión interna ...................................21 3.1. Clasificación de los motores .....................................................................................21 3.2. Partes de los motores alternativos de combustión interna .......................................21 3.3. Procesos fundamentales ..........................................................................................29 3.4. Ciclo de un motor de cuatro tiempos ........................................................................31 3.6. Sistemas de alimentación.........................................................................................35 3.7. Sistema de distribución.............................................................................................53 Tema 4. Ciclos teóricos de los motores endotérmicos .........................................................67 4.1. Introducción ..............................................................................................................67 4.2. Ciclo teórico Atkinson ...............................................................................................67 4.3. Ciclo teórico Otto ......................................................................................................71 4.4. Ciclo teórico Diesel ...................................................................................................73 4.5. Ciclo Sabathe ...........................................................................................................75 4.6. Comparación entre los tres ciclos.............................................................................77 4.7. Presión media de un ciclo.........................................................................................79 Tema 5. Ciclos reales de los motores endotérmicos.............................................................81 5.1. Ciclo indicado ...........................................................................................................81 5.2. Variación de la presión en el cilindro ........................................................................86 5.3. Cálculo de los rendimientos......................................................................................88 5.4. Rendimiento volumétrico ..........................................................................................89 5.5. Rendimiento mecánico .............................................................................................90 5.6. Diagrama circular......................................................................................................91 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial.......93 6.1. Actuación del regulador ............................................................................................93 6.2. Consumo horario y consumo específico...................................................................95 6.4. Curvas características ..............................................................................................96 6.5. Curvas de corte y reserva de potencia ...................................................................100 6.6. Plano acotado de iso-consumo horario y específico. .............................................101 6.7. Optimización del punto de funcionamiento.............................................................102 Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo............................................................................105 7.1. Misión del embrague ..............................................................................................105 7.2. Embrague de fricción de disco simple ....................................................................105 7.3. Embragues de fricción de disco doble....................................................................110 7.4. Embrague de discos múltiples................................................................................111 7.5. Embrague cónico....................................................................................................112 7.6. Embrague centrífugo ..............................................................................................112 7.7. Embragues hidráulicos ...........................................................................................113 1 Motores y Máquinas Agrícolas 7.8. Embrague de garras............................................................................................... 114 Tema 8. Caja de cambios, diferencial y reducción final...................................................... 115 8.1. Necesidad de la caja de cambios........................................................................... 115 8.2. Tipos de cambios ................................................................................................... 116 8.3. Cambios de engranajes simples ............................................................................ 116 8.4. Caja de cambios con engranajes en toma constante ............................................ 118 8.5. Escalonamiento de marchas .................................................................................. 120 8.6. Solape de marchas ................................................................................................ 123 8.7. Caja de engranajes planetarios.............................................................................. 123 8.8. Cambio hidrostático de velocidades....................................................................... 126 8.9. Diferencial .............................................................................................................. 128 8.10. Reducción final..................................................................................................... 134 8.11. Semieje trasero .................................................................................................... 135 8.12. Tren delantero ...................................................................................................... 136 8.13. Tracción a las cuatro ruedas ................................................................................ 136 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía ............................................ 139 9.1 Tipos de enganche.................................................................................................. 139 9.2. Elevador hidráulico................................................................................................. 141 9.3. Controles hidráulicos del enganche de tres puntos ............................................... 142 9.4. Sistema hidráulico .................................................................................................. 144 9.5. Toma de fuerza ...................................................................................................... 146 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias ....................................... 149 10.1. Estudio estático del tractor ................................................................................... 149 10.2. Fuerzas laterales en el tractor.............................................................................. 152 10.3. Coeficiente de resbalamiento............................................................................... 153 10.4. Propiedades mecánicas del suelo referidas a la rodadura .................................. 154 10.5. Resistencia a la rodadura..................................................................................... 156 10.6. Coeficientes de tracción y de adherencia ............................................................ 158 10.7. Rendimiento a la tracción..................................................................................... 159 10.8. Dinámica del tractor ............................................................................................. 159 10.9. Potencia del motor de un tractor .......................................................................... 162 Tema 11. El laboreo del terreno............................................................................................. 167 11.1. Introducción.......................................................................................................... 167 11.2. Propiedades físicas y mecánicas del suelo.......................................................... 168 11.2.1. Estructura .......................................................................................................... 168 11.3. Tipos de labores y aperos de labranza ................................................................ 176 2 Motores y Máquinas Agrícolas Índice de figuras Figura 1. Producción agraria en la Unión Europea........................................................................................................ 9 Figura 3. Distribución general de la tierra según tipos de cultivo en 2005 (MAPA, 2006). .......................................... 11 Figura 4. Evolución del índice de mecanización (MAPA, 2007). ................................................................................. 14 Figura 5. Cilindros dentro del bloque de un motor: cilindros de camisa húmeda (a) y camisa seca (b). ..................... 22 Figura 6. Cilindros en línea (a), en V (b), opuestos (c) y en estrella (d). ..................................................................... 23 Figura 7. Bloque del motor. ......................................................................................................................................... 23 Figura 8. Culata del motor con la junta de culata (1) y los tornillos de unión al bloque (2).......................................... 23 Figura 9. Inyección directa. ......................................................................................................................................... 24 Figura 10. Inyección indirecta...................................................................................................................................... 24 Figura 11. Elementos del pistón. ................................................................................................................................. 25 Figura 12. Elementos de la biela. ................................................................................................................................ 26 Figura 13. Cigüeñal de un motor. ................................................................................................................................ 26 Figura 14. Desplazamiento del pistón en función del movimiento del cigüeñal. .......................................................... 27 Figura 15. Procesos fundamentales en un motor de combustión interna de 4 tiempos. ............................................. 30 Figura 16. Ciclo de un motor de cuatro tiempos en el diagrama P-V. ......................................................................... 32 Figura 17. Motor de dos tiempos. ................................................................................................................................ 34 Figura 18. Ciclo de un motor de dos tiempos. ............................................................................................................. 35 Figura 19. Elementos de un filtro de aire mediante aceite........................................................................................... 36 Figura 20. Elementos de un filtro de papel (Marca PARKER, serie AFSF). ................................................................ 36 Figura 21. Esquema del circuito de alimentación de un motor. ................................................................................... 37 Figura 22. Bomba de alimentación de membrana. ...................................................................................................... 38 Figura 23. Funcionamiento de una bomba de alimentación de émbolo: fases de compresión (a) y de succión e impulsión (b) ...................................................................................................................... 38 Figura 24. Carburador de un motor (a) y elementos que lo componen (b).................................................................. 39 Figura 25. Surtidor del carburador............................................................................................................................... 39 Figura 26. Sistemas de inyección de los motores Otto: inyección directa (a) e inyección indirecta (b). ...................... 42 Figura 27. Tipos de inyección de los motores Otto: multipunto (a) y monopunto (b)................................................... 42 Figura 28. Elementos de un inyector electrónico de gasolina. .................................................................................... 43 Figura 29. Elementos del sistema eléctrico para la ignición de motores de gasolina. ................................................. 44 Figura 30. Elementos del distribuidor de corriente de un motor Otto........................................................................... 44 Figura 31. Circuito de alimentación de de los motores de ciclo Diesel........................................................................ 45 Figura 32. Elementos de un inyector de gasoil............................................................................................................ 47 Figura 33. Bomba de inyección de pistones en línea. ................................................................................................. 47 Figura 34. Elemento de una bomba de inyección en línea.......................................................................................... 48 Figura 35. Funcionamiento del pistón de una bomba de inyección en línea: a) carga, b) principio de inyección y c) fin de inyección............................................................................................................................................... 48 Figura 36. Regulador de una bomba de inyección en línea. ....................................................................................... 49 Figura 37. Bomba de inyección rotativa. ..................................................................................................................... 49 Figura 38. Válvula dosificadora de una bomba de inyección rotativa. ......................................................................... 50 Figura 39. Funcionamiento de una bomba de inyección rotativa................................................................................. 50 Figura 40. Bomba de inyección de pistón axial (Marca Bosch, modelo VP 29-30)...................................................... 51 Figura 41. Motor con sistema de alimentación «common rail» (Marca Volvo, modelo D5) ......................................... 51 Figura 42. Esquema de un sistema de alimentación «common rail»........................................................................... 52 Figura 43. Inyector electrónico para alimentación «common rail»............................................................................... 52 Figura 44. Control electrónico de la alimentación «common rail». .............................................................................. 53 Figura 45. Elementos de un sistema de distribución. .................................................................................................. 53 Figura 46. Posición de las válvulas sobre la cámara de combustión........................................................................... 54 Figura 47. Sistemas de accionamiento de las válvulas: a) sistema SV, b) sistema OHV y c) sistema OHC............... 55 Figura 48. Sistema de accionamiento de las válvulas OHV. ....................................................................................... 56 Figura 49. Sistemas de accionamiento de las válvulas OHC. ..................................................................................... 56 Figura 50. Colocación de las válvulas en los conductos de admisión y expulsión: a) dos válvulas de expulsión y b) una sola válvula de expulsión. ................................................................................................................... 57 Figura 51. Partes de las válvulas: cabeza (1), asiento (2), vástago (3) y ranura (4).................................................... 58 Figura 52. Muelles para el cierre de las válvulas......................................................................................................... 58 Figura 53. Árbol de levas............................................................................................................................................. 59 Figura 54. Cadena de la distribución. .......................................................................................................................... 59 Figura 55. Transmisión de movimiento al árbol de levas en los diferentes sistemas de distribución: a) Sistema OHV, b) Sistema OHC y c) Sistema SV. ............................................................................................................. 59 Figura 56. Balancines para la apertura de las válvulas. .............................................................................................. 60 Figura 57. Eje de balancines. ...................................................................................................................................... 60 Figura 58. Sistema de lubricación de un motor (Marca Caterpillar)............................................................................. 61 Figura 59. Filtro del aceite. .......................................................................................................................................... 62 Figura 60. Bomba de engranajes para la lubricación. ................................................................................................. 63 Figura 61. Válvula reguladora de presión. ................................................................................................................... 63 3 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 62. Elementos básicos del sistema de refrigeración: 1. Radiador, 2. Panel del radiador, 3. Depósito de agua, 4. Manguito flexible, 5. Ventilador, 6. Bomba de agua, 7. Termostato, 8. Sensor de temperatura, 9. Camisa de agua, 10. Intercambiador de calor, 11. Válvula regulación calefacción....................................64 Figura 63. Válvula reguladora de temperatura. ............................................................................................................65 Figura 64. Accionamiento del ventilador. .....................................................................................................................66 Figura 65. Elementos de un radiador de un tractor: depósito superior (1), depósito inferior (2), conducto de entrada (3), conducto de salida (4) y tapón de llenado (5). .....................................................................................66 Figura 66. Ciclo teórico Atkinson..................................................................................................................................68 Figura 67. Ciclo teórico Otto.........................................................................................................................................71 Figura 68. Ciclo teórico Diesel. ....................................................................................................................................73 Figura 69. Ciclo mixto de Sabathé. ..............................................................................................................................76 Figura 70. Rendimiento térmico en función de la relación de compresión. ..................................................................77 Figura 71. Representación de los tres ciclos con r'=Cte y Qs=Cte ..............................................................................78 Figura 72. Representación de los tres ciclos para Qs=Cte y pmax=Cte ......................................................................78 Figura 73. El motor Diesel a carga parcial ...................................................................................................................79 Figura 74. Presión media de un ciclo termodinámica...................................................................................................79 Figura 75. Obtención experimental del ciclo indicado. .................................................................................................81 Figura 76. Comparación entre los ciclos teórico e indicado Otto (a) y Diesel (b). ........................................................82 Figura 77. Esquema de un motor con turbocompresor e intercooler. ..........................................................................90 Figura 78. Diagramas circulares de motores de cuatro (a) y dos tiempos (b): RCA Retraso del cierre de la admisión, AAA adelanto de la apertura de admisión, AAE Adelanto de la apertura de escape, RCE Retraso del cierre de escape y AE adelanto de la explosión.........................................................................................91 Figura 79. Diagrama de presiones en función del giro del cigüeñal: ||| trabajo pasivo absorbido por el ciclo y /// trabajo útil del ciclo.....................................................................................................................................92 Figura 80. Regulador de avance a la inyección en una bomba de tipo lineal...............................................................93 Figura 81. Componentes de una bomba de tipo rotativo: 1. Válvula reguladora de presión en el interior de la bomba, 2. Grupo regulador del caudal de combustible a inyectar, 3. Estrangulador de rebose (retorno a deposito), 4. Cabezal hidráulico y bomba de alta presión, 5. Bomba de alimentación de aletas, 6. Variador de avance a la inyección, 7. Disco de levas y 8. Válvula electromagnética de parada. ..................................94 Figura 82. Curvas características obtenidas mediante un ensayo al freno. .................................................................97 Figura 83. Valores característicos del ensayo a cargas parciales................................................................................99 Figura 84. Actuación del regulador sobre los valores del par.....................................................................................100 Figura 85. Curvas de isoconsumo..............................................................................................................................101 Figura 86. Curvas de isoconsumo del motor..............................................................................................................102 Figura 87. Posición del embrague en el tractor..........................................................................................................105 Figura 88. Embragues de fricción monodisco. ...........................................................................................................106 Figura 89. Componentes de un embrague de fricción monodisco: a) campana y b) disco del embrague. ................106 Figura 90. Plato de presión accionado por diafragma. ...............................................................................................107 Figura 91. Accionamiento del embrague mediante sistema mecánico (a) e hidraulico (b). .......................................107 Figura 92. Distribución de presión en un embrague con desgaste uniforme..............................................................108 Figura 93. Distribución de presión en un embrague con desgaste uniforme..............................................................109 Figura 94. Embrague de fricción de disco doble. .......................................................................................................111 Figura 95. Embragues de fricción de discos múltiples. ..............................................................................................111 Figura 96. Embragues de tipo cónico.........................................................................................................................112 Figura 97. Embragues de tipo centrífugo. ..................................................................................................................113 Figura 98. Embrague hidráulico. ................................................................................................................................113 Figura 99. Componentes de un embrague hidráulico: 1. Cámara turbina-bomba; 2. Cámara anular; 3. Cámara DCC; 4. Boquilla regulable; 5. Retorno del aceite a la cámara DCC; 6. Acoplamiento elástico conectado al motor; 7. Parte conducida conectada a la transmisión.............................................................................114 Figura 100. Embrague de garras. ..............................................................................................................................114 Figura 101. Caja de cambios de engranajes..............................................................................................................116 Figura 102. Caja de cambios de engranajes simples.................................................................................................117 Figura 103. Caja de cambios con engranajes en toma constante..............................................................................118 Figura 104. Sistema de accionamiento de las marchas. ............................................................................................118 Figura 105. Funcionamiento del desplazable.............................................................................................................119 Figura 106. Funcionamiento del sincronizador de la caja de cambios. ......................................................................119 Figura 107. Gama de velocidades en un tractor dotado de palanca inversora (F-R). ................................................120 Figura 108. Diagrama de velocidades y relaciones de transmisión. ..........................................................................121 Figura 109. Cambio automático mediante un tren de engranajes planetarios. ..........................................................124 Figura 110. Sistema de engranajes planetarios. ........................................................................................................124 Figura 111. Funcionamiento de la parte epicicloidal de un sistema de engranajes planetarios. ................................125 Figura 112. Funcionamiento de la parte hipocicloidal de un sistema de engranajes planetarios. ..............................126 Figura 113. Caja de cambios de funcionamiento combinado con sistema hidrostático y engranajes planetarios de un tractor comercial (Marca Fend). ...............................................................................................................127 Figura 14. Funcionamiento de una caja de cambios con sistema hidrostático y de engranajes planetarios de un tractor comercial (Marca Fend). ...............................................................................................................127 Figura 115. Diferencial simple....................................................................................................................................128 Figura 116. Funcionamiento del diferencial en recta (a) y en curva (b). ....................................................................129 Figura 117. Diferencial simple: corona (c), piñón de ataque (pa), satélites (s), planetarios (p) y caja portasatélites (CP). .....................................................................................................................................................129 4 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 118. Giro del tractor en una curva. ................................................................................................................. 130 Figura 119. Sistema hidráulico para el bloqueo del diferencial.................................................................................. 131 Figura 120. Diferencial autoblocante por discos de fricción. ..................................................................................... 131 Figura 121. Diferencial doble: corona (c), piñón de ataque (pa), satélites (s1 y s2), planetarios (p1 y p2) y caja portasatélites (CP).................................................................................................................................. 132 Figura 122. Giro del tractor en una curva con un diferencial doble. .......................................................................... 133 Figura 123. Reducción final de engranajes planetarios en el eje trasero. ................................................................. 134 Figura 124. Disposición de montaje del puente trasero con suspensión independiente de las ruedas. .................... 135 Figura 125. Elementos de un puente trasero de tipo convencional: cojinetes (1), piñón de ataque del diferencial (3), corona (4), caja portasatélites del diferencial (5), trompetas (6), cojinetes (7), rodamiento (8), palieres o semiejes (9). .......................................................................................................................................... 135 Figura 126. Eje delantero. ......................................................................................................................................... 136 Figura 127. Transferencia del movimiento al eje delantero mediante árboles de transmisión. ................................. 136 Figura 128. Junta homocinética cardán utilizada en la transmisión a las ruedas delanteras. ................................... 137 Figura 129. Sistema hidráulico de accionamiento de la transmisión delantera. ........................................................ 137 Figura 130. Barra de tiro en la parte inferior de un tractor......................................................................................... 139 Figura 131. Enganche tripuntal de un tractor. ........................................................................................................... 140 Figura 132. Enganche rápido tipo americano. ........................................................................................................... 141 Figura 133. Control de carga en el elevador hidráulico. ............................................................................................ 142 Figura 134. Control de profundidad del enganche tripuntal. ...................................................................................... 143 Figura 135. Control mixto de carga y profundidad del enganche tripuntal................................................................. 143 Figura 136. Tomas remotas del sistema hidráulico de un tractor. ............................................................................. 144 Figura 137. Accionamiento de maquinaria acoplada al tractor mediante las tomas remotas del hidráulico. ............. 144 Figura 138. Componentes del sistema hidráulico del tractor. .................................................................................... 145 Figura 139. Tomas de fuerza delantera y trasera...................................................................................................... 146 Figura 140. Toma de fuerza accionada independientemente desde el motor con un embrague propio. .................. 147 Figura 141. Acoplamiento de maquinaria a la toma de fuerza del tractor a través de un árbol de transmisión cardámico (a) y detalle del árbol (b)..................................................................................................... 148 Figura 142. Principales parámetros geométricos y fuerzas en el tractor. .................................................................. 149 Figura 143. Principales fuerzas en el tractor reposando en pendiente longitudinal................................................... 151 Figura 144. Principales fuerzas en el tractor reposando en pendiente transversal. .................................................. 152 Figura 145. Fuerza lateral producida en las curvas................................................................................................... 152 Figura 146. Fuerza lateral producida por el arrastre.................................................................................................. 153 Figura 147. Superficie de apoyo de un neumático agrícola....................................................................................... 155 Figura 148. Fuerzas que intervienen en una rueda empujada. ................................................................................. 157 Figura 149. Fuerzas y momentos que actúan sobre una rueda motriz...................................................................... 158 Figura 150. Fuerzas exteriores que actuan sobre el tractor. ..................................................................................... 160 Figura 151. Potencias de un tractor........................................................................................................................... 162 Figura 152. Esquema del manejo del suelo y de los sistemas de laboreo. ............................................................... 168 Figura 153. Límites de Atterberg del suelo. ............................................................................................................... 171 Figura 154. Curvas isotensión en el suelo................................................................................................................. 172 Figura 155. Tipos de suelos según la relación tensión-deformación vertical............................................................. 173 Figura 156. Esquema de los esfuerzos en una placa de carga. ................................................................................ 174 Figura 157. Esquema del torno de deformación de Vane Shear. .............................................................................. 174 Figura 158. Relación entre los esfuerzos vertical y horizontal................................................................................... 175 Figura 159. Superficie de la huella de una rueda de un tractor. ................................................................................ 175 Figura 160. Resistencia a la rodadura en la rueda de un tractor. .............................................................................. 176 5 Motores y Máquinas Agrícolas Índice de tablas Tabla 1. Superficies y producciones de cultivos en la Unión Europea y participación de España en 2003 (MAPA, 2006)...................................................................................................................................10 Tabla 2. Distribución general de la tierra (ha) por tipos de cultivo en 2005 (MAPA, 2006). .........................................10 Tabla 3. Parque nacional de maquinaria automotriz (MAPA, 2007).............................................................................12 Tabla 4. Inscripciones de maquinaria nueva durante el año 2006 (MAPA, 2007)........................................................12 Tabla 5. Potencia media de los tractores inscritos en 2006 (MAPA, 2007)..................................................................13 Tabla 6. Precio medio de los tractores inscritos en 2006 (MAPA, 2007). ....................................................................13 Tabla 7. Velocidades de giro estandarizadas para la toma de fuerza........................................................................147 Tabla 8. Distribución de pesos sobre los ejes delantero y trasero. ............................................................................150 Tabla 9. Valores del resbalamiento............................................................................................................................154 Tema 10. Valores de la sobrepresión sobre el suelo k. .............................................................................................155 Tabla 11. Valores medios del coeficiente de rozamiento para un tractor. ..................................................................156 Tabla 12. Coeficiente de rodadura de un tractor. .......................................................................................................157 6 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 1. La mecanización agrícola 1.1. Definiciones 1.1.1. Mecanización agraria - Acción de implantar el uso de máquinas en operaciones pertenecientes o relacionadas con el campo. Sus principales objetivos son: • • Facilitar y perfeccionar las labores agrícolas Aumentar la rentabilidad de los cultivos disminuyendo costes y optimizando el uso de insumos. - De forma más amplia la mecanización agraria se ocupa del diseño de máquinas, de la optimización de su funcionamiento y de la evaluación económica. 1.1.2. Tractor - Máquina que produce tracción. - Vehículo automotor cuyas ruedas o cadenas se adhieren fuertemente al terreno, y se emplea para arrastrar arados, remolques, etc., o para tirar de ellos. 1.1.3. Motor de combustión - Máquina destinada a producir movimiento a expensas de una fuente de energía y que funciona por la energía producida por la combustión de una mezcla de aire y combustible. 1.2. Principales tipos de maquinaria agrícola Las máquinas cuya inscripción es obligatoria en los Registros Provinciales de Maquinaria Agrícola son las destinadas a la agricultura y que pertenezcan a alguno de los siguientes grupos: • Tractores de ruedas, de cualquier tipo, potencia y peso y los remolques agrícolas cuyo peso máximo autorizado exceda de 750 kg. 7 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial • Tractores de cadenas, motocultores, portadores, tractocarros y máquinas agrícolas automotrices, de cualquier tipo, potencia y peso. • Máquinas agrícolas arrastradas cuyo peso máximo autorizado exceda de 750 kg. • Máquinas agrícolas no incluidas en los apartados anteriores, para cuya adquisición se haya solicitado un crédito o una subvención oficial y aquellas otras que determine el Ministerio. 1.2.1. Tipos de máquinas Los Registros Provinciales de Maquinaria Agrícola clasifican las máquinas agrícolas en los siguientes grupos: • Tractores - Ruedas simple tracción - Ruedas doble tracción - Cadenas - Otros • Motocultores y motomáquinas - Motocultores - Motoazadas - Motosegadoras • Máquinas automotrices - Maquinaria de recolección - Equipos de carga y transporte - Tractocarros - Otras • Máquinas arrastradas y suspendidas - Trabajo del suelo - Siembra y plantación - Equipos de tratamientos - Aporte de fertilizantes y agua - Recolección - Otras • • Remolques Otras máquinas 1.2.2. Tipos de tractores Dentro de los tractores neumáticos se pueden establecer diferentes tipos: • Tractores agrícolas típicos: Tractores rígidos con dos ejes con distinto diámetro de rueda. 8 Motores y Máquinas Agrícolas • Tractores estrechos (fruteros o de viñedo): Tractores de pequeña dimensión para permitir su tránsito por las calles de cultivos leñosos, como frutales o viñas. • Tractores articulados: Tractores de elevada potencia con bastidor no rígido para incrementar su maniobrabilidad. Tractores de cadenas. En vez de emplear neumáticos para desplazarse emplean una cadena con eslabones y zapatas. Tienen una capacidad de tracción superior (a igualdad de potencia), mayor maniobrabilidad y estabilidad. Sin embargo, son mucho más lentos y debido a las características de su tren de rodaje no pueden desplazarse por vías asfaltadas. 1.3. Evolución del sector agrario 1.3.1. El sector agrario en España El sector agrario en España suponía un 13.2% de la producción agrícola final de la Unión Europea en 2004 (MAPA, 2006). Figura 1. Producción agraria en la Unión Europea. 9 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial La mayor superficie cultivada la ocupan los cereales de grano (38.7%), el olivar (13.9%), el viñedo (6.5%) y los frutales (6.0%). Tabla 1. Superficies y producciones de cultivos en la Unión Europea y participación de España en 2003 (MAPA, 2006). Tabla 2. Distribución general de la tierra (ha) por tipos de cultivo en 2005 (MAPA, 2006). 10 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 3. Distribución general de la tierra según tipos de cultivo en 2005 (MAPA, 2006). 1.3.2. El sector hortícola en Almería El desarrollo del sector agrícola ha contribuido de forma sustancial a la mejora de la economía de la provincia de Almería en las últimas décadas. El Producto Interior Bruto (PIB) correspondiente al sector agrario en Almería se ha incrementado de 596 millones de euros en 1995 a 1443 millones de euros en 2003, con un incremento medio anual del 15%, que fue del 5.9% en el año 2005 (JUNTA DE ANDALUCÍA, 2002 y 2007). La contribución del sector agrario al PIB total de la provincia supone alrededor del 14%, lo que da idea de su importancia para la economía provincial. 1.3.3. Censo de maquinaría agrícola A finales de 2006 el parque nacional de maquinaria automotriz estaba compuesto por las siguientes máquinas: 11 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Tabla 3. Parque nacional de maquinaria automotriz (MAPA, 2007). Las inscripciones de maquinaria nueva durante el año 2006, según los distintos tipos de máquinas se resumen en la siguiente tabla: Tabla 4. Inscripciones de maquinaria nueva durante el año 2006 (MAPA, 2007). En el caso de los tractores se observa un ascenso continuado hasta 1988, en el que se alcanza el máximo de los doce últimos años con 25041 unidades. A partir de ese año la línea se muestra descendente hasta 2005, apreciándose un ligero repunte en el último año (MAPA, 2006). En la comparación de 2006 con el año anterior se aprecia un ligero ascenso en el mercado global de la maquinaria agrícola en España (3.4%), contrastando el apreciable incremento de la maquinaria arrastrada o suspendida (10.1%) y de los remolques (4.3%) con el significativo descenso de la maquinaria automotriz (- 5.3%) debido a los malos resultados de los equipos de recolección y de los tractocarros (MAPA, 2007). 12 Motores y Máquinas Agrícolas Los tractores marcan una ligera recuperación (0.9%) respecto de las cifras del año anterior (MAPA, 2006). La potencia media de los tractores inscritos en 2006 fue de 91.7 CV, mientras que la media del parque existente es de 62.9 CV (MAPA, 2007). Tabla 5. Potencia media de los tractores inscritos en 2006 (MAPA, 2007). El precio medio de los tractores, sin incluir IVA, fue en 2006 de 34352 euros (374€/CV), variando según su tipo de rodaje (MAPA, 2007). Tabla 6. Precio medio de los tractores inscritos en 2006 (MAPA, 2007). 1.4. Índice de mecanización Este índice representa la relación entre la suma de la potencia de tractores, motocultores y motomáquinas y la suma de hectáreas de tierras de cultivo y la de prados naturales. El índice de mecanización creció en 2006 hasta alcanzar un 345.2 CV por 100 ha (MAPA, 2007). 13 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Figura 4. Evolución del índice de mecanización (MAPA, 2007). 1.5. Capacidad de trabajo y rendimiento La capacidad de trabajo de una máquina es un índice de su rendimiento expresado en la cantidad de tiempo que se demora en realizar un trabajo. - La capacidad de trabajo teórica es la que realiza una máquina si trabaja, sin interrupción, a su velocidad normal de trabajo, y cubriendo siempre la totalidad de la anchura de trabajo teórica: ST = v [km / h ]·a[ m ]·1000 [m / km ] [ha / h ] 10000 [m 2 / ha ] (1) donde: ST v a Capacidad de trabajo teórica [ha/h] Velocidad de trabajo de la máquina [km/h]km/h ancho de trabajo [m] - Velocidad. La velocidad a la cual se desplaza la máquina deberá estar acorde con la naturaleza del trabajo, nunca en exceso porque la labor puede quedar mal hecha. - Ancho de trabajo. Cuanto más ancha es la máquina o el apero mayor será su capacidad de trabajo, aunque necesitará mayor potencia de trabajo. - La capacidad de trabajo efectiva (Se), tiene en cuenta los tiempos gastados en las vueltas en las cabeceras, recubrimientos, carga y descarga, etc. 14 Motores y Máquinas Agrícolas - El rendimiento efectivo o de campo (µe=Se/St) es el cociente entre la capacidad de trabajo efectiva y la teórica. - Tiempo efectivo o de operación. Es la inversa de la capacidad de trabajo efectiva, te=1/Se. - La capacidad de trabajo real (Sr) es la que tiene en cuenta los tiempos perdidos en transporte, averías, reposo del personal y resto de actividades diferentes de la propia operación que realiza la máquina. - El rendimiento total de trabajo es la relación entre la capacidad de trabajo real y la teórica, µt=Sr/ST 1.6. Seguridad En el sector agrícola mundial se producen 83 millones de accidentes, de los cuales 170000 son mortales En materia de seguridad hay que tener en cuenta una serie de normas que afectan a la maquinaria agrícola: - Normas de seguridad para cabinas y pórticos en los tractores. Ruidos transmitidos al conductor o al ambiente. Señales luminosas en el trasporte. Amortiguación de los asientos del tractor. Partes móviles o cortantes con protecciones. Símbolos universales para controles de operaciones en máquinas. 15 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 16 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 2. Tipos y elementos del tractor 2.1. Tipos de tractores Los tractores agrícolas se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios: a) Según el trabajo desarrollado: - Vehículo de tracción Vehículo versátil b) Según el sistema de apoyo: tracción trasera - De ruedas: 4 ruedas iguales doble tracción traseras mayores tractores orugas - De cadenas: tractores semiorugas c) Según el acoplamiento con el apero: - Tractor de tiro Tractor portante (en suspensión) Tractor porta aperos (en la parte delantera) d) Según el tipo de bastidor: - Con bastidor completo Con medio bastidor Sin bastidor e) Tractores especiales: - Zancudos Forestales Estrechos Autocargadores 17 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial f) Motocultores o motomáquinas: - De un eje: motomáquinas De dos ejes: microtactores 2.2. Partes de que consta el tractor El tractor agrícola consta, fundamentalmente de las siguientes partes: - Bastidor o chasis - Motor - Transmisión: • Embrague • Caja de cambios • Diferencial • Reducción final • Palieres • Ruedas • Toma de fuerza - Alzamiento hidráulico - Enganche - Dirección - Frenos El tractor agrícola consta, fundamentalmente de las siguientes partes: - Bastidor: Es un armazón metálico, muy consistente, sobre el cual se sujetan los mecanismos fundamentales del tractor. - Motor: Conjunto de órganos y sistemas destinados a transformar la energía liberada en la combustión del gasoil, en energía mecánica, produciendo un movimiento de giro. - Embrague: Dispositivo por el que se transmite o interrumpe el movimiento de giro producido por el motor a la caja de cambios. - Caja de cambios: Conjunto de ejes y engranajes mediante los cuales se consigue adecuar la velocidad de avance y el esfuerzo de tracción del tractor a las necesidades de cada situación. - Diferencial: Conjunto de engranajes que permiten diferente velocidad de giro entre si, de las dos ruedas motrices, del tractor, para que éste pueda tomar las curvas con facilidad. 18 Motores y Máquinas Agrícolas - Reducción final: Mecanismo encargado de reducir, después de la caja de cambios, la velocidad de giro de las ruedas y que por tanto aumenta el esfuerzo de tracción. - Palieres: Están divididos en dos semipalieres, y son los ejes encargados de transmitir el movimiento desde el diferencial hasta las ruedas, pasando por la reducción final. - Ruedas: Son los elementos que, apoyándose en el suelo, soportan el peso del tractor y le permiten desplazarse sobre el mismo. - Alzamiento hidráulico: Elemento que permite elevar, suspendiéndolos en el aire, o descender, posándolos en el suelo, los aperos acoplados al tractor, para facilitar las maniobras de éste. - Enganche: Es el que permite acoplar máquinas o aperos al tractor. Se distinguen dos tipos de enganche: 1.-Barra de tiro: Con un punto de enganche para máquinas o aperos remolcados. 2.-Enganche a tres puntos: Unido al elevador hidráulico, para las máquinas o aperos suspendidos o semisuspendidos. - Dirección: Conjunto de piezas destinadas a dirigir el tractor. Actúa sobre las ruedas delanteras, llamadas por ello directrices. - Frenos: Dispositivo encargado de disminuir la velocidad del tractor e incluso de detenerlo totalmente. - Toma de fuerza: Es un eje, estriado en un extremo, accionado por el motor y destinado a dar movimiento a determinado tipo de máquinas acopladas al tractor. El accionamiento puede ser: - Del intermediario de la caja de cambios y por tanto se desconecta al desembragar. - Del secundario de la caja de cambios y por tanto sincronizada con la velocidad del tractor. - Del motor o independiente con un embrague propio o con un embrague de doble posición. Normalmente el tractor posee una sola toma de fuerza situada con mayor frecuencia en la parte posterior. - Polea: Mecanismo destinado a transmitir movimientos, mediante correas, a ciertas máquinas. Se acopla a la toma de fuerza recibiendo el movimiento de ella. 19 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 2.3. Trabajos que puede realizar un tractor Los trabajos que puede realizar un tractor se pueden clasificar como: - Estacionarios Por medio de polea (Trilladora, ensiladora,) Por medio de la toma de fuerza (Bomba de riego, molino de pienso, etc.) Por medio del sistema hidráulico (Elevadores de grano) - De transporte (Remolques, etc.) - De arrastre (Arados de vertedera, discos, etc.) - De empuje (Pala cargadora, bulldocer, etc.) - Combinados: Transporte y toma de fuerza (Remolque distribuidor de estiércol, abonadora centrífuga, empacadoras, etc.) Arrastre y toma de fuerza (Fresadora, etc.) 20 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 3. Elementos y sistemas de un motor de combustión interna 3.1. Clasificación de los motores Un motor térmico es una máquina que transforma energía calorífica en energía mecánica. La energía calorífica normalmente procede de la combustión de un combustible en presencia de un comburente. Los motores los podemos dividir en: - Motores de combustión interna o endotérmicos - Motores de combustión externa o exotérmicos. En los motores de combustión externa, el calor procedente de la combustión se transmite al fluido activo a través de la pared de una caldera. En los motores de combustión interna, la combustión se realiza en el seno del fluido activo. En estos, los órganos mecánicos que transforman el calor en energía mecánica pueden ser de cuatro tipos: - Mecanismo biela-manivela. Trasforma un movimiento rectilíneo alternativo en un movimiento circular o viceversa. - Motor rotativo. El fluido se expansiona contra unas paletas, alabes de turbina, y entonces se produce trabajo axial. - Motor Wankel. El fluido empuja un rotor que sigue su movimiento excéntrico. - Motor a reacción. Cuando los propios gases de la combustión mueven el motor. 3.2. Partes de los motores alternativos de combustión interna Los elementos esenciales constitutivos de los motores alternativos de combustión interna, son los siguientes: • • • • • • • • • Cilindros Pistón Bloque Bancada Culata Biela-manivela Cigüeñal Volante Sistema de distribución 21 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 3.2.1. Cilindros Los motores de 3 o 4 kW suelen ser monocilíndricos. Para mayores potencias conviene dividir la cilindrada total en varios cilindros por las siguientes razones: - Al producirse trabajo solo en la expansión, hay que colocar un volante de inercia de gran tamaño. En un motor de 4 cilindros siempre hay un cilindro que está realizando la carrera de trabajo lo que mejora el equilibrado: el par motor es más regular y el volante de inercia más pequeño. - La refrigeración mejora al aumentar el número de cilindros. En los motores Otto la refrigeración es muy importante para evitar el fenómeno de detonación (no pueden construirse cilindros con más de 150 mm de diámetro). (a) (b) Figura 5. Cilindros dentro del bloque de un motor: cilindros de camisa húmeda (a) y camisa seca (b). - Para una determinada potencia, al aumentar el número de cilindros, disminuye el peso del motor, aunque aumentan el precio y los gastos de mantenimiento. La disposición de los cilindros puede ser: - En línea (motores de 4 y 6 cilindros En "V” ( más 6 cilindros) Evita las vibraciones ocasionadas por el uso de un cigüeñal excesivamente largo. Opuestos (2 y 4 cilindros) En estrella (número muy elevado de cilindros) 22 Motores y Máquinas Agrícolas a) b) c) d) Figura 6. Cilindros en línea (a), en V (b), opuestos (c) y en estrella (d). 3.2.2. Bloque. Bancada o cárter y culata Los distintos cilindros del motor están ubicados en una pieza única llamada bloque, que debe ser rígida, resistente a la corrosión y lo más ligera posible. Se une mediante tornillos al cárter, quedando abrazado entre ambas piezas el cigüeñal (eje motor) a través de cojinetes antifricción. Figura 7. Bloque del motor. La culata, fabricada normalmente de fundición o aleación ligera, se coloca sobre el bloque cubriendo los cilindros y formando con ellos la cámara de combustión. Entre ambos se coloca una junta (junta de culata) para conseguir la estanqueidad necesaria en los cilindros. 2 1 Figura 8. Culata del motor con la junta de culata (1) y los tornillos de unión al bloque (2). 23 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial En la culata es donde suelen colocarse las válvulas, las bujías en los motores Otto y los inyectores en los motores Diesel. En los motores Diesel, la culata y en algunos casos la cabeza del pistón tienen una forma especial para crear turbulencias para favorecer la mezcla de aire y gas-oil. Existen distintos tipos de culata en los motores Diesel: - Inyección directa. La cámara de combustión va alojada, en la cabeza del pistón y al no estar en contacto con el agua de refrigeración tiene un rendimiento térmico elevado, lo cual facilita el arranque en frío y tiene un menor consumo. Inyector Calentador Figura 9. Inyección directa. El inyector es de varios orificios para mejorar la pulverización y requiere una alta presión de inyección. Se utiliza con relaciones de compresión de 12/1 a 18/1. - Inyección indirecta. La relación de compresión es más elevada de 15/1 a 19/1. El pistón al subir obliga al aire a pasar a la antecámara. El inyector inyecta el gasoil y al quemarse parte del combustible aumenta la temperatura y presión dentro de toda la cámara combustión. Al aumentar la P y T se produce una explosión de toda la mezcla en la cámara principal. Calentador Inyector Figura 10. Inyección indirecta. 24 Motores y Máquinas Agrícolas 3.2.3. Pistón Está unido al cigüeñal mediante el bulón y la biela. Se desplaza dentro del cilindro y recibe la fuerza de expansión de los gases durante la combustión. El pistón, en su movimiento alternativo, ha de realizar las siguientes funciones: - Transmitir esfuerzos a través de la biela y el cigüeñal. - Realizar estanqueidad en el cilindro, tanto para los gases de combustión como para el aceite. - Absorber parte del calor generado en la combustión y transmitirlo hacia la pared del cilindro. El pistón debe reunir una serie de características: - Gran resistencia - Ligero - Elevada conductibilidad - Dilatación adecuada Cabeza Ranuras de los segmentos de compresión Ranuras de los segmentos de engrase Bulón Falda Figura 11. Elementos del pistón. El pistón consta de las siguientes partes: - Cabeza: Es la zona que recibe los esfuerzos de los gases. - Zona portasegmentos: El segmento de fuego, el de compresión o estanqueidad y el rascador de aceite. - Alojamiento del bulón: Por donde se articula la biela al pistón. - Falda: Permite guiar al pistón en el interior del cilindro y disipar el calor. 25 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 3.2.4. Biela, cigüeñal y volante La biela, normalmente de acero forjado (rígida y ligera), es el elemento de conexión entre el pistón y el cigüeñal, a los que se une mediante casquillos antifricción o rodamientos. El cigüeñal (de forja o fundición) está formado por las manivelas de cada uno de los cilindros unidas al eje del motor. El mecanismo biela-manivela, transforma alternativo en otro circular o viceversa. un movimiento rectilíneo Pie Cuerpo Cabeza Sombrerete Figura 12. Elementos de la biela. Para el correcto funcionamiento del motor es necesario que el cigüeñal esté correctamente equilibrado estática (ΣF=0) y dinámicamente (ΣM=0). Figura 13. Cigüeñal de un motor. 26 Motores y Máquinas Agrícolas 3.2.5. Estudio cinemático del mecanismo biela manivela El desplazamiento del pistón x es función de la longitud de la biela b, del radio de giro de la muñequilla del cigüeñal R y del ángulo de giro del cigüeñal α (Fig. 14) (2) x = R · ( 1 - cos α ) + L ·(1 - 1 - λ 2 · sen 2 α ) siendo λ=R/b x = x (α) (3) Derivando con respecto del tiempo, se obtiene la velocidad instantánea: ⎡ v = R · ω ·⎢ sen α + λ ⎣⎢ ⎤ ⎥ 1 - λ 2 · sen 2 α ⎦⎥ sen α · cos α (4) PMS b+R Carrera, L x PMI b D α R o Figura 14. Desplazamiento del pistón en función del movimiento del cigüeñal. La ecuación anterior se puede simplificar dado que normalmente es R << b, quedando: v = R · ω · sen α · ( 1 + λ cos α o bien λ ⎛ ⎞ v = R· ω · ⎜ sen α + sen 2α ⎟ 2 ⎝ ⎠ ) (5) (6) Derivando de nuevo con respecto del tiempo esta última expresión, se obtiene la aceleración (aproximada): a = R· ω 2 · ( cos α + λ cos 2α ) 27 (7) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 3.2.6. Características geométricas de los motores de combustión interna El motor alternativo consta de un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, entre dos posiciones extremas: - punto muerto inferior (PMI) punto muerto superior (PMS) Este movimiento alternativo, es transformado en rotativo mediante un mecanismo biela-manivela. Los parámetros geométricos fundamentales son: - Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro por el que se desplaza el pistón y en el que se realiza la combustión. Normalmente se expresa en milímetros. - Carrera (L): Es la distancia entre el punto muerto superior y el inferior. Es igual al doble del radio de la manivela del cigüeñal. L = 2⋅ R En función de la relación diámetro/carrera obtenemos diversos tipos de motores: L>D L≈D L<D Alargados Cuadrados Supercuadrados o chatos - Longitud de la biela (b): Se expresa en milímetros. - Manivela del cigüeñal (R): Es el radio de giro de la muñequilla del cigüeñal a la que va unida la biela y determina la carrera del pistón. - Giro del cigüeñal (α): Se mide en grados o radianes. Cada 180º de giro del cigüeñal el pistón se desplaza una carrera. - Volumen de la cámara de combustión (v): Es el volumen que pueden ocupar los gases cuando el pistón está en el P.M.S. - Cilindrada unitaria (q): Es el volumen desplazado por el pistón en su recorrido durante una carrera. q = S⋅L = π⋅(D/2)2⋅L (8) - Cilindrada total (Q): Es la cilindrada unitaria multiplicada por el número total de cilindros (N) que tiene en motor. Q = q⋅ N 28 (9) Motores y Máquinas Agrícolas - Relación de compresión (Rc): También llamada relación de compresión volumétrica, que corresponde a la relación que existe entre el volumen máximo y mínimo que ocupa la mezcla en el cilindro: Rc = V máx V min = q+v v (10) Indica cuantas veces se reduce el volumen de la mezcla en la fase de compresión. - Motores de gasolina (Otto): 6 a 11 - Motores de encendido por compresión (Diesel): 14 a 22 3.3. Procesos fundamentales En un motor de combustión interna se realizan cuatro procesos termodinámicos fundamentales: - Admisión Es la operación de llenar de aire el cilindro que suministra el oxígeno necesario para la combustión. En los motores de compresión la admisión es sólo de aire, y en los de encendido provocado el aire lleva ya mezclado con la gasolina. El llenado puede ser natural (motor atmosférico) o sobrepresionado (motor sobrealimentado). - Compresión Para mejorar el rendimiento conviene comprimir el fluido que entra en el cilindro durante la admisión, antes de la combustión. El rendimiento mejora con relaciones de compresión altas. - Combustión-expansión Tras comprimir el sistema se realiza la combustión, que ocupa muy poco recorrido de pistón, y en la que aumentan considerablemente la presión y la temperatura. A continuación sigue la expansión de los gases de combustión, durante la que desarrollarán un trabajo, superior al que se necesario para la compresión. - Escape Antes de realizar una nueva carga del cilindro, han de expulsarse los productos de la combustión anterior. Estas cuatro fases pueden realizarse en distintos períodos de tiempo y recorrido del émbolo dando lugar a los motores de dos y cuatro tiempos. 29 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Primer tiempo: Admisión Tercer tiempo: Trabajo PMS PMS PMI PMI Segundo tiempo: Compresión Cuarto tiempo: Escape PMS PMS PMI PMI Figura 15. Procesos fundamentales en un motor de combustión interna de 4 tiempos. Los motores de combustión interna pueden clasificarse como: a) Según la forma de encendido de la mezcla: - Motores de encendido provocado (MEP), o motores Otto La fase de compresión se realiza con la mezcla aire-combustible. Antes de que se origine el autoencendido incontrolado de la mezcla al comprimirla, ha de provocarse artificialmente el encendido. También se llaman motores de explosión por la forma en que se realiza la combustión de la mezcla al producirse la chispa. - Motores de encendido por compresión (MEC), o Diesel La compresión se hace sólo con aire, que una vez filtrado pasa directamente a los cilindros donde se comprime produciéndose un aumento de su temperatura. A continuación se inyecta el combustible, que se inflama espontáneamente. 30 Motores y Máquinas Agrícolas También se les llama motores de combustión debido a que el combustible se va quemando al introducirse en el cilindro. b) Según el funcionamiento y realización del ciclo: - Motores de 4 tiempos: Los motores de cuatro tiempos pueden ser MEP o MEC utilizan cuatro carreras del pistón para realizar las cuatro fases características. - Motores de 2 tiempos: Las cuatro fases características se realizan en solo dos carreras del émbolo, y pueden ser Otto o Diesel. 3.4. Ciclo de un motor de cuatro tiempos En un motor intervienen muchos fenómenos físicos y químicos complejos que normalmente se simplifican: - irreversibilidades en la admisión y escape - turbulencias internas pérdidas de calor por refrigeración variabilidad de las capacidades caloríficas con la temperatura influencia de la formación de la mezcla disociación de los gases en la combustión velocidad de combustión retardo al encendido El estudio teórico se hace estableciendo una serie de hipótesis simplificativas. El estudio teórico aproximado sirve para obtener muchas conclusiones aplicables a la situación real. Una primera hipótesis simplificativa la ausencia de rozamiento interno (Wr=0) en los procesos termodinámicos, esto supone una gran lentitud del pistón. Los cuatro procesos fundamentales del funcianamiento de un motor se pueden representar en un diagrama P-V. El área 2, 3, 4, 5, 2 representa el trabajo teórico obtenido cada vez que se realizan en el motor los cuatro procesos. A causa de la lentitud teórica fijada, cada proceso ocupa una carrera del pistón. 1. Admisión (primera carrera). La válvula de admisión está abierta durante toda la carrera (realmente abre antes y cierra después). La línea real que representa la admisión quedará por debajo, pues, a causa de la velocidad finita del pistón, habrá depresión dentro del cilindro durante la admisión. 31 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial P 4 3 (+) 5 1 (-) PMS 2 PMI V Figura 16. Ciclo de un motor de cuatro tiempos en el diagrama P-V. 2. Compresión (segunda carrera). Las válvulas están cerradas durante toda la carrera, y el sistema que quedó dentro se comprime. En realidad, la compresión comenzará con retraso (cuando la válvula de admisión se cierre). La línea que representa la compresión teóricamente puede considerarse isoentrópica (adiabática). Realmente la refrigeración hace que la transformación sea más bien una politrópica de exponente n<γ. 3. Combustión-expansión (tercera carrera). Teóricamente, al final de la segunda carrera se provoca el encendido en los MEP o comienza la inyección en los MEC. La combustión se supone que se realiza a volumen constante en los motores Otto. En los motores Diesel, suponiendo que la presión máxima se alcanza con la compresión, teóricamente la combustión se produce a presión constante. La expansión que se produce después de la combustión puede considerarse isoentrópica (adiabática) o, mejor, politrópica. 4. Escape (cuarta carrera). Al final de la tercera carrera se abre la válvula de escape (realmente se abre antes). La presión dentro del cilindro disminuirá hasta el valor de la atmosférica, produciéndose durante esta cuarta carrera el barrido teórico de los gases que aún quedan en su interior. 3.4.1. Ciclo real de un motor de cuatro tiempos A causa de la velocidad del pistón, y a que las válvulas abren y cierran gradualmente, el proceso real difiere del ideal o teórico. El diagrama real, o indicado que representa la evolución que se produce dentro del cilindro se obtiene mediante mediciones de presión y volumen. 32 Motores y Máquinas Agrícolas El trabajo indicado obtenido cada dos revoluciones se corresponde con el área de la parte del diagrama recorrida en el sentido de las agujas del reloj. El área de la parte del diagrama recorrida en sentido contrario representa el trabajo utilizado (negativo) para renovar la carga, y se denomina pérdida de bombeo. En la realidad, los procesos no se ajustan a una carrera completa del pistón: 1. Admisión.- Para que la válvula de admisión esté abierta, durante la primera carrera, su apertura ha de comenzar antes (de 10º a 15º en función de las revoluciones del motor). Si comenzara en el PMS, se provocaría al principio una fuerte depresión en el cilindro que aumentaría la pérdida de bombeo. A este ángulo se le llama avance a la apertura de la admisión (A.A.A.). Si la válvula de admisión ya está cerrada al final de la primera carrera, la presión dentro del cilindro seria inferior a la atmosférica. Retrasando el cierre de la válvula se aprovecha la inercia del flujo en el conducto de admisión para seguir cargando el cilindro. El ángulo de retraso en el cierre es del orden de 45º a 65º y se le llama retraso al cierre de la admisión (R.C.A.). Los ángulos de cigüeñal no son lógicamente proporcionales al recorrido del pistón. Los ángulos próximos a los PMS y PMI ocupan mucho más recorrido de pistón que a mitad de la carrera cuando la velocidad del pistón es mayor. 2. Compresión. La compresión real comienza en C y termina en D. 3. Combustión. La combustión comienza antes de terminar la segunda carrera, punto D. Expansión. Adelantando la apertura de la válvula de escape al final de la tercera carrera, disminuye la presión interior durante un buen recorrido de última carrera, aumentando el trabajo indicado. Al ángulo (~50%) se le llama avance a la apertura del escape (A.A.E.). La expansión seria EF. 4. Escape. Ocupa toda la cuarta carrera y 10º o 15º de la siguiente. Con este retraso en el cierre, se aprovecha la inercia del flujo en el conducto de escape, aumentando la limpieza de humos A este ángulo se le llama retraso al cierre del escape (R.C.E.). 33 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Puesto que la válvula de admisión abre antes y la de escape cierra después, hay un ángulo (AB), llamado ángulo de solape o de cruce, en el que ambas válvulas están abiertas: la de admisión abriendo y la de escape cerrando. 3.5. Ciclo de un motor de dos tiempos Consiste en un motor alternativo de combustión interna, en el cual el ciclo completo de trabajo se realiza en 2 carreras del pistón, (una sola vuelta del cigüeñal). Figura 17. Motor de dos tiempos. En el motor de dos tiempos para la realización de la fase de admisión interviene un sistema de bombeo independiente, o el efecto de bombeo producido por el movimiento del pistón en el cárter. Carecen de válvulas para el control de la admisión y del escape de los gases del cilindro. El escape de los gases resultantes de la combustión y la admisión del aire limpio en el cilindro se efectúan al mismo tiempo, limitando la duración de estas mismas fases. Esto dificulta una perfecta realización de cada una de las fases del ciclo de trabajo. Al no existir una carrera del pistón para la expulsión de los gases de escape hace necesario que el propio aire limpio efectué una acción de barrido al penetrar en el cilindro con una sobrepresión apropiada. La distribución la realiza el pistón al final de su carrera descendente destapando 2 o más lumbreras dispuestas en el cilindro, a través de las cuales pasan los gases. 34 Motores y Máquinas Agrícolas La admisión y la precompresión de la mezcla fresca se realizan en el cárter del motor (hermético). Figura 18. Ciclo de un motor de dos tiempos. 3.6. Sistemas de alimentación La alimentación de los motores alternativos consiste en hacer llegar al interior de los cilindros, en los de ciclo Otto una mezcla de aire limpio y combustible, y en los de ciclo Diesel aire limpio. 3.6.1. Alimentación de los motores de ciclo diesel El motor de un tractor toma el aire de una nube cargada de pequeñas partículas que, si entrasen en los cilindros, producirían un desgaste prematuro de sus piezas y frecuentes averías. Los filtros de los tractores pueden ser de dos tipos: a). Filtro en baño de aceite El aire sucio aspirado por el motor y pasa por un filtro centrífugo, en el que por medio de aletas y aumentando su velocidad por estrechamiento de la sección de paso se le obliga a girar. La fuerza centrífuga hace que las partículas de mayor tamaño choquen con las paredes cayendo a un depósito de decantación. El aire cargado sólo de pequeñas partículas se dirige hacia una masa de aceite donde algunas se incrustan y el resto son retenidas en una malla metálica. Pasado un cierto tiempo de funcionamiento es necesario limpiar el filtro y cambiar el aceite. 35 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Entrada del aire exterior Salida del aire filtrado Partículas gruesas decantadas Malla metálica Taza Grapas de sujeción Baño de aceite Figura 19. Elementos de un filtro de aire mediante aceite. b). Filtro en seco El aire primero circula a través de una corona de aletas estáticas (de plástico o metal) que generan un movimiento de giro en la corriente de aire. La fuerza centrífuga separa las partículas más gruesas (polvo, suciedad, insectos y otras partículas) de la corriente de aire. Entrada de aire Filtro de seguridad Filtro primario Indicador Salida del aire filtrado Aletas estáticas Cintas de fijación Válvula de evacuación Figura 20. Elementos de un filtro de papel (Marca PARKER, serie AFSF). 36 Motores y Máquinas Agrícolas Estos contaminantes son eliminados automáticamente a través de una válvula de evacuación (Fig. 20). Solamente la corriente de aire purificada por este primer sistema pasa a los filtros de material microporoso (filtro primario y de seguridad). Al ensuciarse los cartuchos de material filtrante aumenta la perdida de carga en la admisión, las pérdidas de energía por bombeo y disminuye el rendimiento volumétrico. Para limpiar los cartuchos de material filtrante con aire a presión el filtro se puede desmontar. 3.6.1.1. Circuito de alimentación El circuito de alimentación de un motor consta de los siguientes elementos (Fig. 21): - Depósito de combustible. Recipiente provisto de un tapón que permite la entrada de aire. Lleva un indicador de nivel en cabina. - Filtro de aspiración. Mediante una malla se hace un filtrado grosero. - Bomba del combustible. En los motores de los tractores se utilizan bombas de membrana o de émbolo. Válvula reguladora de presión Bomba de combustible Válvula reguladora de presión Salida hacia la bomba de inyección o el carburador Motor Depósito de combustible Figura 21. Esquema del circuito de alimentación de un motor. • Bomba de alimentación de membrana La impulsión del combustible la realiza una membrana deformable sobre la que actúa un vástago movido por una palanca que recibe el movimiento de una leva situada en el árbol de levas de la distribución (Fig. 22). 37 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Válvula de entrada Válvula de salida Leva de accionamiento Membrana Muelle de presión Palanca de accionamiento Palanca de accionamiento manual Figura 22. Bomba de alimentación de membrana. • Bomba de alimentación de émbolo La impulsión del combustible hacia el carburador se realiza mediante un pistón movido por un empujador accionado por una leva del árbol de levas de la distribución (Fig. 23). Antes del carburador el combustible es filtrado con tamices de malla fina que se instalan en la tubería de salida de la bomba. a) Leva de accionamiento b) Émbolo Válvula de entrada Muelle de presión Válvula de salida Figura 23. Funcionamiento de una bomba de alimentación de émbolo: fases de compresión (a) y de succión e impulsión (b) 3.6.1.2. Carburación Se entiende por carburación el hecho de formar la mezcla proporcionada de aire y combustible. 38 Motores y Máquinas Agrícolas La carburación se puede realizar mediante un carburador que recibe el combustible del depósito y lo mezcla con el aire ajustando la relación de mezcla a la proporción adecuada al régimen de giro. a) Surtidor de ralentí b) Calibre de ralentí Entrada del combustible Tornillo mezcla de ralentí Válvula de mariposa Tornillo de ralentí Mando del acelerador Aguja Flotador Difusor Calibre principal Surtidor principal Palanca de accionamiento manual Mando del arranque en frío Figura 24. Carburador de un motor (a) y elementos que lo componen (b). Su funcionamiento se basa en el efecto Venturi, por el cual, la gasolina contenida en un depósito, cuyo nivel se mantiene constante mediante una válvula de flotador, es absorbida al producirse una depresión directamente proporcional a la velocidad de circulación del aire por el estrechamiento constituido por el difusor (Fig. 24). Colocando el extremo de una tubería de conexión con el depósito de combustible en el estrechamiento, este sale pulverizado rompiéndose en finas gotas al chocar con la corriente de aire. La cantidad de combustible extraído es función de tres variables: - diámetro del orificio de salida diferencia de nivel entre la superficie libre del combustible en el depósito y la salida depresión creada en el orificio de salida · El depósito o cuba mantiene constante el nivel de combustible a la salida del surtidor. Figura 25. Surtidor del carburador. 39 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial · El surtidor tiene un orificio de salida situado en el estrechamiento del carburador (Fig. 25), donde se produce la depresión que origina la salida de combustible. A la salida de la cuba, va montado un calibre o chiclé con un orificio tallado con gran precisión, que determina la sección de paso del combustible y regula la cantidad que puede salir por el surtidor. · El difusor o estrechamiento en la conducción de aire hacia los cilindros, tiene forma de doble tronco de cono unido por un cilindro en el que va colocado el surtidor. Cuando el pistón en la carrera de admisión crea una succión que hace pasar el aire por el difusor del carburador mezclándose con el combustible en la proporción justa. La cantidad de aire aspirado se regula por medio de una válvula de mariposa accionada por el pedal de aceleración. Los carburadores están diseñados para proporcionar al motor una mezcla rica a bajo régimen o a ralentí, una mezcla pobre y sensiblemente constante a régimen de crucero y de gran riqueza a alto régimen. Además tienen un dispositivo para el arranque en frío. Cuando son necesarias grandes aceleraciones (reprise) con una presión súbita del acelerador, se abre de golpe la válvula de mariposa y se acciona una bomba de aceleración, que inyecta una cantidad adicional de combustible, obteniendo mayor potencia instantánea. Los dispositivos de arranque en frío sirven para proporcionar al motor una mezcla lo suficientemente rica como para compensar la condensación del combustible en las paredes del difusor y el colector. Se usa para ello una segunda válvula de mariposa, colocada por encima del difusor, que al cerrarse de forma manual, aumenta la depresión en el surtidor y la entrada de combustible. En los carburadores modernos una se coloca un sensor del tipo de lámina bimetálica que actúa sobre la segunda válvula de mariposa permitiendo el control automático de la entrada de aire. En los motores de gran cilindrada se colocan carburadores dobles y de doble cuerpo, para suministrar volumen de mezcla necesario en los cilindros, sin grandes pérdidas de energía por bombeo. 40 Motores y Máquinas Agrícolas 3.6.1.3. Inyección de gasolina En los motores de gasolina, la mezcla se prepara utilizando un carburador o un equipo de inyección. Hasta ahora, el carburador era el medio más usual de preparación de mezcla, medio mecánico. Desde hace algunos años, sin embargo, aumentó la tendencia a preparar la mezcla por medio de la inyección de combustible en el colector de admisión. Esta tendencia se explica por las ventajas que supone la inyección de combustible en relación con las exigencias de potencia, consumo, comportamiento de marcha, así como de limitación de elementos contaminantes en los gases de escape. Las razones de estas ventajas residen en el hecho de que la inyección permite ( una dosificación muy precisa del combustible en función de los estados de marcha y de carga del motor; teniendo en cuenta así mismo el medio ambiente, controlando la dosificación de tal forma que el contenido de elementos nocivos en los gases de escape sea mínimo. Este sistema reduce la pérdida de energía por bombeo y evita los problemas de regulación de la dosis de combustible del carburador, disminuye el consumo específico y ofrece mejor aceleración y deceleración. Actualmente la práctica totalidad de los vehículos con motores de ciclo Otto, incorporan la inyección electrónica de gasolina, que mediante sensores y un microprocesador, controla los tiempos y la cantidad de inyección de combustible en función de las condiciones de funcionamiento del motor. Las válvulas de inyección de alta presión, que están montadas en el distribuidor de combustible, dosifican y pulverizan el combustible en poco tiempo con una presión muy alta para permitir la mejor preparación de la mezcla directamente en la cámara de combustión. Los sistemas de inyección se pueden clasificar en función del lugar donde inyectan: - Inyeccion directa: El inyector introduce el combustible directamente en la cámara de combustión (Fig. 26a). Este sistema de alimentación es el más novedoso y se está empezando a utilizar ahora en los motores de inyección gasolina como el motor GDi de Mitsubishi o el motor IDE de Renault. - Inyeccion indirecta: El inyector introduce eI combustible en el colector de admisión, encima de la válvula de admisión, que no tiene por qué estar necesariamente abierta (Fig. 26b). Es la más usada actualmente. 41 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial a) b) Inyector de gasolina Figura 26. Sistemas de inyección de los motores Otto: inyección directa (a) e inyección indirecta (b). Según el número de inyectores se pueden clasificar como: - Inyeccion monopunto: Hay solamente un inyector, que introduce el combustible en el colector de admisión, después de la mariposa de gases. Es la más usada en vehículos turismo de baja cilindrada que cumplen normas de antipolución. - Inyeccion multipunto: Hay un inyector por cilindro, pudiendo ser del tipo "inyección directa o indirecta". Es la que se usa en vehículos de media y alta cilindrada, con antipolución o sin ella. a) b) Aire Inyectores Combustible Aire Inyector Combustible Figura 27. Tipos de inyección de los motores Otto: multipunto (a) y monopunto (b). El combustible del depósito es aspirado por una bomba accionada mediante un motor eléctrico, y enviado a una tubería de presión donde se conectan los inyectores. 42 Motores y Máquinas Agrícolas Cada inyector cierra el orificio calibrado (tobera) de salida del combustible al conducto de admisión, desplazando una aguja mediante un electroimán, activado desde el microprocesador. Cuanto menor es el diámetro de la tobera y mayor la presión de trabajo más finamente pulverizado sale el combustible. Alimentación a través de un tamiz filtrante Bobinado electromagnético Terminal eléctrico Muelle de compresión Taladro de salida Aguja del inyector con inducido electromagnético Figura 28. Elementos de un inyector electrónico de gasolina. El instante de la inyección lo determina el distribuidor de encendido y el volumen de combustible inyectado, lo calcula el microprocesador en función de la información de los sensores. Normalmente se utilizan cuatro sensores de control: - Sensor de presión en el colector de admisión - Sensor de temperatura del motor - Sensor de temperatura del aire de admisión - Sensor de presión de alto régimen de revoluciones para inyección suplementaria en el “reprise”. Para el arranque en frío, sobre el colector de admisión se monta una electroválvula que permite la inyección en el conducto de una cantidad de combustible que enriquece la mezcla en función de la temperatura del agua de refrigeración y de la temperatura del aire de aspiración. 3.6.1.4. Ignición de la mezcla Al final de la compresión salta una chispa entre los electrodos de una bujía que produce la ignición del fluido. La chispa salta antes de que el pistón llegue al P.M.S., con un adelanto del encendido (A.E.), para que cuando la presión llegue a su máximo valor, el pistón empiece a descender y toda la carrera sea de trabajo. En el instante necesario una corriente de alta tensión llega al 43 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial electrodo central de la bujía con su extremo dentro de la cámara de combustión y aislado mediante porcelana del cuerpo metálico que lo une a la culata (conectado a masa). Figura 29. Elementos del sistema eléctrico para la ignición de motores de gasolina. La alta tensión (del orden de 10000 V) que hace que se produzca un arco voltaico entre el electrodo central y el electrodo lateral, la proporciona un transformador alimentado por la corriente de baja tensión y alta intensidad mediante un interruptor, denominado ruptor. Las espiras del primario y del secundario se montan en el interior de un contenedor denominado bobina. Para evitar que la corriente de ruptura que aparece en los contactos del ruptor termine quemándolos se coloca en paralelo un condensador. Figura 30. Elementos del distribuidor de corriente de un motor Otto. 44 Motores y Máquinas Agrícolas En los motores de varios cilindros, se usa un distribuidor para llevar la corriente de alta tensión a las bujías, que mediante un conductor giratorio, toma la corriente del eje de giro y en su rotación la transmite a los contactos a los que llegan los cables de las distintas bujías. La leva que abre y cierra el ruptor tiene tantos salientes como cilindros el motor. 3.6.2. Alimentación de los motores de ciclo diesel La alimentación de los motores Diesel se realiza introduciendo por separado en el interior de los cilindros el aire y el combustible. El aire se introduce en la admisión, y el combustible se pulveriza finamente y se mezcla con él en la cámara de combustión, al finalizar la carrera de compresión. Al comprimir el aire alcanza la temperatura adecuada para la autoinflamación del combustible suministrado por un inyector. 3.6.2.1. Circuito de baja presión El circuito que se utiliza en los motores de ciclo Diesel para llevar el combustible desde el depósito hasta el interior de la bomba de inyección se denomina circuito de baja presión. Su funcionamiento es semejante al de los motores de ciclo Otto desde el depósito hasta la cuba del carburador. Inyectores Depósito del combustible Bomba de inyección Filtro del combustible Bomba de alimentación ▬ Circuito de baja presión ▬▬ Circuito de alta presión Figura 31. Circuito de alimentación de de los motores de ciclo Diesel. 3.6.2.2. Circuito de alta presión Este circuito recibe el combustible a la presión tarada en la válvula reguladora de presión del circuito de alimentación, está formado por una bomba de inyección. 45 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Debido a la gran precisión de funcionamiento y a los ajustes entre los elementos de la bomba de inyección y de los inyectores, es necesario un filtrado más exhaustivo del combustible, que se realiza en tres fases: - Un filtrado grosero situado a la salida del depósito, en la aspiración de la bomba de alimentación de combustible. - Un segundo filtro más fino situado a la salida. - Un filtro principal que elimina el resto de partículas por minúsculas que sean. El filtro principal debe tener una gran superficie de filtrado y un reducido volumen y ser de fácil limpieza. La bomba de inyección transforma la energía mecánica del motor en presión del combustible y lo envía a los inyectores en la cantidad justa y en el instante adecuado. Las bombas de inyección deben adaptar automáticamente el momento de la inyección al régimen de giro del motor, pues el comienzo de la inyección debe variar según la velocidad de giro del motor. Cuanto mayor es la presión de inyección, menor es el tamaño de las gotas, más corto el tiempo de combustión, menor la relación de combustión a presión constante, más alto el rendimiento térmico y más suave y silencioso es el motor. Antiguamente las bombas de inyección eran de pistones en línea y actualmente la mayoría de los motores Diesel utilizan bombas rotativas por sus mejores prestaciones. Mediante finas tuberías metálicas con diámetro interior de tan sólo dos milímetros se envía el combustible a los inyectores. Cada inyector va montado sobre un soporte o portainyector y en su interior tiene una aguja sobre la que actúa un resorte, la cual cierra el orificio de salida del líquido denominado tobera. El combustible a alta presión en el interior del inyector desplaza la aguja comprimiendo el resorte, saliendo por la tobera al interior del cilindro. El tamaño de la tobera y la presión del combustible definen el tamaño de las gotas que entran en el cilindro. La inyección en antecámara se hacía en una cavidad tallada en la culata. La inyección directa introduce el gas-oil directamente sobre el pistón, en cuya cabeza hay huecos que provocan turbulencias en el aire que se comprime, mejorando y acelerando la combustión, al optimizarse el proceso de mezcla de aire y combustible. 46 Motores y Máquinas Agrícolas Tornillo de regulación Entrada del gasoil Muelle de presión Aguja inyectora Varilla Tobera Figura 32. Elementos de un inyector de gasoil. Para facilitar el arranque en frío en los motores Diesel, se utilizan resistencias eléctricas controladas mediante sensores de temperatura. 3.6.2.3. Bomba de inyección de pistones en línea La bomba de inyección de pistones en línea aloja en su interior un árbol de levas que gira accionado por el cigüeñal mediante engranajes. Cada leva empuja y desplaza el vástago de un pistón a través de un empujador o botador, provisto en su parte inferior de un rodillo. Mediante una cremallera dentada accionada por el acelerador, se consigue girar el cilindro y el pistón de impulsión. Figura 33. Bomba de inyección de pistones en línea. El pistón lleva una incisión vertical, una escotadura en forma de bisel y dos orificios de llenado. 47 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Figura 34. Elemento de una bomba de inyección en línea. Cuando el pistón está en la parte más baja de su recorrido, el cilindro se llena de combustible y al subir empujado por la leva impulsa el gasoil hacia el inyector. Cuando el pistón baja empujado por el muelle se deja de enviar gasoil, cerrándose la válvula antirretorno y deteniéndose la inyección súbitamente. El volumen de combustible inyectado varía haciendo pivotar el pistón para que su escotadura coincida antes o después con uno de los orificios de llenado del cilindro. Hay una posición del pistón en la que la ranura vertical coincide con uno de los orificios de llenado del cilindro, que se aprovecha para detener el motor. a) b) c) Figura 35. Funcionamiento del pistón de una bomba de inyección en línea: a) carga, b) principio de inyección y c) fin de inyección. En las bombas existen reguladores que efectúan el control de la velocidad del motor, los cuales actúan bien por fuerza centrífuga o bien mediante el vacío. 48 Motores y Máquinas Agrícolas Palanca de mando de la cremallera Mando del acelerador Muelle Contrapesos Cremallera Arbol de levas de la bomba Figura 36. Regulador de una bomba de inyección en línea. 3.6.2.4. Bomba de inyección rotativa El gas-oil llega a la bomba de transferencia después de pasar por el filtro impulsado por la bomba de alimentación. La bomba de transferencia aumenta la presión mandando el gas-oil a la válvula dosificadora. Figura 37. Bomba de inyección rotativa. La válvula dosificadora, que se acciona mediante el mando del acelerador y el regulador, abre más o menos el orifico de paso del gas-oil hacia el cabezal hidráulico. Los pistones del cabezal hidráulico, se separan en función de la presión del combustible que deja pasar la válvula dosificadora. 49 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Mando del acelerador Muelle de marcha lenta Cable del acelerador Mando de parada Muelle del regulador Válvula dosificadora Piñón del mando del acelerador Salida del combustible hacia el cabezal hidráulico Entrada del combustible desde la bomba de transferencia Figura 38. Válvula dosificadora de una bomba de inyección rotativa. La válvula dosificadora se puede mover: - Hacia arriba, cerrando el conducto de salida de gas-oil al cabezal hidráulico disminuyendo la cantidad inyectada y el régimen de giro del motor - Hacia abajo, abriendo el conducto de salida y aumentando la cantidad inyectada y el régimen de giro del motor. Al girar el rotor dentro del anillo de levas, los rodillos son empujados desplazando los pistones que comprimen el combustible que sale por la perforación longitudinal del rotor en el momento que coincide con las salidas a los inyectores. Entrada desde la válvula dosificadora Émbolos Rodillos Dedo distribuidor Anillo de levas Salida hacia el inyector Levas Figura 39. Funcionamiento de una bomba de inyección rotativa. 50 Motores y Máquinas Agrícolas En los últimos años las bombas de inyección han variado al incorporar sistemas de gestión electrónica (Fig. 40). El pistón distribuidor es solidario a un plato de levas con igual número de levas al de cilindros del motor. El plato de levas es movido en rotación por el eje de arrastre y se mantiene en apoyo sobre el plato porta-rodillos mediante muelles de retroceso. La presión de inyección es determinada por la forma de la leva del disco de levas. Además de influir sobre la presión de inyección también lo hace sobre la duración de la misma. Unidad de control electrónica Electroválvula de acción rápida dosificación de combustible Sensor de revoluciones Bomba de alimentación Plato porta rodillos Plato de levas Dispositivo variador de avance a la inyección Pistón Electroválvula de control del variador de avance Figura 40. Bomba de inyección de pistón axial (Marca Bosch, modelo VP 29-30). 3.6.2.5. Alimentación «common rail» El sistema «common rail» o por electroinyectores, consiste en un tubo de distribución en el que está contenido el carburante enviado por una bomba de paletas a alta muy alta presión (800-1250 atm). Figura 41. Motor con sistema de alimentación «common rail» (Marca Volvo, modelo D5) 51 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Desde el colector común se hacen conexiones mediante tubos de acero (de 2 mm) hasta el electroinyector que introduce el combustible en la cámara de combustión. El electroinyector está constituido por una bobina que actúa sobre una aguja, cuyo extremo abre y cierra una tobera con salida multipunto. Figura 42. Esquema de un sistema de alimentación «common rail». La duración de la corriente de excitación enviada al electroinyector, la presión de trabajo y la sección de salida del combustible por la tobera permiten controlar el volumen de combustible inyectado. Figura 43. Inyector electrónico para alimentación «common rail». Un microordenador controla la cantidad a inyectar y el instante de inicio de la pulverización de combustible en cada cilindro. 52 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 44. Control electrónico de la alimentación «common rail». 3.7. Sistema de distribución La distribución es el conjunto de elementos necesarios para regular la entrada y salida de gases del cilindro de los motores de cuatro tiempos. Para ello actúa abriendo y cerrando las válvulas en los tiempos de admisión y escape de forma sincronizada con el giro del cigüeñal. Los elementos que constituyen la distribución son los siguientes: - Válvulas - Levas - Empujadores - Balancines - Elementos de regulación Figura 45. Elementos de un sistema de distribución. 53 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial La válvula está compuesta por: - Cabeza, sirve para cerrar el orificio de paso de los gases. - Vástago o cola, sirve para guiar el movimiento y para transmitir a la cabeza el empuje de la leva y la fuerza del muelle. La estanqueidad se realiza, mediante una superficie tronco-cónica, tallada en la periferia de la cabeza, que apoya sobre un asiento. La válvula abre hacia el interior de la cámara de combustión, favoreciendo la estanqueidad ya que la presión de los gases se opone a su apertura. Figura 46. Posición de las válvulas sobre la cámara de combustión. 3.7.1. Sistemas de accionamiento de las válvulas Los sistemas de accionamiento de las válvulas varían según su posición en el motor y los elementos que sirven de enlace con las levas. Los más empleados son: - Sistema SV o de válvulas laterales, con las levas y válvulas situadas al lado del cilindro. - Sistema OHV (Over Head Valves) o de levas en bloque y válvulas en culata, que es el sistema más generalizado. - Sistema OHC (Over Head Cam) o de levas y válvulas en culata, que es el medio más directo de transmitir el movimiento a las válvulas. 54 Motores y Máquinas Agrícolas a) b) c) Figura 47. Sistemas de accionamiento de las válvulas: a) sistema SV, b) sistema OHV y c) sistema OHC. - Sistema SV Este sistema es muy sencillo, ya que emplea pocos elementos de accionamiento y reduce los efectos de inercia producidos por el movimiento alternativo de los empujadores. El sistema SV no se utiliza desde hace tiempo ya que las válvulas no están colocadas en la culata sino en el bloque motor, lo que provoca que la cámara de compresión tenga que ser mayor y el tamaño de las cabezas de las válvulas se vea limitada. Debido al excesivo volumen requerido en la cámara de combustión origina bajas relaciones de compresión y poco rendimiento térmico, por lo que se emplea poco en la actualidad. - Sistema OHV Se distingue por tener el árbol de levas en el bloque motor y las válvula dispuestas en la culata. La ventaja de este sistema es que la transmisión de movimiento del cigüeñal a el árbol de levas se hace directamente por medio de dos piñones o con la interposición de un tercero, también se puede hacer por medio de una cadena de corta longitud, por lo que necesita un mínimo mantenimiento. La desventaja viene dada por el elevado numero de elementos que componen este sistema lo que trae con el tiempo desgastes que provocan fallos en la distribución (reglaje de taques). 55 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Figura 48. Sistema de accionamiento de las válvulas OHV. - Sistema OHC Se distingue por tener el árbol de levas en la culata lo mismo que las válvulas. Es el sistema utilizado hoy en día en la mayoría de motores. Este sistema evita los efectos de inercia y de holgura, realizando el accionamiento de las válvulas por mando directo o por medio de semibalancines. Figura 49. Sistemas de accionamiento de las válvulas OHC. Tiene la desventaja de complicar la transmisión de movimiento del cigüeñal al árbol de levas, ya que, se necesitan correas o cadenas de distribución mas largas que con los km. tienen mas desgaste por lo que necesitan mas mantenimiento. Hay una variante del sistema OHC, el DOHC la D significa Double es decir doble árbol de levas, utilizado sobre todo en motores con 3, 4 y 5 válvulas por cilindro. 56 Motores y Máquinas Agrícolas 3.7.2. Válvulas La cabeza de las válvulas lleva un vástago o cola cilíndrico, para que la pieza se refrigere y se desplace alternativamente dentro las guías. Las válvulas de escape suelen ser aleaciones de acero al cromo–níquel y al tungsteno– silicio, muy resistentes a las tensiones mecánicas, al calor y a la corrosión. Las válvulas de admisión suelen ser de menor calidad, de aceros al carbono, con cromo, silicio y níquel. a) b) Figura 50. Colocación de las válvulas en los conductos de admisión y expulsión: a) dos válvulas de expulsión y b) una sola válvula de expulsión. La cabeza de la válvula debe tener las máximas dimensiones posibles, pero por problemas de sobrecalentamiento que conlleva, se utiliza el montaje de varias válvulas por cilindro (multiválvulas), aumentando el rendimiento volumétrico y mejorando la refrigeración. La velocidad de entrada de gases frescos no debe superar los 80 m/s, y la salida de los gases de escape los 100 m/s. El ángulo de asiento suele ser de 45º o 30º (admisión). Los tipos de válvulas más usadas son: - Válvulas de cabeza esférica, son muy robustas. - Válvula de cabeza plana, reducen los efectos de inercia. - Válvulas de tulipa, facilitan la entrada y la evacuación de gases. La apertura de las válvulas puede hacerse mediante uno o dos árboles de levas (uno para admisión y otro para escape). 57 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 4 3 2 1 Figura 51. Partes de las válvulas: cabeza (1), asiento (2), vástago (3) y ranura (4). Para soportar los impactos que producen las válvulas, se utilizan asientos de válvulas montados sobre la culata de acero aleado al cromo-niquel. Para mantener asentadas las válvulas contra su asiento se utilizan muelles cuyo paso aumenta progresivamente. Figura 52. Muelles para el cierre de las válvulas. 3.7.3. Levas Las válvulas se abren por el empuje de las levas una vez por cada dos vueltas del cigüeñal. La válvula comienza a abrirse en el punto de tangencia entre círculo base y flanco, permanece abierta durante toda la cresta, empieza a cerrarse durante el segundo flanco. La apertura y cierre de válvulas, que tiene que estar sincronizada con el ciclo de funcionamiento del motor, se realiza disponiendo las levas en el árbol de levas, en el que además se sitúan el accionamiento de la bomba de combustible, el del distribuidor de encendido, y el de la bomba de aceite. 58 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 53. Árbol de levas. El accionamiento del árbol de levas se realiza desde el cigüeñal, empleando diferentes sistemas de transmisión: - Dos engranajes en toma constante, cuando la distancia entre ejes es corta. - Un tren simple de engranajes con una rueda intermedia, para distancias entre ejes mayores. Figura 54. Cadena de la distribución. - Dos piñones unidos por una cadena provista de tensor cuando el árbol de levas está situado en la culata. También se puede utilizar una correa dentada de caucho con armadura de poliamida. a) b) c) Figura 55. Transmisión de movimiento al árbol de levas en los diferentes sistemas de distribución: a) Sistema OHV, b) Sistema OHC y c) Sistema SV. 59 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial La velocidad angular del árbol de levas tiene que ser la mitad de la del cigüeñal, por lo que el diámetro del engranaje arrastrado es el doble que el del engranaje conductor. Los engranajes de la distribución llevan unas marcas de referencia para asegurar la sincronización del árbol de levas y el cigüeñal para la apertura y cierre de las válvulas. Entre la cola de la válvula y la leva hay un huelgo para absorber las dilataciones térmicas de los elementos que componen la distribución, que se obtiene mediante el reglaje de taqués con galgas. Si el huelgo es insuficiente, al producirse la dilatación la válvula podría quedar abierta, produciendo fugas y si es excesivo la válvula tardaría más en abrirse y cerrarse, disminuyendo el rendimiento indicado. 3.7.4. Balancines Son palancas que transmiten el movimiento de las levas a las válvulas, cuyo eje de giro puede estar en su centro (balancines basculantes), para árboles de levas situados en el bloque, o en un extremo (balancines oscilantes o semibalancines) para los situados en la culata. Figura 56. Balancines para la apertura de las válvulas. El conjunto de válvulas va montado sobre el eje de balancines. Figura 57. Eje de balancines. 60 Motores y Máquinas Agrícolas 3.8. Sistema de lubricación El fluido empleado para suavizar el movimiento de dos superficies se denomina lubricante. Mediante la interposición de una película de lubricante entre dos superficies se disminuyen las pérdidas por rozamiento y el desgaste, ya que el deslizamiento se produce entre las moléculas de fluido. 3.8.1. Equipo de engrase de los motores alternativos Los principales elementos que componen el sistema de engrase son: - Cárter - Filtros - Bomba - Manómetro - Válvula reguladora de presión El aceite lubricante contenido en el cárter es aspirado por la bomba a través de un filtro de malla y enviado a presión, a través de un segundo filtro a la tubería principal situada en el bloque. De la tubería principal parten conducciones internas hacia los cojinetes, donde el lubricante sale por unos orificios situados en los contrapesos del cigüeñal y pies de las bielas. Figura 58. Sistema de lubricación de un motor (Marca Caterpillar). 61 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Al salir es pulverizado y formando una nube que engrasa las paredes de los cilindros y demás elementos situados en el interior del bloque. El segmento rascador o de engrase de los pistones lo barre de las paredes del cilindro y retornando al cárter. De la tubería principal también parten conductos hacia los apoyos del árbol de levas y al eje de balancines, desde donde al rebosar engrasa las guías de válvula y retorna al cárter por los orificios de las varillas empujadoras. En motores modernos la cabeza de biela se lubrica a presión a través del taladro longitudinal practicado en la caña que lleva el aceite a presión desde los cojinetes de bancada. El engrase de los motores de dos tiempos se realiza por mezcla de aceite (3%) con el combustible. Durante la admisión el aceite entra en el cárter mezclado con el combustible y, al evaporarse éste, se deposita sobre las superficies de las piezas, introduciéndose por los orificios de engrase de los cojinetes de apoyo. Los elementos de los circuitos de engrase a presión, tienen las siguientes características: * El filtro de malla de la aspiración evita que las impurezas procedentes de la combustión y las partículas metálicas procedentes del desgaste de las piezas, circulen por el interior del motor. * El segundo filtro, montado en el interior de un recipiente roscado en el bloque, debe oponer baja resistencia al paso del aceite mediante una gran superficie de filtrado. Figura 59. Filtro del aceite. 62 Motores y Máquinas Agrícolas * La bomba, accionada por el motor a través del árbol de levas o desde la distribución, suele ser de engranajes. Figura 60. Bomba de engranajes para la lubricación. * La válvula reguladora que controla la presión de funcionamiento se monta en la impulsión y permite descargar al cárter el aceite sobrante cuando la bomba envía excesivo el caudal. Figura 61. Válvula reguladora de presión. La presión suele oscilar entre 2 y 2.5 kg/cm2 con el motor en caliente y cerca de los 4 kg/cm2 con el motor en frío. * Mediante un manómetro o una lámpara testigo se controla la presión de funcionamiento. * Para mantener la temperatura del aceite dentro de unos límites (75 y 85ºC) el aceite caliente se hace retornar al cárter, con una alta conductividad térmica y capacidad de radiación de calor, donde es refrigerado. Algunos vehículos disponen de un circuito de refrigeración del aceite mediante un radiador de aire. 63 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 3.9. Sistema de refrigeración La combustión alcanza temperaturas instantáneas que llegan a superar los 2500ºC, siendo necesaria la refrigeración para evitar que los elementos más próximos a la cámara de combustión, (cilindro, pistón y válvulas de escape) lleguen a fundirse. La refrigeración no debe ser excesiva, para mantener la temperatura del motor a un cierto valor y que la combustión se realice con normalidad. La refrigeración es la principal causa de que el rendimiento del motor, es decir el porcentaje de energía del combustible que se aprovecha para realizar trabajo mecánico, sea del 30 al 35%. La refrigeración de los motores alternativos que se utilizan en las máquinas agrícolas, puede hacerse por aire o por agua. La refrigeración por aire evacua el calor del motor mediante una corriente de aire y aletas de irradiación, de superficie proporcional a la cantidad de calor a evacuar, dispuestas en las zonas a refrigerar. Este sistema de refrigeración se caracteriza por una gran simplicidad mecánica, poco peso y necesidad de mantenimiento, aunque es ruidoso y depende de la temperatura ambiente. La refrigeración por agua consiste en hacer circular una masa de líquido por los huecos del bloque y la culata del motor que por transmisión evacua el calor de las zonas a refrigerar. Figura 62. Elementos básicos del sistema de refrigeración: 1. Radiador, 2. Panel del radiador, 3. Depósito de agua, 4. Manguito flexible, 5. Ventilador, 6. Bomba de agua, 7. Termostato, 8. Sensor de temperatura, 9. Camisa de agua, 10. Intercambiador de calor, 11. Válvula regulación calefacción. 64 Motores y Máquinas Agrícolas El agua (con fluido anticongelante) contenida en el depósito del radiador se hace circular mediante una bomba de tipo centrífugo. El líquido sale por la parte inferior del radiador y entra en el motor pasando alrededor de las paredes del cilindro y de la cámara de combustión, evacuando la parte del calor producido en la combustión que absorben los elementos del motor. Una vez caliente por la energía absorbida, el líquido pasa desde la parte superior de la culata hasta la parte superior del radiador, donde es enfriada a su paso por un panel intercambiador de calor con el aire atmosférico. • Válvula reguladora de temperatura En el circuito se coloca una válvula termostática que regula el paso del líquido, desviándolo de nuevo hacia la bomba, cuando aún está frío o haciéndolo pasar por el radiador, cuando se ha calentado. La válvula reguladora de temperatura, situada en la salida de agua caliente de la culata, mantiene la temperatura ideal de funcionamiento del motor (próxima a 85ºC). Su principio de funcionamiento consiste en aprovechar la dilatación que origina el aumento de temperatura en algunos materiales. Figura 63. Válvula reguladora de temperatura. • Ventilador El ventilador accionado por el propio motor mediante una correa de transmisión produce la corriente de aire a través del radiador y además refrigera el generador de corriente o los conductos de escape. Una bomba de agua de tipo centrífugo, formada por una carcasa unida al bloque y una turbina que gira en su interior accionada desde el cigüeñal mediante una correa y dos poleas. 65 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Figura 64. Accionamiento del ventilador. El caudal que envían este tipo de bombas es proporcional al cubo de su velocidad de giro. En los vehículos actuales, el ventilador es accionado por un motor eléctrico cuando el motor supera la temperatura deseada, aumentando el rendimiento, disminuyendo el consumo específico y reduciendo la emisión de ruidos. • Radiador El radiador consta de dos depósitos unidos entre sí por conductos de una elevada conductividad térmica y con una gran superficie de irradiación. En el depósito superior va situada una boca de llenado cerrada por un tapón con dos válvulas antirretorno, que abren cuando la temperatura del motor sube exesivamente, saliendo vapor de agua que se licúa en un depósito auxiliar denominado vaso de expansión. 5 1 3 4 2 Figura 65. Elementos de un radiador de un tractor: depósito superior (1), depósito inferior (2), conducto de entrada (3), conducto de salida (4) y tapón de llenado (5). Cuando el agua se enfría se abre la segunda válvula debido al vacío interno retornando el líquido desde el vaso de expansión al radiador. Un termómetro indicador de la temperatura del agua de refrigeración permite controlar el calentamiento del motor. Al agua de refrigeración se le añaden aditivos químicos a base de alcohol etílico mezclado con glicerina que reducen su capacidad de corrosión, su punto de congelación y la formación de espumas. 66 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 4. Ciclos teóricos de los motores endotérmicos 4.1. Introducción Se entiende por ciclo termodinámico, a las transformaciones que ocurren de forma periódica en el interior del motor. Se pueden estudiar varios ciclos termodinámicos en función del fluido considerado: - Ciclo ideal. Ciclo teórico con el aire (gas perfecto) como fluido activo, con calores específicos constantes: cp= 0,24 kcal/kg·K cv= 0,17 kcal/kg·K También se considera que la compresión y expansión son adiabáticas. - Ciclo de aire. El fluido activo es el aire con calores específicos variables con la temperatura, siendo la compresión y la expansión adiabáticas. - Ciclo de aire-combustible. Durante la aspiración el fluido activo es una mezcla de aire, combustible y gases residuales de la combustión del ciclo anterior, y durante la fase de escape una mezcla de H2O, CO2, CO y N2. (p, Tmax)Teórico> (p, Tmax)Aire > (p, Tmax)Aire-Comb. ⇒ηTeórico > ηAire > ηAire-Comb. El ciclo real o indicado que define el proceso que realmente se produce en un motor, se puede obtener con un banco de ensayos. 4.2. Ciclo teórico Atkinson También se pueden estudiar distintos ciclos teóricos según las transformaciones termodinámicas consideradas. En el ciclo de Atkinson se realizan las siguientes suposiciones: - Evoluciona un gas perfecto. - Los valores del calor específico son constantes (del aire). - El peso molecular del fluido es el del aire. - Los intercambios de calor y trabajo con el exterior permiten un ciclo termodinámico con procesos reversibles. - La compresión y expansión son adiabáticas. Es básicamente igual al ciclo Otto con cuatro tiempos: admisión, compresión, explosión y escape. La gran diferencia se centra en la admisión, mucho más corta que en el ciclo Otto y evitando el cruce de válvulas. Los motores de ciclo Atkinson incorporan una relación de compresión muy elevada para que la admisión tenga un ciclo muy corto, la compresión resulte muy elevada para mejorar la explosión y ésta termine resultando más limpia. El 67 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial escape se produce cuando la fuerza de explosión ha disminuido mucho, con lo que dicho ciclo tiene una mayor eficiencia térmica. Q34 W34 P 3 4 Q23 2 W45 W12 5 1 Q61 Q56 6 W61 V Figura 66. Ciclo teórico Atkinson. • Procesos termodinámicos Los diferentes procesos termodinámicos que describen el ciclo Atkinson son los siguientes: Proceso 1-2. Compresión reversible y adiabática (proceso isentrópico). Se entrega al sistema el trabajo W12. p⋅vγ = Cte (11) T⋅vγ-1 = Cte (12) Proceso 2-3. Se añade calor a volumen constante. El calor suministrado al sistema es Q23. p/T = Cte (13) Proceso 3-4. Se suministra calor a presión constante. El calor suministrado al sistema es Q34 y este realiza el trabajo W34. v/T = Cte (14) Proceso 4-5. Expansión reversible y adiabática (proceso isentrópico). El sistema realiza el trabajo W45. p·vγ = Cte (15) T·vγ-1 = Cte (16) Proceso 5-6. Se enfría el sistema a volumen constante. El calor cedido por el sistema es Q56. p/T = Cte (17) 68 Motores y Máquinas Agrícolas Proceso 6-1. Se enfría el sistema a presión constante. El calor cedido por el sistema es Q61 y le entregamos el trabajo W61. v/T = Cte (18) • Rendimiento termodinámico: El rendimiento termodinámico de un proceso es la relación entre la energía obtenida y la energía suministrada. WObtenido = W34 + W45 - W61 - W12 (19) QSuministrada = Qs = Q23 + Q34 QCedida = Qc = Q56 + Q61 η = Trabajo obtenido W 34 + W 45 - W 12 - W 61 = Calor suministra do Qs (20) (21) (22) Por el primer principio de la termodinámica o de la conservación de la energía se cumple que: W12 + W61 + Qs = W34 + W45 + Qc ⇒ WObtenido = W34 + W45 - W16 - W12 = Qs - Qc η = q Qs - Qc Q = 1- c = 1- c qS QS Qs (23) (24) Sustituyendo los calores específicos (por unidad de masa) en la expresión del rendimiento y considerando que γ = cp/cv, se obtiene: - + γ ⋅ (T 6 - T 1 ) η = 1 - T5 T6 T 3 T 2 + γ ⋅ (T 4 - T 3 ) (25) qc = q56 + q61 = cv⋅(T5 - T6) + cp⋅(T6 - T1) qs = q23 + q34 = cv⋅(T3 - T2) + cp⋅(T4 - T3) (26) (27) ⎛T 5 ⎞ ⎛ ⎞ - 1 ⎟⎟ + γ ⋅ ⎜⎜ T 6 - 1 ⎟⎟ ⋅ T 1 T 6 ⋅ ⎜⎜ ⎝ T1 ⎠ ⎝T 6 ⎠ η = 1⎛T 4 ⎞ ⎛T 3 ⎞ - 1 ⎟⎟ + γ ⋅ ⎜⎜ - 1 ⎟⎟ ⋅ T 3 T 2 ⋅ ⎜⎜ ⎝T 2 ⎠ ⎝T 3 ⎠ (28) sacando factor común y multiplicando y dividiendo por T1: ⎛T 5 ⎞ ⎜⎜ - 1 ⎟⎟ + γ T 6 T1 ⎝T 6 ⎠ η = 1- ⋅ ⋅ T1 T 2 ⎛T 3 ⎞ ⎜⎜ - 1 ⎟⎟ + γ ⎝T 2 ⎠ o bien: 69 ⎛ ⎞ ⋅ ⎜⎜ T 6 - 1 ⎟⎟ ⋅ T 1 ⎝ T1 ⎠ T 6 ⎛T 4 ⎞ T 3 - 1 ⎟⎟ ⋅ ⋅ ⎜⎜ ⎝T 3 ⎠ T 2 (29) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial ⎛ T ⎞⎤ T 6 ⎡⎛⎜ T 5 ⎞⎟ ⋅ ⎢⎜ - 1 ⎟ + γ ⋅ ⎜⎜1 - 1 ⎟⎟ ⎥ T 1 ⎣⎝ T 6 ⎠ ⎝ T 6 ⎠⎦ η = 1 - T1 ⋅ ⎞ T 2 ⎛T 3 ⎞ T ⎛T ⎜⎜ - 1 ⎟⎟ + γ ⋅ 3 ⋅ ⎜⎜ 4 - 1 ⎟⎟ T 2 ⎝T 3 ⎠ ⎝T 2 ⎠ (30) • Parámetros termodinámicos: En el ciclo se definen los siguientes parámetros: - Relación de compresión efectiva, r'=V1/V2 = V1/V3 (31) - Relación de expansión total o relación de compresión geométrica r =V5/V3 = V6/V2 (32) - Relación de presiones o relación de combustión a volumen constante rp = p3/p2 = p4/p2 (33) - Relación de corte o relación de combustión a presión constate rc =V4/V3 = V4/V2 (34) El rendimiento termodinámico del ciclo se puede expresar en función de los parámetros anteriores. - Proceso a presión constante 3-4: v3 = v4 T4 T3 Proceso a presión constante 6-1: v 6 = v1 T1 T6 ⇒ v/T = Cte T 4 = v4 = rc v3 T3 ⇒ v/T = Cte T 6 = v6 = v5 = v5 ⋅ v2 = r ⋅ 1 r′ v 2 v1 v1 v1 T1 Proceso a volumen constante 2-3: p2 T2 = p3 T3 Proceso a volumen constante 5-6: p5 T5 = (35) p6 T6 y T1 = r ′ r T6 (36) p/T = Cte ⇒ T 3 = p3 = rp p2 T2 (37) p/T = Cte ⇒ 70 T 5 = p5 p6 T6 (38) Motores y Máquinas Agrícolas Proceso isentrópico 1-2 p1 ⋅ v1γ = p2 ⋅ v γ2 (39) γ -1 T 1 ⋅ v1 = T 2 ⋅ v 2 γ -1 o bien ⇒ γ -1 γ -1 T 1 = ⎛⎜ v 2 ⎞⎟ ⎜ ⎟ T 2 ⎝ v1 ⎠ ⎛1 ⎞ =⎜ ⎟ ⎝r′⎠ (40) Proceso isentrópico 4-5 ⇒ p1 = p6 p4 .v γ4 = p5 .v γ5 (41) p6 . v1γ = p2 . v γ2 (42) dividiendo estas dos últimas expresiones entre sí se obtiene: p5 . v 5γ = p4 . v γ4 ⎫ γ γ p5 p4 ⎛ v 4 ⎞ ⎛ v1 ⎞ ⎪ = . ⎜⎜ ⎟⎟ . ⎜⎜ ⎟⎟ ⇒ ⎬ _ p p2 ⎝ v 2 ⎠ ⎝ v 5 ⎠ 6 p6 . v1γ = p2 . v γ2 ⎪⎭ η = 1- 1 r '(γ −1) ⋅ γ p5 ⎛r′⎞ = r p . r γc . ⎜ ⎟ p6 ⎝r ⎠ γ r ⎡ ⎛ r′⎞ ⎛ r ′ ⎞⎤ ⋅ ⎢r p ⋅ r γc ⋅ ⎜ ⎟ - 1 + γ ⋅ ⎜1 - ⎟ ⎥ r ′ ⎣⎢ r ⎠ ⎦⎥ ⎝r ⎠ ⎝ (43) (44) r p - 1 + γ (r c - 1) ⋅ r p 4.3. Ciclo teórico Otto El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante. Hay dos tipos de motores que se pueden por este ciclo: los motores de gasolina de dos y cuatro tiempos. 3 P Q1 W34 2 4 W12 Q2 1 V Figura 67. Ciclo teórico Otto. 71 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial • Procesos termodinámicos: Los procesos termodiámicos que describen el ciclo son: Proceso 1-2. Compresión adiabática. γ -1 γ -1 ⎛ ⎞ _ T 2 = T 1 . ⎜⎜ V 1 ⎟⎟ ⎝V 2 ⎠ γ -1 T 2 .V 2 = T 1 .V 1 (45) Proceso 2-3. Introducción de calor Q1 a volumen constante. Proceso 3-4. Expansión adiabática. γ -1 T 3 ⋅V 3 γ -1 = T 4 ⋅V 4 γ -1 ⎛V 4 ⎞ T 3 = T 4 ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝V 3 ⎠ ⇒ (46) Proceso 4-1. Cesión de calor Q2 a volumen constante. • Parámetros termodinámicos: En el ciclo Otto se definen los siguientes parámetros: - Relación de expansión total o relación de compresión geométrica: r = q v Volumen máximo = V1 = V 4 Volumen mÍnimo V2 V3 = q+v ( - )+ = V1 V 2 V 2 v V2 (47) cilindrada volumen de la cámara de combustión - Relación de compresión efectiva r'. Es igual a la relación de compresión geométrica. r=r' - Relación de presiones: rp=p3/p2 - Relación de corte: rc= 1 • Rendimiento termodinámico: El rendimiento termodinámico es: η = q Qs - Qc Q = 1- c = 1- c qS QS Qs (48) Los calores específicos (por unidad de masa), valen: qc = cv⋅(T4 - T1) qs = cv⋅(T3 - T2) (49) 72 (50) Motores y Máquinas Agrícolas Sustituyendo estos valores en la ecuación anterior se obtiene: η = 1 - T 4 T1 (51) T3 -T2 El rendimiento termodinámico se puede obtener sustituyendo los valores de la relación de compresión en la ecuación anterior: η = 1- 1 T 4 - T1 = 1 - γ -1 γ -1 γ -1 ⋅ ⋅ T4 r T1 r r (52) Queda como valor del rendimiento: η = 1- 1 r′ (53) ( γ -1) En esta expresión el rendimiento se observa que solo depende de la relación de compresión (r') y que cuanto mayor sea esta, mayor será el rendimiento del ciclo teórico Otto. 4.4. Ciclo teórico Diesel El ciclo Diesel se diferencia del ciclo teórico Otto en que la introducción de calor se realiza a presión constante. El área encerrada por el ciclo en el diagrama P-V, representa el trabajo útil, mientras que en el diagrama T-S, es el calor neto. Q1 P W23 2 3 W34 W12 4 Q2 1 V Figura 68. Ciclo teórico Diesel. • Procesos termodinámicos 73 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Los diferentes procesos termodinámicos que describen el ciclo Diesel son los siguientes: Proceso 1-2. Compresión adiabática reversible. Proceso 2-3. Absorción de calor Q1, a presión constante. Proceso 3-4. Expansión adiabática reversible. Proceso 4-1. Cesión de calor Q2, a volumen constante. • Parámetros termodinámicos: En el ciclo Diesel se definen los siguientes parámetros: - Relación de compresión efectiva (Relación de compresión) igual a la Relación de expansión total: r = Volumen máximo = V1 = V 4 Volumen mÍnimo V2 V3 - Relación de presiones: (54) rp=1 - Relación de corte o relación de combustión a presión constante: rc =V3/V2 (55) • Rendimiento termodinámico: El rendimiento termodinámico es: η = q Q Qs - Qc = 1- c = 1- c qS QS Qs (56) Los calores específicos (por unidad de masa), valen: qc = cv⋅(T4 - T1) qs = cp⋅(T3 - T2) (57) (58) Sustituyendo estos valores en la ecuación del rendimiento se obtiene: 1 ⋅( - ) η = 1 - cv T 4 T 1 = 1 - ⋅ T 4 T 1 γ T3 -T2 c p ⋅ (T 3 - T 2 ) 74 (59) Motores y Máquinas Agrícolas sacando factor común T1 y T2, queda: T4 - 1 1 T1 T1 η = 1- ⋅ ⋅ γ T2 T3 -1 T2 (60) Queda como valor del rendimiento: η = 1- γ 1 rc -1 ⋅ ( γ -1) γ ⋅ (r c - 1) r′ (61) γ rc -1 > 1 γ ⋅ (r c - 1) (62) El rendimiento depende de r' y rc. rc >1 ⇒ Por tanto para un valor dado de la relación de compresión el rendimiento del motor diesel es menor que el de un motor Otto. ηOTTO > ηDIESEL para una misma r. 4.5. Ciclo Sabathe El ciclo de Sabathe o ciclo mixto, es intermedio entre el Otto y el Diesel, y se aproxima bastante al ciclo real de un motor. La introducción de calor al sistema se realiza en dos fases: - A volumen constante: explosión de todo el gasoil que hay en el interior del cilindro. - A presión constante: combustión del resto del gasoil conforme se va produciendo la inyección. • Procesos termodinámicos Los diferentes procesos termodinámicos que describen el ciclo mixto de Sabathe son los siguientes: Proceso 1-2. Compresión adiabática reversible. Proceso 2-3. Absorción de calor Q23, a volumen constante. Proceso 3-4. Absorción de calor Q34, a presión constante. 75 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Proceso 4-5. Expansión adiabática reversible. Proceso 5-1. Cesión de calor Q51, a volumen constante. Q34 P W34 3 4 Q23 2 W45 W12 5 Q51 1 Figura 69. Ciclo mixto de Sabathé. • Parámetros termodinámicos: En el ciclo mixto de Sabathe se definen los siguientes parámetros: - Relación de compresión efectiva igual a la Relación de compresión geométrica, e igual a la Relación de expansión total: r = r' (63) - Relación de presiones o relación de combustión a volumen constante: rp=p3/p2 (64) - Relación de corte o relación de combustión a presión constante: rc =V4/V3 (65) • Rendimiento termodinámico: El rendimiento termodinámico es: η = 1- 1 r′ ( γ -1) 76 ⋅ rp ⋅rc -1 1 r p + γ (r c - 1) ⋅ r p γ (66) Motores y Máquinas Agrícolas El rendimiento en este caso depende de los tres parámetros y aumenta como en los casos anteriores al aumentar la relación de compresión. 4.6. Comparación entre los tres ciclos Representado en un mismo gráfico los rendimientos de los tres ciclos en función de la relación de compresión (r'), se puede observar que para igual relación de compresión: ηOTTO > ηSABATHE > ηDIESEL En el ciclo Otto el rendimiento aumenta con la relación de compresión, pero existe un valor límite máximo admisible, r'≈11 para evitar la detonación. Rendimiento térmico ηt 70 Ciclo Sabathé Motores de encendido provocado 65 60 Ciclo Diesel 55 50 Motores de encendido por compresión Ciclo Otto 45 40 35 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Relación de compresión r’ Figura 70. Rendimiento térmico en función de la relación de compresión. En el ciclo Diesel puro el rendimiento depende de la relación de compresión y de la relación de corte, resultando que para una misma relación de compresión el rendimiento del ciclo Diesel puro es inferior al del Otto. En la practica siempre se adopta una mayor relación de compresión en los motores Diesel por lo que su rendimiento es mayor que el del motor Otto. En el motor Diesel la relación de compresión suele ser inferior a 24, pues el pequeño aumento en el rendimiento termodinámico no compensa la disminución del rendimiento mecánico (Mayores fuerzas, rozamientos, motor más pesado, etc.) 77 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 4.6.1. Comparación entre ciclos para igual cantidad de calor absorbido e igual relación de compresión El ciclo que tiene menor rendimiento es aquel que pierde más calor (Qc), ya que el calor absorbido siempre es el mismo. Donde más calor se pierde es en la transformación 4''-1, después en la 4'-1 y por último en la 4-1; luego: ηOTTO > ηSABATHE > ηDIESEL El rendimiento aumenta al aumentar la relación de presiones y disminuir la relación de corte. 3 P 3’ 2’ 3’’ 2 4’’ 4’ 4 Ciclo Otto Ciclo Diesel Ciclo Sabathé 1 V Figura 71. Representación de los tres ciclos con r'=Cte y Qs=Cte 4.6.2. Comparación entre los ciclos Otto y Diesel para igual cantidad de calor absorbido e igual presión máxima En el diagrama P-V se observa que donde más calor se pierde en la transformación 4'-1, que corresponde al ciclo Otto: ηDIESEL > η OTTO P 2 3 3’ 2’ 4’ 4 Ciclo Otto Ciclo Diesel 1 V Figura 72. Representación de los tres ciclos para Qs=Cte y pmax=Cte 78 Motores y Máquinas Agrícolas 4.6.3. El motor Diesel a carga parcial Cuando se hace funcionar el motor Diesel a carga parcial (acelerador poco pisado), aumenta su rendimiento. A carga parcial se mantiene la relación de presiones constate (primera fase de combustible inyectado) y va disminuyendo la relación de corte, obteniendo un mayor rendimiento. P 2 3 4 1 V Figura 73. El motor Diesel a carga parcial 4.7. Presión media de un ciclo Se denomina presión media de un ciclo, pm, a la correspondiente a un diagrama rectangular, de altura pm y base la cilindrada Q=(V1–V2), y cuya área es igual a la del ciclo. P P Wi Wi V V Figura 74. Presión media de un ciclo termodinámica. 79 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial El trabajo obtenido por ciclo se puede expresar como: W = ∫pm⋅dV = pm⋅(V1 - V2) = pm⋅Q ⇒ W trabajo útil del ciclo pm = W/Q (67) Q cilindrada total Una vez construido el motor, en un banco de ensayos se puede determinar el trabajo indicado (Wi) y por tanto, dividiendo éste por la cilindrada (Q) se obtiene la presión media indicada, pmi: Wi = Wi pmi = Q V1 - V 2 (68) Restando al trabajo indicado el absorbido por las pérdidas mecánicas, queda el trabajo efectivo (We) en el eje del motor. El trabajo efectivo en el eje del motor puede obtenerse a partir de la potencia efectiva, Ne, medida en un banco de pruebas: We = We pme = Q V1 - V 2 80 (69) Motores y Máquinas Agrícolas Tema 5. Ciclos reales de los motores endotérmicos 5.1. Ciclo indicado El ciclo real de un motor no se corresponde totalmente con los ciclos teóricos previamente analizados debido a que las hipótesis de partida no se cumplen totalmente. Por tanto, el funcionamiento real del motor es menos eficiente del supuesto por los ciclos teóricos. El ciclo indicado es el que representa la relación entre la presión dentro del cilindro (Figura 75) y su volumen medidos experimentalmente. Inicialmente se utilizaban sensores de presión denominados indicadores de donde derivó el nombre del ciclo obtenido mediante ellos. P sensor de presión osciloscopio PMS PMI Carrera α P x cuentarevoluciónes PMS α PMI Carrera Figura 75. Obtención experimental del ciclo indicado. Las diferencias entre el ciclo indicado y el teórico (Figura 76) se deben a los siguientes motivos: - El fluido que evoluciona no es un gas perfecto y reacciona químicamente con el combustible. - Los valores del calor específico no son constantes. 81 α Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial - Los fluidos presentan fenómenos de inercia como consecuencia de su masa y de las velocidades a los que se someten. - Las aperturas y cierres de las válvulas no coinciden con los puntos muertos del pistón. - En la carrera de admisión la presión es inferior a la atmosférica para que se produzca la entrada del aire, mientras que la expulsión se produce a una presión superior a la atmosférica. - En la compresión, se comprime una mezcla de aire (con combustible en los motores Otto) y de gases residuales que quedan de la combustión precedente. Este proceso se aproxima a un comportamiento adiabático debido a la pequeña diferencia de temperatura entre el fluido comprimido y la pared del cilindro. - En la expansión se producen importante pérdidas de calor a través de las paredes del cilindro hacia el sistema de refrigeración, por lo que hay una importante diferencia con respeto a una evolución adiabática. - En los motores de ciclo Otto la combustión dura un determinado tiempo durante el que el volumen va variando al moverse el pistón. - En los motores de ciclo Diesel, el adelanto de la inyección al punto muerto superior hace que se acumule un poco de combustible hasta alcanzar la presión necesaria para la combustión. En ese momento se produce parte de la combustión de forma instantánea con variación de presión. P a) b) P 3 2 E n c en d id o 4 Pat 0 V2 PM S BOM BEO Pat 1 BOM BEO V2 PM S V1 V PM I V1 V PM I Figura 76. Comparación entre los ciclos teórico e indicado Otto (a) y Diesel (b). El trabajo indicado viene representado por el área del ciclo indicado y es el trabajo proporcionado por los gases durante su expansión sobre la cabeza del pistón. El rendimiento de diagrama (ηd) o de calidad del ciclo se define como la relación entre el trabajo indicado y el trabajo teórico: 82 Motores y Máquinas Agrícolas ηd = τi τt (70) El trabajo real obtenido de los gases en el motor es: τi = τt.ηd (71) El rendimiento de diagrama no varía sustancialmente al modificar el régimen de giro del motor. 5.1.1. Trabajo efectivo El trabajo disponible en el eje del motor es menor que el trabajo indicado debido a las perdidas por rozamiento en los elementos mecánicos del motor, al trabajo necesario para el movimiento de los elementos auxiliares y a las pérdidas por bombeo en las fases de admisión y escape. El rendimiento mecánico se define como la relación entre el trabajo efectivo y el trabajo indicado: τ ηm = e τi (72) El rendimiento mecánico disminuye al aumentar el régimen de giro del motor. El trabajo efectivo, conocido el rendimiento mecánico, será: τe = τi⋅ηm (73) El trabajo efectivo obtenido en el eje del motor, que proporciona un cilindro durante un ciclo se puede obtener mediante la expresión: τ ecc = V U . ρ a .η v .F.H.η t .η d .η m donde, VU ρa ηv F H ηt ηd cilindrada unitaria densidad del aire rendimiento volumétrico riqueza de la mezcla poder calorífico del combustible rendimiento termodinámico rendimiento de diagrama 83 (74) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial ηm rendimiento mecánico Para un motor con Z cilindros y una cilindrada total VT, el trabajo efectivo producido en cada ciclo será: τ ec = τ ecc ⋅ Z = V T ⋅ ρ a ⋅ ηv ⋅ F ⋅ H.⋅ η t ⋅ η d ⋅ η m (75) Se define el rendimiento efectivo o económico como la relación entre el trabajo efectivo obtenido y el calor necesario aportado por el combustible para su obtención: τ η e = ec Qsc (76) El trabajo efectivo por ciclo obtenido es: τ ec = mcc ⋅ H ⋅ η e (77) 5.1.2. Potencia del motor La potencia (teórica, indicada o efectiva) es el trabajo realizado por el motor en un tiempo determinado, y se puede obtener fácilmente a partir del trabajo realizado en cada ciclo y en cada cilindro. Potencia = (Trabajo por ciclo y cilindro) ⋅ (Número de cilindros) Tiempo que tarda en realizar un ciclo (78) El tiempo que se tarda en realizar un ciclo es el empleado en dar una vuelta por el cigüeñal en los motores de dos tiempos y dos vueltas en los motores de cuatro tiempos: ⋅n⋅Z N = τ cc ⎧1 ⎫ ⎨ ⎬ ⋅ 60 ⎩2 ⎭ donde, N Potencia (efectiva, indicada o teórica). τcc Trabajo realizado por ciclo y cilindro. n Z Número de revoluciones del motor por minuto (r.p.m.) Número de cilindros del motor. 84 (79) Motores y Máquinas Agrícolas (Kp ⋅ m) ⋅ n (r.p.m.) ⋅ Z N (CV) = τ cc ⎧1⎫ ⎨ ⎬ ⋅ 60 ⋅ 75 ⎩2⎭ (80) 5.1.3. Potencia indicada La potencia indicada, es la medida del trabajo real desarrollado por los gases en el interior del cilindro durante un segundo. La potencia indicada se puede obtener a partir del ciclo indicado determinando su área, que es equivalente al trabajo indicado y utilizando la ecuación anterior que proporciona la potencia. 5.1.4. Potencia efectiva Mediante un freno se puede medir la potencia en el eje del motor, cuyo valor es inferior a la indicada debido a las pérdidas de trabajo por rozamiento y el accionamiento de elementos auxiliares. La relación entre la potencia indicada y la efectiva es el rendimiento mecánico: η m = Ne Ni (81) El trabajo efectivo realizado por un motor en cada revolución es el realizado por las dos fuerzas tangenciales generadas mediante un freno: τe = 2⋅π⋅R⋅2⋅FR = 2⋅π⋅F⋅L (82) donde, F L fuerza de frenado longitud del brazo del freno La potencia efectiva será: Ne = τe t UNA vuelta π ⋅F ⋅L⋅n = τe = 60 30 n 85 (83) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Las pérdidas mecánicas, llamadas también potencia de fricción se puede medir utilizando distintos sistemas: 1. Como diferencia entre la potencia indicada y la potencia efectiva. 2. Utilizando una fuente de potencia externa para hacer girar el motor sin encendido. 3. Suprimiendo la combustión en un cilindro para determinar la potencia indicada de un cilindro. Nf = Ne - Ni = Ne - Z⋅(Ne - Ne') (84) 5.1.5. Par motor El par motor se puede calcular a partir de la potencia y la velocidad de giro: N = T ⋅ω = N (CV) = T ⋅ n ⋅2 ⋅π 60 T ⋅n T (kp ⋅ m) ⋅ n (r.p.m.) ⋅ 2 ⋅ π = 716 60 ⋅ 75 ⋅Z T ⋅ 2 ⋅ π = τ cc ⎧1 ⎫ ⎨ ⎬ ⎩2 ⎭ (85) (86) (87) 5.2. Variación de la presión en el cilindro El trabajo obtenido por ciclo se puede expresar en función de la presión media como: τ = ∫ pm ⋅ dV = pm ⋅ (V1 − V2 ) = pm ⋅ VT pm = donde, VT cilindrada total τ trabajo útil del ciclo 86 τ VT (88) (89) Motores y Máquinas Agrícolas La presión media de un motor es proporcional al par motor. 5.2.1. Presión media indicada Mediante un banco de ensayos se puede determinar el trabajo indicado (τi) de un motor y dividiéndolo por la cilindrada (VT) se obtiene la presión media indicada, pmi: τ τi p mi = i = VT V1 - V 2 (90) Para un motor de 2 o 4 tiempos el trabajo indicado es función de la presión media indicada: τi = pmi⋅VT Potencia = TrabajoUN ciclo t UN ciclo = pmi ⋅ V T p ⋅V ⋅ n = mi T ⎧1⎫ ⎧1⎫ 60 ⎨ ⎬ ⋅ 60 ⎨ ⎬⋅ ⎩2⎭ ⎩2⎭ n (91) (92) 5.2.2. Presión media efectiva La presión media efectiva (pme), se define como: τ τe pme = e = VT V1 - V 2 (93) Se puede definir la presión media efectiva como el producto de la presión media indicada por el rendimiento mecánico: pme = pmi⋅ηm (94) 120 ⋅ N e VT ⋅ n (95) Motor de 4 tiempos: pme = Motor de 2 tiempos: pme = 87 60 ⋅ N e VT ⋅ n (96) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 5.3. Cálculo de los rendimientos Los distintos rendimientos que se consideran en un motor relacionan el trabajo teórico obtenido en el ciclo termodinámico, el trabajo indicado, el efectivo, la energía del combustible y la energía liberada realmente en la combustión. Los rendimientos se pueden expresar como una relación entre los trabajos, las potencias o las presiones medias. ηx = Trabajo Potencia Pr esión = = Trabajo' Potencia' Presión ′ (97) - Rendimiento de la combustión. Es la relación entre el calor realmente obtenido en la combustión (Qsc) o suministrado al sistema y la energía que posee el combustible (Q1): ηc = Qsc Q1 (98) - Rendimiento termodinámico. Es la relación entre el trabajo teórico obtenido en el ciclo termodinámico y el calor realmente obtenido en la combustión (Qsc) o suministrado al sistema: τ ηt = t Qsc (99) - Rendimiento del diagrama, de calidad o cualitativo. Se define como el cociente entre la potencia (trabajo o presión media) indicada y la potencia (trabajo o presión media) obtenida en el ciclo teórico: ηd = Ni = τ i Nt τ t (100) - Rendimiento mecánico. Es el cociente entre la potencia (trabajo o presión media) efectiva en el eje y la potencia (trabajo o presión media) indicada: p τ η m = N e = e = me pmi τi Ni 88 (101) Motores y Máquinas Agrícolas - Rendimiento efectivo o total. Es el producto de los distintos rendimientos del motor, y viene dado por el cociente entre la potencia (trabajo) efectiva en el eje y el calor necesario para obtenerlo: ηe = ηc ⋅ηt ⋅ηd ⋅η m (102) Si no se considera el rendimiento de la combustión, resulta: ηe = τe = . τi = . . τt ηm ηm ηd Qsc Qsc Qsc η e = η t .η d .η m (103) (104) - Rendimiento indicado. Es el cociente entre el trabajo indicado y el calor entregado al sistema para obtenerlo: τ τ τ ηi = i = i ⋅ t = ηd ⋅ηt Qsc τ t Qsc (105) 5.4. Rendimiento volumétrico Cuanto mayor volumen de aire se introduce en el cilindro, mayor resulta la cantidad de combustible que puede quemarse y la energía que produce el motor. El rendimiento volumétrico indica el mayor o menor grado de llenado del cilindro. El rendimiento volumétrico se define como la relación entre el peso efectivo del aire introducido en el cilindro durante la unidad de tiempo y el peso del volumen de aire que teóricamente debería introducirse en el mismo tiempo, calculado a base de la cilindrada unitaria y de las condiciones de temperatura y presión en el cilindro. El rendimiento volumétrico varía entre 0.75 y 0.85 y depende de: - La densidad de la carga y la dilución originada en la misma por los gases residuales, que disminuye al aumentar su temperatura por el calor cedido por las paredes del cilindro, reduciéndose el rendimiento volumétrico. Los mayores valores del rendimiento volumétrico se alcanzan en los motores para una velocidad del aire de 40-60 m/s, en régimen normal de funcionamiento y de 65-75 m/s en régimen de máxima potencia. 89 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial - Los tiempos de apertura y cierre de las válvulas. La cantidad de energía que se produce en el interior del cilindro se puede aumentar mediante sobrealimentación, llenando los cilindros al comprimir el fluido operante. La sobrealimentación se hace con un turbocompresor compuesto por una turbina acoplada a la salida de los gases de escape, que mueve un compresor que hace entrar el aire a presión en el interior del cilindro desde la admisión. Intercooler Turbocompresor Figura 77. Esquema de un motor con turbocompresor e intercooler. En los motores Diesel la sobrealimentación consigue una mayor energía en cada ciclo, mayor potencia para una misma cilindrada, menor consumo específico de combustible, debido a una combustión más perfecta, mayor duración y vida útil. Para reducir la temperatura del aire comprimido y conseguir la entrada de una mayor cantidad de aire en el cilindro se usa un intercambiador de calor (intercooler). 5.5. Rendimiento mecánico El rendimiento mecánico normalmente está comprendido entre 0.80 y 0.90. Depende del rozamiento entre los órganos móviles, del acabado de las superficies, de la lubricación, etc, y tiene en cuenta el trabajo absorbido por los rozamientos de los órganos del motor con movimiento relativo y de los órganos auxiliares (distribución, alternador, bombas de aceite y de la refrigeración, etc). 90 Motores y Máquinas Agrícolas 5.6. Diagrama circular El diagrama circular o diagrama de la distribución es una representación gráfica de los instantes de apertura y cierre de las válvulas referidos al ángulo de desplazamiento de la manivela. El adelanto de las válvulas se realiza para que en el punto muerto (PM) correspondiente estén completamente abiertas o cerradas. Se trata de conseguir la máxima admisión de mezcla aprovechando la inercia de los gases a su entrada en el cilindro. En el solape de las válvulas (α+β) es difícil que se produzca la salida de los gases entrantes por tener estos sentido completamente opuesto al de los gases que salen y por las grandes velocidades que llevan. AAA D AE RCE E A B G α β E’ ▬ ▬ ▬ ▬ admisión compresión expansión escape D F C C RCA E B A AAA AAE AAE Figura 78. Diagramas circulares de motores de cuatro (a) y dos tiempos (b): RCA Retraso del cierre de la admisión, AAA adelanto de la apertura de admisión, AAE Adelanto de la apertura de escape, RCE Retraso del cierre de escape y AE adelanto de la explosión. El diagrama P-α representa gráficamente la relación entre la presión medida dentro del cilindro y el ángulo girado por el cigüeñal (Fig. 79). Este tipo de representaciones son útiles para determinar los esfuerzos sobre los cojinetes y para determinar el ciclo real. En este ciclo, los límites de las diferentes fases no coinciden con los puntos muertos superior e inferior de las carreras del pistón. Las diferentes fases del motor no tienen el mismo recorrido angular (Fig. 78). Las fases de admisión y escape tienen siempre el mismo recorrido angular mientras que la variación del momento del encendido con la velocidad, las fases de compresión y de combustión-expansión tienen un recorrido que puede variar con la velocidad del motor. 91 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial PMS PMS PMI PMI PMS 7 Inicio del encendido 6 6' Cierre de la válvula de escape Cierre de la válvula de admisión 1 2 Pat. 0º 5 Apertura de la válvula de Apertura de la escape válvula de 8 admisión 9 11 4 3 180º admisión 1 10 360º compresión expansión 540º 720º escape Figura 79. Diagrama de presiones en función del giro del cigüeñal: ||| trabajo pasivo absorbido por el ciclo y /// trabajo útil del ciclo. 92 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 6.1. Actuación del regulador Mediante el ensayo al freno es posible conocer las prestaciones de un motor en alimentación máxima, cuando cada cilindro recibe la máxima cantidad de combustible que se puede quemar por ciclo. El regulador de la bomba inyectora juega un papel fundamental ya que la cantidad de combustible que recibe un cilindro determina el trabajo que se obtiene de él en un ciclo. El regulador (Figura 1) esta formado por un plato (1) de acoplamiento al árbol de levas de la bomba por medio del manguito roscado (2). En este plato y sobre los pernos (3), van situados los contrapesos o masas centrifugas (4), en cuyos rebajes de forma circular se acopla la brida de mando (5), formada por los salientes (6) de acoplamiento en los contrapesos y las garras de arrastre (7), a través de las cuales la bomba recibe el movimiento del motor. Figura 80. Regulador de avance a la inyección en una bomba de tipo lineal. La posición y regulación de los salientes (6), con respecto a las masas centrifugas, se realiza por medio de unos muelles (8) y unas arandelas de reglaje (9), que unen los salientes (6) con los pernos (3) del plato de acoplamiento, alojandose en los huecos del saliente (16). El conjunto va cerrado por medio de la cápsula soporte (10) y la tapa (11). 93 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Cuando el motor aumenta su velocidad, los contrapesos (4), por efecto de la fuerza centrifuga, tienden ha desplazarse hacia el exterior, empujando a los salientes (6) de la brida de mando, que se desplazan comprimiendo a los muelles (8) y disminuyendo, por tanto, el ángulo de acoplamiento en la brida de arrastre. Como esta brida no puede adelantarse ni retrasarse por estar unida a la transmisión del motor, son los perno (3) los que se desplazan en el sentido de avance de la bomba. Con ello arrastran el plato de acoplamiento con el árbol de levas y, por tanto, logran un adelanto de las levas del mismo. La bomba de inyección envía en cada momento la cantidad de combustible necesaria, según el estado de carga del motor. Para tener uniformidad de régimen incluso bajo condiciones variables de carga la bomba de inyección incorpora el regulador. El regulador tiene la misión de mantener constante la velocidad de giro del motor en el valor prefijado por el acelerador. Figura 81. Componentes de una bomba de tipo rotativo: 1. Válvula reguladora de presión en el interior de la bomba, 2. Grupo regulador del caudal de combustible a inyectar, 3. Estrangulador de rebose (retorno a deposito), 4. Cabezal hidráulico y bomba de alta presión, 5. Bomba de alimentación de aletas, 6. Variador de avance a la inyección, 7. Disco de levas y 8. Válvula electromagnética de parada. El regulador envía mayor cantidad de combustible por cilindro y ciclo cuando el régimen tiende a bajar y envía menos cuando la velocidad tiende a subir. La cantidad de combustible que es posible quemar en un cilindro por cada ciclo, tiene un límite que depende de la cantidad de oxígeno presente en su interior. Cuando se alcanza ese límite, el motor funciona en alimentación máxima y no es posible compensar los incrementos de carga con incrementos de combustible quemado, disminuyendo entonces la velocidad de giro. En el estudio teórico del comportamiento del motor en alimentación máxima, se consideran dos hipótesis simplificadoras: 1. La cantidad de combustible inyectado por ciclo en cada cilindro no varía con la velocidad de giro cuando trabaja en alimentación máxima. 94 Motores y Máquinas Agrícolas 2. El trabajo que se obtiene en la combustión no depende de la velocidad de giro. 6.2. Consumo horario y consumo específico El consumo horario es la cantidad de combustible quemado por el motor en la unidad de tiempo: Qh [g/s]=mcc [g/ciclo]·w [rad/s]·1/(4·π) [ciclos/rad] (106) El producto del consumo horario por el poder calorífico del combustible, representa la cantidad de calor liberado en la unidad de tiempo, es decir, la potencia ideal: (107) Nid=Qh·H Se denomina consumo específico, ce, al consumo de combustible del motor por unidad de tiempo y por unidad de potencia efectiva obtenida: ⎡g ⎤ Qh ⎢ ⎥ ⎡ g ⎤ ⎣h⎦ ce ⎢ = ⎥ ⎣ kWh ⎦ N f [kW ] (108) Considerando el trabajo efectivo por ciclo: τ ec = mcc ⋅ H ⋅ η e (109) τ ec = Qh ⋅ H ⋅η e Ne = t (110) y ce = 1 ηe ⋅ H (111) El consumo específico se suele expresar en (g/CV⋅h) a partir del poder calorífico del combustible, H, en (kcal/kg) y sabiendo que un caballo de vapor (CV) es igual a 75 (kg·m/s): η e ⋅ H (kcal/kg) = 427 ⋅ η e ⋅ H (kg ⋅ m/kg) = 427 ⋅η E ⋅ H 75 ⋅ 3600 ⎛ CV ⋅ h ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ ⎝ kg ⎠ (112) 427 = ⋅ η e ⋅ H (CV ⋅ h/gr) 75 ⋅ 3600 ⋅ 1000 Ce = 632.300 ηe ⋅ H 95 (g/CV ⋅ h) (113) Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial El consumo horario se puede determinar a partir del consumo específico, de la potencia al freno, Nf, y de la densidad del combustible, δc,: 1 C h = Ce ⋅ 10 −3 ⋅ N f ⋅ δc (l / h ) (114) 6.3. Relación entre par motor y trabajo efectivo por ciclo El par motor Mt es el momento torsor desarrollado por el eje del motor para vencer la resistencia que le ofrece la máquina que debe accionar. El par motor se relaciona con el trabajo efectivo por ciclo según la expresión: Mt = τ ec ⎧1 ⎫ ⎨ ⎬ ⋅ 2·π ⎩2 ⎭ = H ·mcc ·η e ⎧1 ⎫ ⎨ ⎬ ⋅ 2·π ⎩2 ⎭ (115) El par motor es proporcional a la masa de combustible inyectada por ciclo y al rendimiento económico. La presión media efectiva es directamente proporcional al par desarrollado: pme = ⎧1⎫ ⎨ ⎬·2·π ·M t ⎩2⎭ VT (116) 6.4. Curvas características Las curvas características de un motor representan gráficamente las prestaciones del mismo cuando funciona en alimentación máxima. El ensayo al freno para la determinación de las curvas características consiste en colocar la palanca aceleradora al máximo (máxima velocidad de giro) y aplica cargas que vayan reduciendo la velocidad de giro hasta un valor mínimo. Para cada valor de velocidad de giro se registra el par resistente medio y el consumo de combustible. La medida de la potencia al freno se realiza mediante el cálculo a partir de la medida del par efectivo y el régimen de giro: N=M·w [W] (117) donde, M w par motor [N·m] velocidad de giro del motor [rad·s–1] El freno opone un par resistente al motor y a su vez debe permitir variar dicho par, medirlo y disponer de un sistema de disipación de la energía producida. 96 Motores y Máquinas Agrícolas El motor alcanza el equilibrio cuando el par motor se iguale al resistente, observándose una velocidad de giro constante. El par efectivo medido por una balanza es: M=F·L [N·m] (118) donde, longitud del brazo del freno [m] fuerza ejercida sobre la balanza [m] L F El consumo específico se calcula dividiendo el consumo horario entre la potencia. La curva de consumo específico presenta un mínimo relativo para un determinado valor de velocidad de giro n2. A este régimen el motor tiene su máximo rendimiento económico en alimentación máxima. En la curva de par se aprecia un máximo relativo para una velocidad de giro n3, diferente a la del máximo rendimiento económico n2 . Par [N·m] Potencia [kW] Potencia, N 80 550 Consumo horario [l·h–1] 25 300 70 450 Consumo específico [g·kW–1·h–1] Par, M 20 60 250 50 350 250 15 Consumo horario, C 40 200 30 10 Consumo específico, Ce β 0 200 400 n3 600 800 n2 n1 n0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 Velocidad del motor [r.p.m.] Figura 82. Curvas características obtenidas mediante un ensayo al freno. El máximo par relativo indica el valor de velocidad de giro que maximiza el producto del rendimiento económico por la masa del combustible inyectado por ciclo. La curva de potencia en alimentación máxima suele ser creciente con la velocidad de giro. 97 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial En algunos motores puede presentarse un máximo relativo para un régimen n1, cercano al máximo n0, en el que se iguala la caída de par con el aumento de velocidad de giro. Las curvas de par y de potencia en alimentación máxima muestran los mayores valores que un motor puede alcanzar. - Obtención de la curva de potencia máxima En primer lugar se pone el acelerador en su posición de plena carga y sin frenar nada la toma de fuerza del tractor, se obtiene el punto de máxima velocidad de giro del motor en vacío, n0. A continuación se va aumentando el valor del par de frenado de manera que empieza a actuar el regulador introduciendo cada vez más combustible para generar más potencia del motor sin variar prácticamente nada la velocidad de giro. Si se sigue aumentando el par requerido en la toma de fuerza, debido a que el regulador ya se encuentra en la posición de alimentación máxima el motor no puede dar más potencia y, por tanto, para soportar el par de frenado, necesita disminuir el número de revoluciones. La corrección de factores atmosféricos se realiza mediante la siguiente expresión: 1.01325·10 5 [Pa ] 273 + t [º C ] · N 0 = N· P 288.5 (119) Despreciando las pérdidas en la transmisión (lo que está especificado en las normas de ensayo), la potencia suministrada por el motor será la misma que en la toma de fuerza: Nm=Ntdf=Mm·nm=Mtdf·ntdf (120) siendo: Mm = Mtdf i (121) i= nm ntdf (122) donde, relación de transmisión de la toma de fuerza i Como consecuencia de los resultados del ensayo, se deben representar las siguientes curvas: - Potencia en función de la velocidad de rotación del motor. Par equivalente en el cigüeñal en función de la velocidad. Consumo horario y específico de combustible en función de la velocidad. Consumo específico en función de la potencia en la zona de actuación del regulador. 98 Motores y Máquinas Agrícolas La zona 0-n3 corresponde a la de bajas revoluciones del motor y por lo tanto tiene su importancia en el momento de comenzar una labor, puesto que es conveniente disponer de pares suficientemente grandes para que no se dañe el embrague. La zona n1-n0, de actuación del regulador, debe ser lo más estrecha posible para que el número de revoluciones del motor y, por tanto, la velocidad de avance no descienda excesivamente al ir requiriéndose pares cada vez más altos. El punto más interesante de trabajo del motor es el que corresponde a n2 revoluciones del motor, puesto que disponiendo de par motor y potencia altas, el consumo específico (consumo por unidad de energía suministrada) es mínimo. La tangente a la curva de potencia desde el origen, 0, determina un punto de tangencia que corresponde al número de revoluciones, n3, del par máximo por corresponder al valor máximo de N/n=tgβ. Del mismo modo que se obtienen las curvas características con el acelerador completamente abierto, es posible obtener las curvas de isoconsumo realizando la misma prueba fijando distintas posiciones del regulador. Los valores que debe proporcionar este ensayo son la velocidad del motor y de la toma de fuerza, y los consumos horario y específico para cada uno de los siguientes valores de potencia: - Potencia máxima, Nmax. Ensayo durante 2 horas. Potencia a la velocidad normalizada de la toma de fuerza (540-100 [r.p.m.]), ntdf Potencia a par máximo, Mmax Potencia a la velocidad nominal, nn Potencia [kW] Par [N·m] Nmax Mmax M 85% MN 75% (85%) 50% (85%) 25% (85%) nn nmax Velocidad del motor [r.p.m.] Figura 83. Valores característicos del ensayo a cargas parciales. 99 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial El ensayo a cargas parciales debe proporcionar: Potencia al 85% del par nominal, Mn. Potencia al 75% del par correspondiente al 85% del par nominal, Mn. Potencia al 50% del par 85% del nominal. Potencia al 25% del par 85% del nominal. Potencia sin carga y velocidad máxima, nmax. - La potencia fiscal de un motor se calcula a partir del número de cilindros, el diámetro y la carrera: NF = 0.008·(0.785·D2·R)0.6·Nc (123) donde, NF D R Nc potencia fiscal [cv] diámetro del cilindro [cm] carrera del cilindro [cm] número de cilindros 6.5. Curvas de corte y reserva de potencia Un motor no debe hacerse trabajar en condiciones extremas, máximo régimen, más que en períodos de tiempo muy cortos. En alimentación parcial los cilindros queman una cantidad de combustible inferior a la máxima que podrían quemar, manteniendo el regulador su capacidad de actuación. Cuando un motor trabaja sin carga, su velocidad de giro depende de la posición del acelerador. La cantidad de combustible que reciben los cilindros en cada ciclo es la mínima para esa velocidad de giro. La energía que se obtiene, trabajando sin carga, se emplea en vencer los rozamientos y mover los órganos auxiliares internos del propio motor. M [N·m] RM Mma MN δ Zona inestable Zona de actuación del regulador n [r.p.m.] Figura 84. Actuación del regulador sobre los valores del par. 100 Motores y Máquinas Agrícolas Cuando se aplica una carga creciente, el regulador de la bomba de inyección incrementa el consumo de combustible de forma que la velocidad de giro descenderá. La línea vertical representa una curva de corte ideal con los puntos de funcionamiento del motor en alimentación parcial para una determinada situación del acelerador. Realmente los reguladores centrífugos hacen que la velocidad de giro descienda un poco a media que la carga aumenta. La declinación de una curva de corte es: δ = n0 − nc ·100 nc (124) Se utiliza para valorar la eficacia del regulador de la bomba de inyección a la hora de mantener constante la velocidad de giro del motor. No debe ser superior a un 10%. Las curvas de corte también pueden representarse en función de la potencia. Cuando un motor trabaja en alimentación parcial, se dice que tiene una reserva de potencia: N − NT R= c ·100 (125) Nc La reserva de potencia se utiliza para cuantificar el margen de actuación que le queda al regulador para compensar aumentos de carga, manteniendo la velocidad de giro sin salirse de la curva de corte. 6.6. Plano acotado de iso-consumo horario y específico. La relación entre el consumo de combustible, la velocidad de giro y el par o potencia desarrollados se puede mostrar gráficamente mediante un sistema de planos acotados. 80 70 60 N [kW] 22 C [l·h–1] 50 20 18 40 30 16 Ce [g·kW–1·h–1] 20 14 10 12 0 1000 1200 1400 1600 n [r.p.m.] Figura 85. Curvas de isoconsumo. 101 1800 2000 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial Cada una de las iso-líneas está formada por puntos de funcionamiento del motor con idéntico consumo de combustible aunque varía el régimen de giro y la potencia desarrollada. En una línea de iso-consumo horario, la velocidad de giro del motor que proporciona la máxima potencia al freno es la que maximiza el rendimiento económico y minimiza el consumo específico. Para una misma velocidad de giro el consumo específico disminuye a medida que aumenta la potencia desarrollada. Para un valor de potencia constante, el consumo específico aumenta a medida que se incrementa la velocidad de giro. Entre los ensayos facultativos está el del motor separado de los demás elementos del tractor. En este ensayo interesa fundamentalmente obtener las curvas de isoconsumo, con objeto de determinar la zona en la que el consumo específico es mínimo. El diagrama se representa llevando la velocidad en abscisas y el par en ordenadas expresadas en tantos por ciento de sus valores nominales del motor. 25 50 75 100% Nm 100% –1 210 g·kW ·h 75 –1 22 MN 23 50 24 25 26 25 27 28 0 25 50 75 100% nN Figura 86. Curvas de isoconsumo del motor. 6.7. Optimización del punto de funcionamiento La utilización de un motor en una determinada tarea implica el desarrollo de la potencia necesaria que podrá ser desarrollada a distintas velocidades de giro, por encima de un valor dado. 102 Motores y Máquinas Agrícolas A medida que la velocidad de giro es mayor, el consumo específico aumenta, pero aumenta la reserva de potencia. Una elevada reserva de potencia implica un bajo rendimiento, lo que implica mayor consumo de combustible. La elección del punto óptimo de funcionamiento implicará un equilibrio adecuado al tipo de trabajo a realizar. En un tractor, una labor se puede realizar desde varias marchas de su caja de cambios y por tanto, a varias velocidades de giro de su motor. Si la tarea a realizar es muy uniforme en cuanto a su demanda de potencia, prevalecerá el criterio de mínimo consumo específico y se podrá elegir una marcha más larga, en la que el motor llevará un régimen de giro bajo. Si son previsibles oscilaciones de carga, se utiliza una marcha más corta, en la que la velocidad de giro del motor, la potencia máxima y la reserva de potencia son mayores, con una elevación en el consumo de combustible. 103 Tema 6. Comportamiento del motor en alimentación máxima y alimentación parcial 104 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo 7.1. Misión del embrague La misión del embrague es conectar o desconectar el movimiento de giro del cigüeñal a la caja de cambios. Mecánicamente el embrague se puede considerar, como un transmisor de par motor a un régimen de giro. El trabajo del embrague debe ser progresivo y elástico, para que el movimiento se transmita suavemente, y se absorban las variaciones de par del motor. El embrague es el mecanismo encargado de transmitir el par motor que proporciona el grupo propulsor, a la caja de cambios y ésta, a su vez, a las ruedas. Figura 87. Posición del embrague en el tractor. El mecanismo de embrague es absolutamente necesario en los vehículos automóviles dotados de motor térmico, ya que para iniciar la marcha del vehículo hay que transmitir el par motor a bajo régimen de una forma progresiva por resbalamiento mecánico o viscoso, hasta conseguir un acoplamiento rígido entre el motor y las ruedas del vehículo a través del cambio de velocidades. Además, en los vehículos con cambio de velocidades mecánico es necesario disponer del mecanismo de embrague para desconectar el movimiento del motor del movimiento de las ruedas para cambiar de velocidad o parar el vehículo sin detener el motor. 7.2. Embrague de fricción de disco simple 7.2.1. Descripción de un embrague de fricción El embrague de fricción disco simple o monodisco consta de las siguientes partes: - Una tapa metálica denominada campana. 105 Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo Figura 88. Embragues de fricción monodisco. - Un disco de embrague, con dos coronas circulares denominadas forros de embrague, constituidos por amianto, aglutinado con resinas sintéticas y dotado de una estructura a base de hilos de cobre o latón. a) b) Figura 89. Componentes de un embrague de fricción monodisco: a) campana y b) disco del embrague. - Un plato opresor metálico de acero de gran espesor. - Unos muelles o un diafragma de acero. En el segundo caso actúa un diafragma elástico de acero al carbono que se comporta como un muelle encajado en la periferia del plato opresor. El diafragma tiene forma cónica y lleva unos cortes radiales que parten del centro, cuyos extremos sirven para su sujeción a la carcasa. El embrague de diafragma es más equilibrado, tiene un tamaño más reducido, necesita un menor esfuerzo para su manejo. 106 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 90. Plato de presión accionado por diafragma. - Unas palancas denominadas patillas apoyadas sobre el anillo de patillas. - Un collarín de empuje, formado por un rodamiento axial, que apoya por una cara en el anillo de patillas y por la otra recibe el empuje de una horquilla. - Un sistema de transmisión de movimiento desde el pedal de embrague hasta la horquilla. Existen varios sistemas de mando empleados para el accionamiento del embrague: • El accionamiento mecánico se emplea cuando no es necesario aplicar grandes esfuerzos. • El accionamiento hidráulico, se usa con el fin de aminorar el esfuerzo a transmitir en el pedal y para que el accionamiento sea más cómodo. • El accionamiento neumático consiste en la instalación de un distribuidor que a través de una tubería envía aire a presión a un pistón, cuyo vástago actúa sobre la horquilla. a) b) Figura 91. Accionamiento del embrague mediante sistema mecánico (a) e hidraulico (b). 107 Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo 7.2.2. Cálculo de un embrague de fricción a) Hipótesis de desgaste uniforme: El desgaste es proporcional al trabajo de rozamiento, que resulta de multiplicar la presión por el radio del punto de aplicación, p·r. Al considerar el desgaste uniforme la máxima presión, pa se produce a una distancia r=d/2 dρ ρ p a d D Figura 92. Distribución de presión en un embrague con desgaste uniforme. La distribución de presiones que produce desgaste uniforme es: p·ρ=pa·d/2 → p=pa·d/(2·ρ) (126) La fuerza normal que actúa sobre un elemento de área circular de radio ρ y anchura dρ, es: dN=p·ds (127) La superficie de una corona circular diferencial es: ds = π ·( ρ + dρ )2 - π ·ρ 2 = π ·( ρ 2 + dρ 2 + 2 ρdρ ) - πρ 2 (128) Como dρ2 → 0 se tiene que: ds=π·2ρ·dρ ⇒ dN = p a · d ·2·π ·ρ·dρ ⇒ 2·ρ dN=π·pa·d·dρ (129) La fuerza que deben realizar los muelles se calcula integrando para la corona circular del disco: 108 Motores y Máquinas Agrícolas R R r r N = ∫ dN = p ⋅ π ⋅ d ⋅ ∫ d ρ = π ⋅ pa ⋅ d 2 ⋅ (D − d ) (130) La fuerza tangencial de rozamiento es: dFt=µ·dN=µ·π·pa·d·dρ (131) y el par que se transmite por cada superficie de fricción es: M = ∫ ρ ·dFt = ∫ µ ⋅ pa ⋅ d ⋅ π ⋅ ρ ⋅ dρ ⇒ o bien, M= M= µ ⋅N 4 µ ⋅ π ⋅ pa ⋅ d 8 (D 2 −d2 ) (D + d ) (132) (133) b) Hipótesis de presión uniforme: La distribución de presiones es constante, p=pa dρ ρ p a d D Figura 93. Distribución de presión en un embrague con desgaste uniforme. La fuerza normal que actúa sobre un elemento de área circular de radio ρ y anchura dρ, es: dN=p·ds R ∫ dN = p a ·2·π ·ρ ·dρ ⇒ R ∫ N = dN = 2·pa ⋅ π ⋅ ρ ⋅ d ρ = r r π ⋅ pa 4 ( ⋅ D2 − d 2 (134) ) (135) La fuerza de rozamiento originada por dρ es: dR = 2 ⋅ π ⋅ ρ ⋅ d ρ ⋅ p ⋅ µ 109 (136) Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo El par transmitido por una cara del forro es: R ∫ M1 = 2π ⋅ p ⋅ µ ⋅ ρ 2 d ρ = 2π ⋅ p ⋅ µ r M1 = 2π ⋅ p ⋅ µ R3 - r 3 3 R3 - r 3 3 (137) (138) Como el disco de embrague actúa sobre el volante por una cara y sobre la campana a través del plato opresor: M = 2 ⋅ M1 = 4 ⋅ π ⋅ p ⋅ µ (R 3 - r 3 ) 3 (139) 3 ⋅M 4 ⋅ π ⋅ µ (R 3 - r 3 ) (140) La presión tendrá un valor de: p= Para un embrague de amianto pa debe ser de 5 a 7 kg/cm2. La fuerza que tienen que ejercer los muelles sobre el plato opresor para transmitir un par motor M es: F=π ⋅ 3 ⋅ M ⋅ (R2 - r 2 ) 4 ⋅ π ⋅ µ (R3 - r 3 ) F= 3 M R2 - r 2 4 µ R3 - r 3 (141) Para un embrague nuevo se puede considerar la presión uniforme, siendo inicialmente su desgaste irregular. Posteriormente se puede considerar que el desgaste es uniforme. Generalmente se utiliza la primera hipótesis por ser más simple y más conservadora. 7.3. Embragues de fricción de disco doble En muchos tractores se incorpora un embrague de doble disco para independizar el movimiento de la caja de cambios del movimiento de la toma de fuerza. Un segundo disco de embrague, que da movimiento a la toma de fuerza, va situado entre los dos platos opresores. Al actuar sobre el pedal del embrague hasta aproximadamente la mitad de su recorrido, el eje primario queda libre y no transmite movimiento a la caja de cambios. Accionando el pedal del embrague hasta el fondo queda libre el disco de embrague de la toma de fuerza y ésta se detiene. 110 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 94. Embrague de fricción de disco doble. 7.4. Embrague de discos múltiples Cuando el tamaño del volante de inercia está limitado, se emplea un embrague de discos múltiples, cuya superficie total de rozamiento es la equivalente a la que ofrecería un sólo disco de gran tamaño. El par que es capaz de transmitir es igual al de un monodisco multiplicado por el número de discos. El eje primario lleva varios discos metálicos hembras con forros en su periferia y un dentato interno, entre los cuales van intercalados discos machos, con estrías o dentado externo que coinciden con las del mandrinado de la campana. Figura 95. Embragues de fricción de discos múltiples. Este tipo de embrague puede construirse con los discos sumergidos en aceite fluido o una mezcla de aceite y petróleo, o en seco. Se instalan cuando es necesario transmitir pares elevados como en los embragues de dirección en los tractores de cadenas, o en la toma de fuerza cuando es del tipo independiente. 111 Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo 7.5. Embrague cónico Consta de una pieza troncocónica fija al árbol motor que se acopla a otro tronco de cono susceptible de deslizar en el eje conducido, manteniéndose unidos por la acción de un muelle. Tiene una pequeña capacidad de transmisión de par, por lo que se emplean en máquinas o trasmisiones de poca potencia. Los parámetros de diseño son el ángulo del cono, el diámetro y el ancho de guarnición. a) Hipótesis de desgaste uniforme: D+d 4 · senα (142) F ·µ · (D3 + d3 ) 3 · senα · ( D2 - d2 ) (143) M =F· µ · b) Hipótesis de presión uniforme: M= ds P α R ρ D F d Figura 96. Embragues de tipo cónico. 7.6. Embrague centrífugo En los embragues automáticos la acción de embragado y desembragado se realiza mediante unos contrapesos sometidos a la acción de la fuerza centrífuga que les provoca el giro del motor. Cuando el motor gira a ralentí, los contrapesos no ejercen acción sobre el plato opresor, quedando por tanto desembragado. Al acelerar los contrapesos, empujan al plato opresor, con la fuerza suficiente como para que el conjunto quede embragado, siendo el acoplamiento totalmente progresivo, ya que el se hace en función del régimen de giro del motor. Se emplea en pequeños tractores y motocultores. Existe una gran variedad de estos tipos de embrague, en que el elemento centrífugo puede ser también unos rodillos que se deslizan por un cono, como ocurre en motosierras y motos de pequeña cilindrada. 112 Motores y Máquinas Agrícolas El par transmitido depende del coeficiente de rozamiento, de las masas, de la velocidad de giro y de la constante elástica del resorte. Los embragues centrífugos tienen el inconveniente de que solo transmiten el movimiento en un solo sentido, de un eje al otro, pero no en el sentido contrario. M = µ · r · (m ·w 2 ·r - k · x ) (144) Figura 97. Embragues de tipo centrífugo. 7.7. Embragues hidráulicos El embrague hidráulico actúa automáticamente permitiendo transmitir una energía que supera el par resistente cuando alcanza un determinado régimen de giro. Su funcionamiento se basa en la transmisión de energía desde una bomba centrífuga a una turbina, usando para ello aceite mineral. Consisten en dos coronas giratorias, que tienen forma de semitoroide, provistas de álabes, una de ellas, va unida al cigüeñal, actúa como bomba, y la otra, unida al primario de la caja de cambios, actúa como turbina. Bomba y turbina, están alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas. Figura 98. Embrague hidráulico. Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la bomba y choca contra los alabes de la turbina, haciéndola girar, con un par motor función de la energía cinética con la que es lanzado el aceite, la cual es directamente proporcional al cubo de la velocidad de giro y a la quinta potencia de su diámetro. 113 Tema 7. Embragues. Elementos y cálculo Figura 99. Componentes de un embrague hidráulico: 1. Cámara turbina-bomba; 2. Cámara anular; 3. Cámara DCC; 4. Boquilla regulable; 5. Retorno del aceite a la cámara DCC; 6. Acoplamiento elástico conectado al motor; 7. Parte conducida conectada a la transmisión. Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y el par en la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. Una ventaja importante de este tipo de embrague es que al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor puede continuar desarrollando su par máximo mediante una mayor transferencia de aceite entre bomba y turbina. Este tipo de embrague aumenta el consumo de combustible, tiene ausencia de desgaste, gran duración, es muy elástico, es muy progresivo y tiene un bajo coste de mantenimiento. 7.8. Embrague de garras Se usa en mecanización agraria como mecanismos de seguridad en transmisiones de movimiento a órganos de máquinas. Consta de dos elementos enfrentados, presionados por muelles, cuyas superficies tienen forma de diente de sierra o garras: M= F⋅r tg(α - ρ ) (145) El par transmitido por el embrague depende del ángulo de inclinación de los dientes, del ángulo de rozamiento, ρ (µ=tgρ), de la fuerza de compresión de los muelles, F, y del radio de la corona del embrague, r. Figura 100. Embrague de garras. 114 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 8. Caja de cambios, diferencial y reducción final 8.1. Necesidad de la caja de cambios La caja de cambios transmite la potencia del motor (sin modificarla salvo las pérdidas por rozamiento), modifica el par y la velocidad transmitidos, de forma que aumenta uno de ellos y disminuye el otro. Tiene la misión de ofrecer distintas relaciones de transmisión entre el motor y el eje de las ruedas. A las relaciones de transmisión se les denomina relaciones de desmultiplicación ya que indican la reducción de la velocidad de giro del eje de las ruedas con respecto a las del motor. La potencia expresa el trabajo realizado en la unidad de tiempo: N= T t (146) donde, T t trabajo tiempo Como se sabe que trabajo se puede expresar por el producto escalar de la fuerza por el espacio: rr T = F ·e (147) rr T F ·e N= = t t (148) Si la dirección de la fuerza aplicada coincide con la del espacio recorrido: N= F ⋅e t (149) Como se sabe que el espacio recorrido en la unidad de tiempo es la velocidad de avance: N= T F ⋅e e = F ⋅ = F ⋅V = t t t (150) La potencia se puede expresar como el producto de la fuerza por la velocidad: N = F ·V (151) 115 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía La caja de cambios permite modificar las parejas de valores F, V, adaptando el tractor a las necesidades de trabajo. 8.2. Tipos de cambios En función de cómo se varia la relación de transmisión y de cómo se conectan unos engranajes con otros se pueden distinguir diferentes tipos de cambios: • • • • Convencionales Toma constante - sincronizadores/acopladores Trenes epicicloidales. Engranajes planetarios Relación de transmisión continua Figura 101. Caja de cambios de engranajes. Los cambios continuos permiten un número infinito de relaciones de transmisión, dentro de un cierto intervalo, mediante rodillos cónicos de fricción, poleas desplazables y correa trapezoidal (transmisiones de baja potencia) y mediante transmisiones hidrostáticas (transmisiones de gran potencia). Los cambios discontinuos permiten obtener un número determinado de relaciones de transmisión en función de las diferentes conexiones entre ejes mediante engranajes con distinto número de dientes. 8.3. Cambios de engranajes simples Los cambios de engranajes simples constan de los siguientes elementos: 116 Motores y Máquinas Agrícolas - Un eje primario que a través del embrague transmite el giro del motor mediante un piñón, engranado constantemente con otro que mueve un eje denominado intermediario. - Un eje intermediario en el que hay varios engranajes fijos de distinto tamaño que transmiten el movimiento a otros situados en el eje secundario, mediante una única combinación. - Un eje secundario, paralelo al eje primario, estriado en toda su longitud sobre el que pueden deslizarse engranajes, que forman parejas de transmisión con los del eje intermediario. Los tractores realizan una gran diversidad de trabajos, siendo necesario disponer de una caja de cambios con una amplia gama de velocidades. Figura 102. Caja de cambios de engranajes simples. • Funcionamiento de la caja de cambios de piñones desplazables Existe una primera transmisión entre primario e intermediario con varias parejas de engranajes que ofrecen igual número de gamas de velocidades. El grupo reductor normalmente tiene dos, tres y hasta cuatro combinaciones de velocidades, largas, medias, cortas y punto muerto, pudiendo incluso incluir las marchas atrás. El eje intermediario lleva varios engranajes de diferentes tamaños que engranan con los correspondientes del eje secundario para conseguir las diferentes velocidades que ofrece la caja de cambios dentro de la gama seleccionada previamente. Sobre el eje secundario van colocados engranajes unidos dos a dos a unos desplazables, que pueden moverse por medio de la palanca de cambio 117 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía mediante varillas. En la posición de punto muerto no se encuentra engranado ningún piñón del eje secundario con ninguno del eje intermediario, por lo que no hay transmisión de movimiento. 8.4. Caja de cambios con engranajes en toma constante Los engranajes de la caja de cambios convencional son del tipo cilíndrico de dientes rectos, ocasionando ruidos de funcionamiento y dificultad al cambiar de marcha. En las cajas de cambios con engranajes en toma constante los engranajes del eje secundario (que pueden girar libremente sobre dicho eje) y del eje intermediario permanecen conectados constantemente. Figura 103. Caja de cambios con engranajes en toma constante Estos engranajes llevan adosado a uno de los lados un piñón lateral y entre cada dos engranajes del eje secundario se coloca un desplazable cuya parte central está mandrinada con un estriado que puede deslizar por el correspondiente que en esta zona lleva tallado el eje secundario. Figura 104. Sistema de accionamiento de las marchas. 118 Motores y Máquinas Agrícolas Cada desplazable lleva tallada en ambos lados una corona dentada acoplable a los correspondientes piñones laterales de los engranajes. En la posición de punto muerto el desplazable se encuentra situado entre los engranajes, sin conectar piñón con corona. Figura 105. Funcionamiento del desplazable. Para conectar una velocidad se desliza el desplazable a uno de los lados, con lo que la corona conecta con el piñón correspondiente del engranaje, y el eje secundario se pone a girar. Para evitar la dificultad para cambiar de marcha y hacer coincidir los dientes con los huecos, al no girar a la misma velocidad los engranajes que las coronas, y los desgastes y roturas que provoca se utilizan cajas de cambios sincronizadas. Figura 106. Funcionamiento del sincronizador de la caja de cambios. 119 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía El cambio sincronizado de marchas tiene unos engranajes en toma constante que llevan solidario un tronco de cono denominado cono de sincronización, y el desplazable lleva un contracono que actúa como un embrague. Al tomar contacto el contracono del desplazable con el cono del piñón, ambos alcancen una misma velocidad de giro, lo que se denomina fase de sincronización, permitiendo engranar con toda facilidad el piñón lateral con la corona. 8.5. Escalonamiento de marchas Las relaciones de marcha de una caja de cambios se establecen de modo que se encuentren en progresión geométrica. Las relaciones se pueden representar gráficamente en diagramas que relacionan la velocidad del motor con la de las ruedas, mediante rectas que pasan por el origen y con una pendiente igual a la relación de transmisión. Actualmente los tractores no llevan una única palanca de mando para el cambio de velocidades, sino dos o más, para manejar el bloque reductor y la caja de cambios. Los tractores modernos llevan acoplado en la caja de cambios el denominado inversor y el superreductor. El inversor hace posible invertir el sentido de desplazamiento sin más que actuar sobre una palanca que invierte el sentido de rotación de todos los engranajes. El mecanismo inversor usa un tren de engranajes planetarios (se estudian más adelante) y es particularmente útil en los trabajos con cargador frontal, horquillas, niveladoras y para maniobrar en espacios restringidos. Figura 107. Gama de velocidades en un tractor dotado de palanca inversora (F-R). 120 Motores y Máquinas Agrícolas El superreductor permite obtener velocidades sumamente bajas, necesarias en trabajos como excavación, despedregado y plantación. Este mecanismo está situado delante de la caja de cambios y utiliza pares de engranajes cilíndricos con grandes reducciones de demultiplicación. Para que el escalonamiento de las relaciones de demultiplicación de las cajas de cambios sea lógico se puede demostrar que dichas relaciones deben estar en progresión geométrica. En efecto, si la curva de par del motor del tractor es la que se presenta en la figura siguiente, se sabe que el régimen del motor al realizar una determinada labor debe variar desde nmín a nmáx para trabajar en la denominada zona flexible. Figura 108. Diagrama de velocidades y relaciones de transmisión. Si en unos ejes cartesianos se presentan en abscisas el máximo régimen de giro del secundario necesario para que el tractor circule a la velocidad punta deseada y en ordenadas nmín y nmáx correspondientes a la zona flexible del motor del tractor. Una caja de cambios de cuatro marchas adelante tendrá en dichos ejes una representación como se indica a continuación. En dicha caja de cambios, las primario/secundario vendrán dadas por: 121 relaciones de demultiplicación Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía nmáx n5 n r4 = máx n4 n r3 = máx n3 n r2 = máx n2 r5 = = tgα 4 = tgα 3 = tgα 2 = tgα 1 nmín n4 n r4' = mín n3 n r3' = mín n1 n r2' = mín n1 r5' = = tgα 4 (152) = tgα 3 (153) = tgα 2 (154) = tgα 1 (155) Las relaciones de transmisión expuestas cumplen evidentemente que: r4 = r4' ; r3 = r3' ; r2 = r2' (156) Además cumplen que: r4 ·r2 = r32 (157) Efectivamente: n máx nmáx nmáx nmín · = · n 4 n2 n3 n 2 (158) Pero como: r4 = r4' ⇒ nmáx nmín n n n n = ⇒ máx · máx = min · máx n4 n3 n 4 n2 n3 n2 n n mín n máx n · = máx · mín n3 n2 n3 n2 (159) (160) Por lo que: r 4 ·r2 = r32 (161) Luego el escalonamiento lógico de las velocidades de una caja de cambios cumple la condición de que las relaciones de demultiplicación están en progresión geométrica. Como la potencia producida en el motor se transmite a las ruedas motrices del tractor en forma de un par motor a una velocidad angular, se cumple la expresión: N = M·n (162) Siendo: N Potencia. M Par motor. n Régimen de giro. 122 Motores y Máquinas Agrícolas Y como el par motor en cada rueda se puede obtener como el producto de la fuerza periférica en ella por su radio real. Esta fuerza periférica se transmite al suelo en la zona de contacto rueda suelo, y si es mayor que lo que puede soportar el terreno, se producirá un resbalamiento total con los consiguientes problemas que ello ocasiona. Las marchas muy lentas pueden generar valores que superan ampliamente los valores permisibles en los suelos. En cambio estas marchas son necesarias porque se utilizan para labores muy específicas que requieren velocidades de desplazamiento muy reducidas. 8.6. Solape de marchas En realidad en las cajas de cambio siempre existe un solape entre las marchas. Esto tiene dos implicaciones: - a una misma velocidad de desplazamiento del vehículo se puede ir a diferentes regímenes del motor. - el intervalo de regímenes del motor se amplía: aumenta la velocidad máxima, nmax y disminuye la velocidad mínima, nmin. Se define el solape de marchas como: n n +1 nmax − nmin s= n (%) n nmax − nmin n nmax k −1 −1 n +1 n +1 nmin nmin k −ϕ ϕ =ϕ⋅ s= n ⋅ n = k −1 k −1 nmin nmax −1 n nmin (163) (164) 8.7. Caja de engranajes planetarios Los engranajes planetarios se utilizan en las cajas de cambios automáticas y en los trenes de reducción finales de las ruedas. En las cajas de cambio están basadas en la transmisión y reducción de movimiento a través de trenes de engranajes que pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los componentes, los restantes giran transmitiéndose el movimiento. 123 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía . Figura 109. Cambio automático mediante un tren de engranajes planetarios. Si se bloquean dos componentes, el conjunto queda bloqueado, moviéndose todo el sistema a la misma velocidad de rotación Si se combinan varios trenes de engranajes con distintas reducciones entre ellos, se puede obtener una gama de velocidades que se acoplan automáticamente mediante embragues de fricción y cintas de frenado. Un tren planetario consta como mínimo de los siguientes elementos: - Piñón central o planeta Corona con dentado interno Satélites Brazo portasatélites Figura 110. Sistema de engranajes planetarios. 124 Motores y Máquinas Agrícolas Los trenes de engranajes planetarios o en epihipocicloide, tienen las siguientes relaciones de transmisión: • Parte epicicloidal: Considerando la velocidad del punto de contacto: ωs ·rs + ω p ·rp = ω ps ·rps (165) rps = rp + rs (166) Como: ⇒ ωs ·rs + ω p ·rp = ω ps ·(rps + rs ) rs ωs ωps (167) rp ωp rps Figura 111. Funcionamiento de la parte epicicloidal de un sistema de engranajes planetarios. Operando se tiene: ωs ·rs + ω p ·r p = ω ps ·r p + ω ps ·rs (ω s − ω ps )·rs = (ω ps − ω p )·r p ⇒ (ω s − ω ps )·rs = −(ω p − ω ps )·r p (168) (169) ωp − ωps z =− s ωs − ωps zp (170) ωps·rps + ωs ·rs = ωc ·rc (171) Como r ps = r c − r s ⇒ (172) • Parte hipocicloidal: 125 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía ω ps ·(r c − r s ) + ω s ·r s = ω c ·r c ⇒ ω ps ·rc − ω ps ·rs + ωs ·rs = ωc ·rc (ωs − ω ps )·rs = (ωc − ω ps )·rc ⇒ ωs (173) (174) (175) rs ωps rps ωc rc Figura 112. Funcionamiento de la parte hipocicloidal de un sistema de engranajes planetarios. ωs − ω ps zc = ωc − ω ps zs (176) Multiplicando (170) y (176) se obtiene: Fórmula de Willys: ω p − ω ps ωs − ω ps r =− c ⇒ ⋅ ωs − ω ps ωc − ω ps rp (177) ω p − ω ps z =− c ωc − ω ps zp (178) Las ecuaciones (170), (176) y (178) relacionan las velocidades de giro de corona, satélite, portasatélites y planetario en función de sus radios. 8.8. Cambio hidrostático de velocidades El aceite hidráulico contenido en el depósito llega hasta la bomba de caudal variable de regulación manual accionada por el motor alternativo del tractor que lo envía hasta el distribuidor. 126 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 113. Caja de cambios de funcionamiento combinado con sistema hidrostático y engranajes planetarios de un tractor comercial (Marca Fend). Mediante el distribuidor se regula el sentido en el que se envía a un motor hidrostático reversible. El aceite sin presión sale del motor, retorna al distribuidor y a través del filtro magnético llega al depósito. Figura 14. Funcionamiento de una caja de cambios con sistema hidrostático y de engranajes planetarios de un tractor comercial (Marca Fend). 127 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía Cuando se tira de la palanca del distribuidor el aceite sale de él pero llega al motor por la entrada por la que, en la posición anterior del distribuidor, salía. El motor gira en sentido contrario y el tractor avanza cambiando de dirección de marcha. Para cambiar la velocidad de marcha el usuario actúa sobre una palanca que modifica el caudal de la bomba, con ello se tiene un variador continuo de velocidad lo que hace que el tractor tenga infinito número de marchas hacia delante y hacia atrás. 8.9. Diferencial En los tractores agrícolas el eje que sale de la caja de cambios llega al tren trasero, en donde se encuentran el diferencial, los semiejes traseros y la reducción final. En este tema se van a estudiar además de los referidos elementos, el tren delantero, la tracción a las cuatro ruedas, las ruedas, la toma de fuerza, el elevador hidráulico, la dirección y los tractores de cadenas. Figura 115. Diferencial simple. 8.9.1. Diferenciales simples El mecanismo diferencial es un tren planetario de piñones cónicos cuya misión es permitir velocidades de giro distintas en las ruedas motrices del tractor cuando éste toma una curva. El funcionamiento es como sigue: El movimiento es transmitido desde el piñón de ataque a la corona, y mientras el vehículo marcha en línea recta, los dos palieres de las ruedas motrices giran a la misma velocidad. 128 Motores y Máquinas Agrícolas En esta situación, los satélites no giran, sirviendo solamente de enlace para transmitir el movimiento a los palieres a través de los planetarios. Al tomar una curva, los satélites empiezan a girar, con lo cual la rueda del interior de la curva gira más despacio y la del exterior más deprisa, variando ambas en la misma magnitud. a) b) Figura 116. Funcionamiento del diferencial en recta (a) y en curva (b). En el diferencial la relación de velocidades angulares de las ruedas motrices se obtiene tomando como referencia la corona unida a la caja portasatélites ya que: ω2 ⋅ r2 = ω3 ⋅ r3 ⇒ ω 3 = ω 2 · r2 r3 (179) El giro de la caja portasatélites genera que: Por otro lado: ω 3 ·r 4 − ω 5 ·r 5 = ω 4 ·r 4 (180) (ω (181) 3 − ω 4 )·r 4 = ω 5 ·r 5 ω 3 ·r 6 + ω 5 ·r 5 = ω 6 ·r 6 (182) pa CP c s p p’ s Figura 117. Diferencial simple: corona (c), piñón de ataque (pa), satélites (s), planetarios (p) y caja portasatélites (CP). (ω 3 − ω 6 )·r 6 = −ω 5 ·r 5 129 (183) Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía Dividiendo la Ec. (181) por la Ec. (183), se obtiene: ω3 − ω 4 = −1 ω3 − ω 6 Operando en la Ec. (184) se tiene: ω3 − ω4 = −ω3 + ω6 ω4 + ω6 ⇒ 2 (184) = ω3 (185) Y a partir de la velocidad de giro de los satélites: ω p − ω p′ 2 ⋅ rp = ω s ·rs (186) El radio de giro del vehículo, Rg, se puede calcular en función de las velocidades de los planetas y de la separación entre ruedas, s: ωp·R=ω·(Rg+s) (187) ωp Rg ω 2·d ωp’ Figura 118. Giro del tractor en una curva. ωp’·R=ω·(Rg –s) (188) ω p Rg + s = ω p ' Rg − s (189) Dividiendo: Rg = ω p' + ω p ⋅s ω p − ω p' (190) Para eliminar el efecto diferencial cuando una de las ruedas patina se recurre al bloqueo del mismo uniendo uno de los palieres a la caja portasatélites. 130 Motores y Máquinas Agrícolas Figura 119. Sistema hidráulico para el bloqueo del diferencial. 8.9.2. Diferenciales autoblocantes mecánicos Estos diferenciales se suelen montar en vehículos de tracción trasera, de gran potencia, ya que son susceptibles de perder adherencia durante aceleraciones fuertes en una de las ruedas, siendo necesario el enclavamiento de este a determinado valor, para evitar un deslizamiento excesivo que generaría un sobreviraje. Mediante la adopción de este, se mejora la transmisión de esfuerzo, a la vez que evita un patinaje continuo de la rueda con menos adherencia y sus consecuencias para la estabilidad. Figura 120. Diferencial autoblocante por discos de fricción. De entre los diversos tipos de diferenciales autoblocantes que existen (por conos de fricción, por discos de fricción, por acople lateral estriado), sin duda el más utilizado y posiblemente el más eficaz es el de discos de fricción. Los diferenciales autoblocantes tienen un valor de diseño a partir del cual este alcanza su blocaje (un diferencial convencional tendría un valor de 131 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía bloqueo nulo 0% y los autoblocantes a partir de 25% hasta aprox. el 70%). Para establecer el valor a partir del cual se bloquea este mecanismo, se basan no en el exceso de par a cada semieje, sino en la diferencia de revoluciones que este genera. Es decir, los diferenciales autoblocantes, son diferenciales que permiten el reparto de revoluciones a cada semieje, pero se bloquean cuando aumentan las revoluciones de un eje frente al otro en un determinado valor. 8.9.3. Diferencial doble La velocidad de la corona es igual a la media aritmética de los planetas de cada lado: ω4 + ω6 2 ω 4 + ω6 2 ω p1' − ω p1 2 ω p 2' − ω p 2 2 = ω3 (191) = ω3 (192) ⋅ r p1 = ω s ·rs1 (193) ⋅ rp 2 = ωs ·rs 2 (194) pa CP c s1 p1 s2 Manguito p2 p’2 p’1 Figura 121. Diferencial doble: corona (c), piñón de ataque (pa), satélites (s1 y s2), planetarios (p1 y p2) y caja portasatélites (CP). Al frenar el manguito un cierto porcentaje, n [%] las velocidades en los planetas son: ω p1 = (1 − n )·ωc 100 (195) ω p'1 = (1 − 132 n )·ω c 100 (196) Motores y Máquinas Agrícolas n ·ω c ⋅ r p1 = ω s ·rs1 100 (197) ω p'2 − ω p 2 = 2 ⋅ ωs ⋅ rs 2 (198) rp 2 r n ·ωc ⋅ p1 100 rs1 (198) ω p'2 + ω p 2 = 2 ⋅ ω c (200) ωs = sumando y restando, y sustituyendo el valor de ωs: ω p ' 2 = ω c + ωs ⋅ ⎛ rs 2 n rs 2 r p1 ⎞⎟ · · = ωc ·⎜1 + ⎟ ⎜ rp 2 ⎝ 100 r p 2 rs1 ⎠ ω p2 = ω c − ω s ⋅ (201) ⎛ rs 2 n rs 2 r p1 ⎞⎟ = ω c ·⎜1 − · · ⎜ ⎟ r p2 ⎝ 100 r p 2 rs1 ⎠ (202) ωp’2·R=ω·(Rg + d) (203) ωp2·R=ω·(Rg – d) (204) Radio de giro: Dividiendo la Ec. (203) por la Ec. (204) se obtiene: ω p'2 Rg + d = ω p2 Rg − d (205) ωp’2 Rg ω 2·d ωp2 Figura 122. Giro del tractor en una curva con un diferencial doble. Sustituyendo ωp’2 y ωp2 por sus valores, resulta: 133 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía ωp '2 Rg + d = = ωp 2 Rg − d n rs 2 rp1 · · 100 rp 2 rs1 n rs 2 rp1 1− · · 100 rp 2 rs1 1+ (206) Rg = d n rs 2 rp1 · · 100 rp 2 rs1 (207) 8.10. Reducción final En los tractores agrícolas y forestales, la velocidad de giro del eje a la salida del diferencial es aún demasiado elevada siendo necesario reducirla. Figura 123. Reducción final de engranajes planetarios en el eje trasero. La reducción final se intercala entre el diferencial y las ruedas motrices y puede ser de dos tipos: - De engranajes constantes De engranajes planetarios Las reducciones de engranajes constantes consisten en un piñón pequeño acoplado al semipalier que viene del diferencial y engrana con un piñón de mayor diámetro acoplado al palier de la rueda. Las reducciones epicicloidales constan de un piñón planetario solidario al eje de salida del diferencial y una caja de tres satélites que engranan con la corona que permanece fija. Las ventajas de los reductores planetarios son: - Mayor número de dientes en contacto con posibilidad de transmitir mayores fuerzas. 134 Motores y Máquinas Agrícolas - Los ejes de entrada y salida están alineados lo que asegura un equilibrado. Ocupa menos espacio, es más compacto y duradero. La relación de desmultiplicación de las reducciones finales suele encontrarse entre 1/3 y 1/5. 8.11. Semieje trasero Cada semieje consta de dos semipalieres, con un extremo conectado al diferencial y el otro con el plato, intercalándose entre ambos el tren de engranajes de reducción final. Figura 124. Disposición de montaje del puente trasero con suspensión independiente de las ruedas. Los semipalieres se apoyan en los correspondientes cojinetes o rodamientos. En algunos tractores se coloca el mecanismo de freno en el semipalier procedente del diferencial. Figura 125. Elementos de un puente trasero de tipo convencional: cojinetes (1), piñón de ataque del diferencial (3), corona (4), caja portasatélites del diferencial (5), trompetas (6), cojinetes (7), rodamiento (8), palieres o semiejes (9). 135 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía 8.12. Tren delantero El conjunto del tren delantero está formado por un eje y dos semiejes. El eje se sujeta al soporte delantero del bastidor del tractor mediante un bulón de apoyo que permite al eje oscilar sobre él y adaptarse a las irregularidades del terreno. Figura 126. Eje delantero. Cada uno de los semiejes, colocados los lados del eje, lleva un tubo vertical por su parte exterior, dentro del cual gira la parte vertical de la mangueta accionada por la palanca de dirección. En la parte horizontal de la mangueta se monta el cubo con plato de la rueda delantera sobre el que se fija la llanta. 8.13. Tracción a las cuatro ruedas Los tractores de ruedas con tracción trasera, en condiciones normales, aprovechan para la tracción aproximadamente el 60% de la potencia del motor, debido fundamentalmente a que sólo una parte del peso gravita sobre las ruedas motrices y a la poca superficie de contacto de las ruedas motrices con el suelo. Figura 127. Transferencia del movimiento al eje delantero mediante árboles de transmisión. 136 Motores y Máquinas Agrícolas Con la tracción a las cuatro ruedas la totalidad del peso del tractor se convierte en peso activo y se mejora considerablemente la superficie de contacto de las ruedas de tracción con el suelo. La transmisión de movimiento al eje delantero se puede realizar de dos formas: - Por medio de un árbol de transmisión único, que vaya desde el diferencial trasero hasta un diferencial delantero. Figura 128. Junta homocinética cardán utilizada en la transmisión a las ruedas delanteras. - Por medio de dos árboles independientes desde cada uno de los palieres traseros hasta cada uno de los delanteros. Figura 129. Sistema hidráulico de accionamiento de la transmisión delantera. 137 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía 138 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía 9.1 Tipos de enganche Los aperos pueden ir arrastrados por el tractor o estar semisupendidos o suspendidos en el mismo. En el primer caso se realiza el enganche en un punto y en los dos últimos casos mediante el enganche de tres puntos que es controlado por el sistema hidráulico del tractor. 9.1.1. Barra de tiro Para acoplar al tractor los aperos agrícolas arrastrados se emplea la barra de tiro. El enganche en un punto o en la barra de tiro tiene forma de trompeta y puede estar fijo o ser regulable en altura. Figura 130. Barra de tiro en la parte inferior de un tractor. 9.1.2. Enganche de tres puntos La ventaja del enganche de tres puntos en relación al enganche simple es que se forma una unidad tractor-apero que puede ser considerada como una verdadera máquina automotriz. El enganche de tres puntos está normalizado (norma ISO 730), lo cual es necesario para que el acoplamiento de los diversos aperos en tractores de tamaño similar se realice sin dificultad. En general hay que distinguir un punto de enganche (unión articulada entre una barra y el apero) de un punto de apoyo (unión articulada entre una barra y el tractor). 139 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía Figura 131. Enganche tripuntal de un tractor. Mediante un cilindro hidráulico de simple efecto se establece un potente par en el eje que une las dos palancas de elevación, que a su vez actúan sobre los brazos inferiores a través de los correspondientes tirantes de elevación. Si el peso en vacío del eje delantero es A0 y la batalla del tractor L, la máxima fuerza de elevación no debe superar el valor: Fmax = A0 ·L ∆+i (208) El valor normal de ∆ para los tractores de Categorías 2 y 3 es de 100-200 mm. El elevador hidráulico debe ser suficientemente potente para poderse elevar totalmente en un tiempo breve (por ejemplo en 1.5-2.5 segundos). Un índice de esta capacidad de trabajo hidráulico del tractor es el producto de la presión de trabajo por el volumen del cilindro. La presión de trabajo es del orden de 175-180 bar y el volumen del cilindro es de alrededor de 0.8 l para los tractores pequeños, de 1 a 1.3 l para tractores medianos y de 1.6 a 2.2 l para los tractores grandes. 9.1.3. Enganches rápidos Los enganches rápidos son unos dispositivos que permiten realizar el enganche de tres puntos sin necesidad de que el tractorista descienda del tractor. Existen fundamentalmente dos tipos de enganches rápidos: 140 Motores y Máquinas Agrícolas a) Tipo europeo: un triángulo de tubo cuadrado montado en el enganche de tres puntos del tractor que se introduce en un bastidor en forma de "V" invertida montado en el apero. b) Tipo americano (según norma ASAE): un bastidor con tres ganchos que sujetan la máquina a acoplar. Figura 132. Enganche rápido tipo americano. 9.2. Elevador hidráulico Para acoplar al tractor los aperos agrícolas suspendidos y semisuspendidos se emplea el elevador hidráulico. El elevador hidráulico baja el apero a la posición de trabajo y lo levanta a la posición de transporte, facilitando la maniobrabilidad, aumentando la carga sobre las ruedas motrices, y facilitando el transporte de aperos. Tiene dos partes, el enganche a los tres puntos y el equipo hidráulico. El enganche a los tres puntos se compone de: - dos brazos de tiro rígidos unidos al tractor mediante rótulas y con el enganche del apero en el otro extremo. - una barra extensible denominada tercer punto, con un tubo central con dos tuercas con pasos opuestos. - dos brazos de levantamiento muy robustos, sobre los que actúa el pistón del elevador. - dos tensores de levantamiento que pueden alargarse o acortarse mediante los cuales se unen los brazos de levantamiento con los de tiro. - dos tensores laterales situados desde los brazos de tiro al bastidor del tractor que tienen por misión evitar desplazamientos laterales de los aperos enganchados. 141 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía Los enganches a los tres puntos se clasifican en tres tipos según el esfuerzo que realiza el tractor. Se clasifican en: Tipo I: Permiten un esfuerzo de elevación menor o igual a 11270 N. Tipo II: Permiten un esfuerzo de elevación entre 11270 N y 24990 N. Tipo III: Permiten un esfuerzo de elevación mayor de 24990 N. Al alcance del tractorista se sitúan dos palancas, la palanca principal de mando, para hacer subir o bajar los aperos, y la palanca de control de carga y profundidad, que actúa sobre una varilla que une el sensor del control de carga con el distribuidor. 9.3. Controles hidráulicos del enganche de tres puntos El sistema hidráulico tiene posibilidad de responder a varios controles del enganche de tres puntos que pueden darse conjuntamente en un mismo elevador hidráulico. 9.3.1. Control de carga Mediante este control se hace que la resistencia que el apero ofrece al avance del tractor sea siempre constante. El arado, profundizará poco en terrenos duros y mucho en terrenos blandos, realizando una labor desigual en un terreno heterogéneo en cuanto a su constitución. Figura 133. Control de carga en el elevador hidráulico. Este control presenta la ventaja de que la potencia del tractor se aprovecha al máximo, y que éste trabajará sin sufrir oscilaciones ni cambios bruscos. Actúa normalmente a través del tercer punto de enganche, mediante presión sobre un palpador de la caja de válvulas, aunque existen múltiples variantes constructivas. 142 Motores y Máquinas Agrícolas 9.3.2. Control de posición y profundidad Se regula la posición del apero con relación al tractor, por ejemplo mediante una leva en el eje de elevación. Mediante este control se consigue únicamente una buena uniformidad en la profundidad de la labor en terrenos poco ondulados. Figura 134. Control de profundidad del enganche tripuntal. Se consigue una labor de profundidad constante mediante una rueda palpadora en conexión con el sistema hidráulico. 9.3.3. Control mixto Viene a ser un control intermedio entre el control de carga y el control de posición, dejando una cierta tolerancia para los valores de la resistencia que ofrece al apero (R ± ϕ) y de la profundidad de la labor (p ± ρ). Figura 135. Control mixto de carga y profundidad del enganche tripuntal. 143 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía Este control tiende a ser universalmente empleado en los tractores modernos en cuanto presenta casi totalmente las ventajas de los procedimientos anteriores sin sus inconvenientes. 9.4. Sistema hidráulico La aplicación de la oleohidráulica a los tractores permite tanto la elevación de aperos montados en el enganche en tres puntos, como el accionamiento de máquinas arrastradas y suspendidas a través de las tomas remotas del sistema hidráulico. Figura 136. Tomas remotas del sistema hidráulico de un tractor. La ventaja de los sistemas hidráulicos es que se pueden instalar en la forma que se desee e incluso en partes móviles gracias a sus tubos flexibles. Su mayor inconveniente es que son caros y que su rendimiento es bajo en relación a las transmisiones mecánicas o eléctricas. Figura 137. Accionamiento de maquinaria acoplada al tractor mediante las tomas remotas del hidráulico. 144 Motores y Máquinas Agrícolas 9.4.1. Elementos del sistema hidráulico El equipo hidráulico del elevador consta de: - Un depósito de aceite que debe contener un volumen de 2 a 2.5 veces el caudal de la bomba expresado en l/min. - Una bomba hidrostática, que aspira el aceite del depósito a través de un filtro y lo impulsa a las tuberías. - Una válvula limitadora de presión que regula la presión máxima del aceite en el circuito. - Un distribuidor manual del tipo 3/4 (tres posiciones y cuatro vías). - Un regulador de caudal para controlar la velocidad de descenso. - Un pistón de simple o doble efecto de gran diámetro. - Una biela solidaria a los brazos del elevador que recibe la acción del vástago del pistón en el denominado bulón de empuje. Figura 138. Componentes del sistema hidráulico del tractor. 9.4.2. Tipos de bombas y motores hidráulicos Una bomba hidráulica es un dispositivo capaz de convertir la energía mecánica en energía hidráulica. Una bomba hidráulica, necesita provocar un desplazamiento positivo del líquido en contra de la presión, produciendo el movimiento de un caudal de 145 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía líquido. La presión surge por la resistencia ofrecida a la circulación del caudal de líquido. Un motor hidráulico, por el contrario, transforma la energía hidráulica en energía mecánica. El rendimiento de una bomba ηb viene dado por el cociente entre la potencia hidráulica producida y la potencia mecánica absorbida: P·q M·ω ηb = (209) donde, P q M ω presión del fluido hidráulico [Pa] caudal suministrado por la bomba [m3·s–1] par en el eje de la bomba [N·m] velocidad angular de giro de la bomba [rad·s–1] El rendimiento del motor ηm representa el cociente entre la potencia mecánica producida y la potencia absorbida: ηm = M ·ω P ·q (210) En ambos casos estos rendimientos oscilan entre 75 y 90%. 9.5. Toma de fuerza La toma de fuerza es un eje, estriado en un extremo, accionado por el motor y destinado a dar movimiento a determinado tipo de máquinas acopladas al tractor. Actualmente algunos tractores disponen de toma de fuerza y tripuntal delanteros para accionamiento de maquinas acopladas por delante del tractor. Figura 139. Tomas de fuerza delantera y trasera. 146 Motores y Máquinas Agrícolas El accionamiento puede ser: - Del intermediario de la caja de cambios y por tanto se desconecta al desembragar. - Del secundario de la caja de cambios y por tanto sincronizada con la velocidad del tractor. - Del motor o independiente con un embrague propio o con un embrague de doble disco. Figura 140. Toma de fuerza accionada independientemente desde el motor con un embrague propio. Sus dimensiones están normalizadas, son: Tabla 7. Velocidades de giro estandarizadas para la toma de fuerza. Tipo 1 2 3 Velocidad de giro 540 1 000 1 000 Nº acanaladuras 6 21 20 Ntdf a la velocidad nominal del motor (kW) Menos de 48 48 ÷ 92 Menos de 185 Para el acoplamiento de maquinaria a la toma de fuerza (t.d.f.) es necesario utilizar un árbol de transmisión cardámico que permite que el eje de la máquina no esté alineado con la t.d.f. (fig. 141). 147 Tema 9. Sistemas de enganche y de transmisión de energía b) a) Figura 141. Acoplamiento de maquinaria a la toma de fuerza del tractor a través de un árbol de transmisión cardámico (a) y detalle del árbol (b). 148 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias 10.1. Estudio estático del tractor Existen tres posibilidades en las que puede estar un tractor en reposo: - en plano horizontal en pendiente longitudinal en pendiente transversal o lateral Z E G R hE r hG d B P L2 L1 L3 A L Figura 142. Principales parámetros geométricos y fuerzas en el tractor. Los principales puntos, parámetros geométricos y fuerzas en el tractor son los siguientes: G E L L1 L2 L3 P Z A B Centro de gravedad Enganche de la barra, punto de tiro Batalla o distancia entre ejes Distancia entre el eje delantero y el centro de gravedad Distancia entre el eje trasero y el centro de gravedad Distancia entre el eje trasero y el punto de enganche Peso del tractor Fuerza en el enganche o de arrastre Reacción vertical del suelo en las ruedas delanteras Reacción vertical del suelo en las ruedas traseras 10.1.1. El tractor reposa horizontalmente En el problema estático, la suma de todas las fuerzas externas (vectores) ha de ser cero y el momento de todas estas con respecto a cualquier punto ha de ser también nulo. 149 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias ΣF=0 ΣM=0 Supuesto el tractor en reposo y sin arrastre de aperos (Z=0): a). Tomando momentos respecto del punto de apoyo de la rueda delantera, resulta: P⋅L1 - B⋅L = 0 (211) B = P⋅(L1/L) (212) Y por tanto: b). Tomando momentos respecto del punto de apoyo de la rueda trasera, resulta: A⋅L - P⋅L2 = 0 (213) A = P⋅(L2/L) (214) Y por tanto: Considerando k1=L1/L y k2=L2/L, las reacciones verticales del suelo son: A = P⋅k2 B = P⋅k1 (215) (216) Como comprobación se puede verificar que: P=A+B (217) Normalmente el centro de gravedad está más próximo al eje trasero (L2 < L1) siendo Bo mayor que Ao para facilitar la tracción. El reparto de pesos sobre los ejes, constantes k1 y k2, dependen de la geometría y la distribución del peso del tractor. Tabla 8. Distribución de pesos sobre los ejes delantero y trasero. Tipo Normal Porta-Aperos Tracción Total Potencia [kw] > 30 ≤ 30 > 25 ≤ 25 > 25 ≤ 25 k1 0.6 ÷ 0.65 0.55 ÷ 0.65 0.70 ÷ 0.80 0.78 ÷ 0.80 0.45 0.40 ÷ 0.45 k2 0.35 ÷ 0.40 0.35 ÷ 0.45 0.20 ÷ 0.30 0.20 ÷ 0.22 0.55 0.55 ÷ 0.60 10.1.2. El tractor reposa en pendiente longitudinal En la reacción del suelo se consideran sus dos componentes, la reacción normal a este y una fuerza de rozamiento tangencial (suponemos las ruedas frenadas) que impide el deslizamiento. 150 Motores y Máquinas Agrícolas Al ascender por una pendiente de ángulo α, se produce una sobrecarga sobre el eje trasero que puede producir el vuelco. M+ PT G hG r AT R BT PN AN F BN α L1 L2 L Figura 143. Principales fuerzas en el tractor reposando en pendiente longitudinal. El vuelco se produce cuando la reacción en las ruedas delanteras se anula, o cuando la vertical del centro de gravedad pase por el punto de apoyo de las ruedas traseras. La pendiente máxima que es posible superar resulta ser: tg α = L2/hG (218) Interesa por tanto que el centro de gravedad este bajo (hG pequeño) y desplazado hacia adelante (l2 grande), lo que disminuiría la capacidad de tracción. Al disminuir el peso sobre las ruedas delanteras (ruedas directrices), se reduce la capacidad de maniobra. Se considera que para poder conducir correctamente el vehículo es necesario que la reacción en el eje delantero sea al menos un 20% de la que tiene el vehículo en horizontal (A>A0) 10.1.3. El tractor reposa en pendiente lateral Cuando la vertical que contiene al centro de gravedad pasa por el punto de apoyo de la rueda, es decir sea s/2, existe peligro de vuelco: tg β ≥ s/(2⋅hG) 151 (219) Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias En la práctica hay que considerar un margen de seguridad adecuado (el 50% del ángulo máximo), pues las irregularidades del terreno (piedras, baches, hoyos, etc.) producen cargas dinámicas que son las que en la mayoría de los casos producen el vuelco. PT hG G AT BT PN AN F β BN s/2 s/2 s Figura 144. Principales fuerzas en el tractor reposando en pendiente transversal. 10.2. Fuerzas laterales en el tractor Cuando el tractor toma una curva o la fuerza en el punto de enganche del tractor (fuerza de arrastre) no es longitudinal o bien está desplazada respecto del plano longitudinal que contiene al centro de gravedad, se presenta una fuerza lateral que puede producir o contribuir al vuelco o al derrape. 10.2.1. Fuerza lateral producida por la fuerza de arrastre Existen diversos casos en los que una fuerza de arrastre puede originar una fuerza lateral: - Fuerza centrada y longitudinal - Fuerza centrada y formando un cierto ángulo - Fuerza desplazada y longitudinal - Fuerza desplazada y formando un cierto ángulo a Z Z a Z Figura 145. Fuerza lateral producida en las curvas. 152 Z Motores y Máquinas Agrícolas 10.2.2. Fuerza lateral producida en las curvas Al tomar una curva se producirá el vuelco o el derrape en función de cual de estas velocidades sea superada: - Condición de vuelco: g.R.b 2.h (220) 2 v = µ ′.g.R (221) 2 v = - Condición de derrape: vL Figura 146. Fuerza lateral producida por el arrastre. 10.3. Coeficiente de resbalamiento El coeficiente de resbalamiento se define como: σ =Vt Vr (222) Vt donde, Vt velocidad de avance de la rueda cuando no hay resbalamiento (velocidad teórica) y se corresponde a las vueltas que realmente da la rueda. Vr velocidad de avance de la rueda cuando hay resbalamiento (velocidad real). Este resbalamiento se produce especialmente por la rotura del suelo y el desplazamiento del mismo, lo cual no sucede en caminos asfaltados. Se llama velocidad de deslizamiento a la diferencia entre la velocidad teórica y la real. 153 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias Vd = Vt - Vr (223) El resbalamiento supone una pérdida de potencia y es un parámetro que necesita conocer el tractorista. El resbalamiento o deslizamiento depende de: - Tipo de suelo. - Tipos de neumáticos. - Distribución de pesos en el tractor. - Fuerza de arrastre Z realizada. Tabla 9. Valores del resbalamiento. Resbalamiento V -V′ V Variables Sin Resbala. Con Resbala. v v' v>v' Velocidad de avance del tractor l - l′ l Longitud l y l' recorrida por el tractor para un mismo número de vueltas de las ruedas l l' l>l' n′ - n n′ Número de vueltas n y n' que deben dar las ruedas para recorrer una misma longitud n n' n'>n r - r′ r Radios de dos ruedas r y r' para que sin resbalamiento y para un mismo número de vueltas recorran una longitud l>l' r r' r>r' 10.4. Propiedades mecánicas del suelo referidas a la rodadura Existen diversas propiedades del suelo que influyen en el esfuerzo que tiene que realizar el tractor para desplazarse. 10.4.1. Aplastamiento del suelo y formación de huellas La circulación del tractor en el terreno agrícola produce en este una compactación, normalmente perjudicial, y que impide un buen desarrollo de las plantas. La presión que ejercen las ruedas sobre el suelo debería ser, supuesta una cubierta flexible, igual a la existente en el interior del neumático y aumentando o disminuyendo la superficie de apoyo en función de la carga. La rigidez de la cubierta modifica el reparto de presiones sobre el suelo, siendo mayor en el centro que en los bordes de la superficie de apoyo y también es mayor bajo las nerviaduras. 154 Motores y Máquinas Agrícolas - Presión media sobre el terreno. Para una determinada superficie de huella S, la carga total Q será: Q = ∫ p.ds = pm .S (224) s Para la presión media sobre el terreno pm, se puede tomar el valor algo superior a la presión interior pi: pm = pi + k (225) El parámetro k es un valor que depende de la presión interior (Tabla 10) y del tipo de neumático. Tema 10. Valores de la sobrepresión sobre el suelo k. pi [bar] 0.8 1.5 2 k [bar] 0.5 ÷ 0.9 0.3 ÷ 0.6 0.2 ÷ 0.3 La presión producida por el neumático sobre la superficie del terreno se propaga en el interior de este formando esferas isobáricas de igual presión y disminuyendo al aumentar la profundidad. 10.4.2. Aplastamiento del neumático y radio bajo carga En el neumático se produce, debido a la resistencia del suelo, un aplastamiento e que hace disminuir su radio de giro. D/2 r0 e l Figura 147. Superficie de apoyo de un neumático agrícola. 155 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias El aplastamiento depende del tipo de neumático, (ancho, radio, estructura, etc.), la carga aplicada en el eje y la presión interior: ro = D/2 – e =R – e (226) La longitud de la sección de apoyo, vale: l = 2 ⋅ 2 ⋅ R ⋅ e - e2 (227) Si no hay resbalamiento se pude determinar el radio efectivo de giro (radio dinámico) o radio bajo carga midiendo la longitud recorrida en un determinado de número vueltas de las ruedas, o bien por la relación: V = ω⋅ro (228) 10.5. Resistencia a la rodadura La resistencia a la rodadura es la fuerza horizontal necesaria para poder desplazar al tractor. El coeficiente de rodadura de un tractor depende del tipo de suelo y del tractor (reparto de pesos y tipo de neumáticos. Si el apoyo entre el neumático y el suelo se realizara en un único punto, no existiría resistencia a la rodadura, por muy pequeña que sea la fuerza F la rueda gira. En realidad, el contacto con el suelo se realiza sobre una superficie y cuando F es pequeña, la rueda no gira. F y FR generan un par o momento que hace girar a la rueda. Con el rozamiento el suelo agarra a la rueda y ésta gira, por lo que si no hubiese rozamiento la rueda no giraría. Pero si F aumenta por encima del valor máximo posible de la fuerza de rozamiento (µ·N), la rueda deslizaría. Tabla 11. Valores medios del coeficiente de rozamiento para un tractor. Tipo de suelo Compacto Rastrojo Labrado Tipo de tractor De ruedas 0.8 0.6 0.4 De cadenas 1 0.8 0.6 La fuerza mínima que hay que aplicar, en el centro de la rueda y horizontal, para que la rueda gire se denomina resistencia a la rodadura R y es el producto del coeficiente de rodadura ρ por la reacción normal N: 156 Motores y Máquinas Agrícolas R = ρ·N (229) Normalmente la resistencia a la rodadura es mucho menor que la fuerza de rozamiento. Tabla 12. Coeficiente de rodadura de un tractor. Tipo de suelo Compacto Rastrojo Labrado De ruedas 0.05 0.10 0.15 Tipo de tractor De cadenas 0.06 0.08 0.10 Las fuerzas que intervienen en una rueda empujada son: 1. Peso sobre el eje delantero (Incluyendo el peso propio de la rueda), P. 2. Fuerza de empuje, S (=R1). 3. Reacción normal al terreno, A, desplazada una cierta distancia d1 con respecto a la vertical que pasa por el eje de la rueda. 4. Resistencia a la rodadura, R1. 5. Radio dinámico de la rueda, r1. El coeficiente de rodadura sería en este caso el cociente entre d1 y r1. Figura 148. Fuerzas que intervienen en una rueda empujada. Sobre una rueda motriz, actúan diferentes fuerzas y momentos: • • Peso sobre el eje (incluido el peso propio de la rueda), P. Resistencia horizontal que hay que vencer, Z, localizada en el eje. 157 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias • • • • • Reacción normal al terreno, B, desplazada una distancia d2 con respecto a la vertical que pasa por el eje de la rueda. Par de tracción, Mt, que suministra el motor al eje de la rueda. Tracción neta, T = U – R. Radio dinámico de la rueda r2. Además, existiría un par de frenado (no representado), debido a rozamientos. Figura 149. Fuerzas y momentos que actúan sobre una rueda motriz. 10.6. Coeficientes de tracción y de adherencia Se define el coeficiente de tracción χ de una rueda motriz en un suelo determinado como la relación entre la fuerza de tracción T y la reacción normal B del suelo: χ = T/B = tg ε (230) Para que la rueda no resbale ε deberá ser inferior al ángulo de rozamiento β: χ=T/B=tg ε < tg β = µ1 (231) Se define el coeficiente de adherencia µ (es algo superior al de tracción) como la relación entre la fuerza periférica y la reacción normal del suelo con la rueda motriz: µ = U/B = (T + R)/B = χ + ρ (232) El coeficiente de adherencia es la suma de los coeficientes de tracción y rodadura. 158 Motores y Máquinas Agrícolas 10.7. Rendimiento a la tracción Este parámetro representa la eficacia de un neumático en el terreno y se define como el cociente entre la potencia útil y la potencia suministrada: µt = T ·v 1 M ·w (233) Dado que: Tenemos que: µt = M=U·r0=(T+R)·r0 (234) w=v0/r0 (235) v1/v0=1-σ (236) T ⋅ v1 χ = ⋅ (1− σ ) (T + R) ⋅ v0 χ + ρ (237) Las fuerzas que actúan sobre un tractor en movimiento se agrupan de la siguiente forma: U=R±Z±Fp±Fa=T+R (238) donde, U R Z Fp Fa Fuerza periférica en las ruedas obtenida del par motor Resistencia a la rodadura del tractor Fuerza en el enganche. Es la suma de la resistencia a la rodadura o a la rotura del terreno en la máquina arrastrada y de la componente tangencial de la fuerza del peso de la máquina debida a la pendiente Fuerza debida a la pendiente, únicamente del tractor Fuerza debida a la aceleración, debida al tractor y al remolque o aperos El problema que se plantea normalmente consiste en determinar el valor de la fuerza U (y por tanto, para una determinada velocidad de trabajo, conocer la potencia necesaria) en función de unas condiciones de trabajo predeterminadas. 10.8. Dinámica del tractor El tractor en pendiente y casos particulares. 10.8.1. Cálculo de las reacciones normales A y B Las componentes normales y paralelas al suelo o tangenciales del peso del tractor y de la fuerza de arrastre Z son iguales a: Pn = P⋅cosα (239) Zn = Z⋅senϕ (241) 159 Pt = P⋅senα Zt = Z⋅cosϕ (240) (242) Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias Tomando momentos respecto del punto de aplicación de la resultante K1 o reacción del suelo sobre la rueda delantera, resulta: Pn⋅(L1+d1)+Pt⋅hG – B⋅(L+d1 – d2)+(L+L3+d1)⋅Zn+ hz⋅Zt=0 (243) Sustituyendo los valores anteriores y ordenando resulta: P⋅[(L1+d1)⋅cosα+hG⋅senα] – B⋅(L+d1– d2)+Z⋅[(L+L3+ d1)⋅senϕ+hz⋅cosϕ]=0 (244) Y por tanto resulta: B = P ⋅ [( L1 + d 1 ) ⋅ cos α + hG ⋅ senα ] + Z ⋅ [ h z ⋅ cos ϕ + (L + L3 + d 1 ) ⋅ senϕ ] L + d1 - d 2 (245) ϕ Figura 150. Fuerzas exteriores que actuan sobre el tractor. De la misma forma tomando momento respecto del punto de aplicación de la resultante K2 o reacción del suelo sobre la rueda trasera resulta: A⋅(L+d1 – d2) – Pn⋅(L2 – d2)+Pt⋅hG+ (L3+d2)⋅Zn+hz⋅Zt =0 (246) De donde sustituyendo los valores anteriores y ordenando resulta: A⋅(L+d1 – d2)+P⋅[hG⋅senα – (L2 – d2)⋅cosα]+ Z⋅[(L3 + d2)⋅senϕ + hz⋅cosϕ]=0 (247) Y por tanto resulta: 160 Motores y Máquinas Agrícolas A= P ⋅ [( L2 - d 2 ) ⋅ cos α - hG ⋅ senα ] - Z ⋅ [ hz ⋅ cos ϕ + ( L3 + d 2 ) ⋅ senϕ ] (248) L + d1 - d 2 Dado que las distancias d1 y d2 son muy pequeñas comparadas con L, L1, L2 y L3 se pueden despreciar en las expresiones del valor de A y B, pues las diferencias en el cálculo final de las reacciones son muy pequeña. Queda por tanto, como valores de las reacciones normales en cada par de ruedas: ⋅ cos α - hG ⋅ senα ⋅ cos ϕ + ( L3 ) ⋅ senϕ - Z ⋅ hz L L (249) ⋅ cosα + hG ⋅ senα ⋅ cosϕ + (L + L3 ) ⋅ senϕ + Z ⋅ hz L L (250) A = P ⋅ L2 B = P ⋅ L1 10.8.2. Transferencia de carga La transferencia de carga supone un aumento o disminución sobre la carga que recae en cada uno de los ejes como consecuencia de la existencia de la fuerza de arrastre, Z y se corresponde con la expresión: Z ⋅ hz . cos α + L3 .sen ϕ L (251) Cuando no existe fuerza de arrastre (Z=0) los valores de las reacciones son: . cos α - hG .senα L (252) . cos α + hG .sen α L (253) A = P ⋅ L2 B = P ⋅ L1 10.8.3. Casos particulares Existen varios casos particulares comportamiento de los tractores: de importancia en el estudio del -El ángulo α = 0 (El tractor en terreno horizontal) -El ángulo α = 0 (La fuerza de arrastre es paralela al terreno). -Posibilidad de vuelco hacia atrás: A = 0 10.8.4. Vuelco por aceleración El vuelco sobreviene cuando la reacción del terreno en el eje delantero se hace cero, es decir cuando la aceleración es mayor que el producto de la 161 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias aceleración de la gravedad por la relación entre la distancia del centro de gravedad al eje trasero y la altura del centro de gravedad. 10.9. Potencia del motor de un tractor La potencia producida en el eje del motor, Nm, se puede medir con un banco de ensayos o calcularla en base a los datos disponibles con relación al motor y sus condiciones de funcionamiento (cilindrada, régimen de giro, consumo, rendimientos, etc). También se puede obtener a partir de la potencia consumida en cada una de las fases, etapas o tareas realizadas con el tractor y además tener presentes todas las posibles perdidas. De esta forma se determina la potencia que debe de tener el tractor en función de los trabajos que se quieren realizar (aperos, velocidades de trabajo, terreno, etc). Nm ηt Nt Nreal Ntdf ηb Nh Ne NR ET Nα Nσ Nb Figura 151. Potencias de un tractor. 10.9.1. Potencia perdida en la transmisión, Nt En el sistema de transmisión (embrague, caja de cambios, diferencial, transmisiones, reductores, etc) hay una perdida de potencia que depende del 162 Motores y Máquinas Agrícolas estado del sistema, engrase, condiciones de funcionamiento (velocidad, par), etc. y que se puede evaluar normalmente como un % de la potencia efectiva del motor. La potencia perdida en la transmisión es: Nt = Nm – NREAL (254) El rendimiento de la transmisión o rendimiento mecánico de esta, viene dado por: ηt = NREAL / Nm (255) Esta potencia real se invierte en vencer una serie de fuerzas generadas por el trabajo del tractor: U = R + Z ± Fp ± Fa (256) El resbalamiento es: Nu = Nσ + Nρ +Nb ± Np ± Na (257) σ = (Vt – Vr)/Vt (258) donde, Vt Vr P R Z Velocidad teórica Velocidad real Peso del tractor Resistencia a la rodadura del tractor Fuerza de arrastre U = ± Z + R ± Fp ± Fa (259) 10.9.2. Potencia consumida por la toma de fuerza, Ntdf La potencia suministrada a los equipos auxiliares conectados a la toma de fuerza se puede obtener mediante el producto del par existente en la toma de fuerza y la velocidad de giro: Ntdf = Ttdf⋅ωtdf (260) 10.9.3. Potencia consumida por el sistema hidráulico, Nh La potencia suministrada a los sistemas hidráulicos de los equipos auxiliares viene dada por: Nh = p⋅q/ηm⋅ηv (261) donde p es la presión del fluido, q el caudal y ηm⋅ηv los rendimientos mecánico y volumétrico del sistema. Restando a la potencia real (NREAL) la consumida por el sistema hidráulico y la toma de fuerza queda la potencia útil en el eje de las ruedas tractoras del 163 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias vehículo parte de la cual se ha de utilizar en acelerar el tractor y superar las pendientes. 10.9.4. Potencia consumida en la aceleración, Na Dado que la masa del sistema es elevada el valor de la potencia consumida en la aceleración es grande: Na = Fa⋅Vr = m⋅a⋅Vr = (P/g)⋅a⋅Vr (261) 10.9.5. Potencia consumida en la subida de pendientes, Nα Para subir una pendiente de ángulo α se requiere una potencia: Nα = P⋅Vr⋅senα (262) Para pequeñas pendientes (senα ≈ tanα) se puede aproximar: Nα = P⋅Vr⋅tgα (263) 10.9.6. Potencia perdida en el resbalamiento, Nσ El resbalamiento o deslizamiento de las ruedas del tractor originan una perdida de potencia que podemos calcular mediante la expresión: Nσ = U⋅(Vt – Vr) = U⋅σ⋅Vt = σ⋅Ne = U⋅Vr⋅σ /(1 –σ) (264) 10.9.7. Potencia perdida en la rodadura, Nρ La resistencia a la rodadura produce una perdida de potencia cuyo valor es: Nρ = R⋅Vr (265) 10.9.8. Potencia a la barra o de tracción, Nb Es la potencia empleada en el arrastre del remolque o apero: Nb = Z⋅Vr (266) En general la suma de todas las potencias es: Ne= NU = ± Np ± Na + Nb + Nρ + Nσ (267) En el supuesto de marcha uniforme y en horizontal, queda: Ne= Nb + Nρ + Nσ 164 (268) Motores y Máquinas Agrícolas Se puede definir el rendimiento a la barra: ηb = Nb Nm (269) Se puede definir la eficiencia de tracción como: ET = N b Ne (270) Este rendimiento depende del tipo de suelo, siendo mayor cuanto más compacto es el suelo. 165 Tema 10. Estática y dinámica del tractor. Balance de potencias 166 Motores y Máquinas Agrícolas Tema 11. El laboreo del terreno 11.1. Introducción Laboreo es toda operación realizada mecánicamente sobre el suelo por deseo humano y destinada a producir un cambio en la estructura del suelo, encaminada a conseguir un mejor desarrollo de las semillas y plantas cultivadas. Los objetivos que tradicionalmente ha perseguido el laboreo son: - Transformación de terrenos no cultivados en terrenos agrícolas. - Eliminación de malas hierbas. El laboreo interno controla eficientemente las malas hierbas. - Control de insectos parásitos. - Enterrar vegetación y aporte de materia orgánica y en enmiendas. - Esponjamiento del suelo para un mejor secamiento. - Eliminación de la compactación superficial. - Disminución de las pérdidas de agua por evaporación. - Preparar el terreno para la siembra creando un estado estructural favorable para la germinación y el desarrollo de la planta. - Facilitar el drenaje del suelo. - Configurar el terreno para la plantación, el riego, la recolección mecanizada, etc.. - Conservación del suelo contra la erosión disminuyendo la escorrentía. De entre estos objetivos el laboreo tradicional sólo se ha mostrado eficaz para tres de ellos: - Confeccionar un perfil de cultivo favorable. - Disponer de un lecho de siembra en el horizonte superficial. - Eliminar las malas hierbas. El laboreo tradicional presenta tres grandes inconvenientes: - Tiene un bajo rendimiento energético: η≅ 0.15-0.20. - El transito reiterado produce compactaciones al requerirse mucho peso para realizar suficiente tracción. - Produce una importante pérdida de materia orgánica. La situación actual presenta una caída de los precios por un exceso de la producción y una excesiva degradación y pérdida de suelo que disminuye la fertilidad del mismo. Actualmente el gran objetivo es producir lo mismo con el mínimo coste posible, manteniendo las propiedades del suelo. Se trata de racionalizar el laboreo reduciendo labores y agrupando operaciones. Las 167 Bibliografía dificultades que se presentan son la necesidad de realizar la siembra y la falta de maquinaria adecuada a precios accesibles. Sistema de laboreo y manejo del suelo Manipulación del suelo Propiedades del suelo Producción Minimizar Manejo optimo Maximizar Maximizar Figura 152. Esquema del manejo del suelo y de los sistemas de laboreo. 11.2. Propiedades físicas y mecánicas del suelo. 11.2.1. Estructura Está determinada por el tamaño y la forma de los agregados del suelo. Normalmente, salvo casos particulares, los constituyentes minerales y la materia orgánica no están separados ni fundidos en una masa amorfa, sino que forman conjuntos discontinuos o agregados que resultan de la acción de los sistemas de fuerzas antagónicas: - Fuerzas de ligadura que confieren cierta cohesión: • atracción de Van der Walls 168 Beneficio Coste de entrantes Herbicidas Labores Beneficio neto Coste total Resistencia del suelo Maximizar Minimizar Maquinaria Índice de cono Porosidad Aireación del suelo Densidad aparente Contenido de humedad Humedad disponible Costes de producción Motores y Máquinas Agrícolas • • • atracción electrónica entre coloides (Fe coloidal y arcilla) formación de puentes de H+ o Ca++ unión por películas de agua - Fuerzas de ruptura: • • • seres vivos, forma del suelo y sistema radicular de las plantas el hombre con el trabajo mecánico el agua por los fenómenos de humectación y desecación y de hielodeshielo. Las características de cada fracción son: - Las arenas disminuyen la cohesión, aumentan la porosidad y hacen a los suelos más ligeros y fáciles de trabajar. Los limos favorecen la compactación y disminuyen la permeabilidad. La arcilla aumenta la cohesión y hace a las tierras más plásticas y difíciles de 11.2.2. Propiedades físicas a). Textura Está determinada por los porcentajes de las fracciones de arcilla (<2 µm), limo (2-5 µm) y arena (0.05–2 mm) del suelo. Las arenas se dividen en finas (0.005–0.2 mm) y gruesas (0.2–2 mm). La fracción gruesa (>2 mm) se elimina por tamizado a la hora de determinar la granulometría del suelo. La estructura puede clasificarse, según sus agregados, en: - granular laminar angular sin estructura b). Porosidad Es la relación entre el volumen de poros y el total: n= Vp V (271) - Índice de poros: 169 n= e e +1 (272) Bibliografía e= Vp S= VL Vp (273) Vs - Grado de saturación: (274) donde, Vp V Vs VL volumen de poros volumen total volumen de sólidos volumen de líquidos. c). Densidad -Densidad aparente seca: Das = -Densidad aparente húmeda: ms V (275) Dah = ms + mL V (276) DR = ms Vs (277) -Densidad real: h ⎞ ⎛ Dah = Das ⋅ ⎜1 + ⎟ ⎝ 100 ⎠ (278) h es el contenido de humedad, n = 1− Das DR (279) 11.2.3. Propiedades mecánicas El suelo es un medio poroso que tiene un comportamiento muy variable según las proporciones de las tres fases en presencia: sólida, líquida y gaseosa, es decir, partículas de suelo, agua y aire. 170 Motores y Máquinas Agrícolas a). Consistencia Es la resistencia a la deformación y a la rotura. Entran en juego las fuerzas de adherencia entre las partículas. Tiene un papel fundamental el contenido de humedad. Los límites de consistencia o de Atterberg, son los contenidos de humedad que limitan los cuatro estados de consistencia del suelo: - Límite de retracción, LR. Establece el contenido de humedad por debajo del cual el suelo deja de contraerse, representa el límite inferior de humedad de consistencia semisólida. La fuerza que produce la contracción proviene de las tensiones que se generan en la interfase aire-agua sobre la superficie del sistema suelo-agua. Al evaporarse el agua se produce un acercamiento de las partículas del suelo originando una contracción que es proporcional al volumen de agua eliminado. MEZCLA FLUIDA DE AGUA Y SUELO ESTADO LÍQUIDO ESTADO PLÁSTICO Humedad creciente ESTADO SEMISÓLIDO ESTADO SÓLIDO Límite líquido WL Límite plástico WP Límite de retracción WR SUELO SECO Figura 153. Límites de Atterberg del suelo. - Límite plástico, LP. Límite inferior de Atterberg. Se trata del paso desde el estado frágil al plástico. La determinación experimental se lleva a cabo mezclando una pequeña cantidad de suelo desmenuzado con agua. Con esta mezcla hay que tratar de conseguir de forma manual, sobre una placa de vidrio, unos rodillos de 3 a 4 mm de diámetro, que por sí solos han de fragmentarse a intervalos de unos 10 mm de largo. Una vez logrado se determina la humedad cuyo valor corresponde a dicho límite. - Límite líquido, LL. Límite superior de Atterberg. El límite líquido corresponde al punto de humedad donde el suelo pasa del estado plástico al fluido. Esta se determina mediante la llamada cuchara de 171 Bibliografía Casagrande. Cuando al cabo de 25 golpes los bordos de una V se unen a lo largo de 1cm, el suelo tiene la humedad que corresponde al límite líquido. - Índice o intervalo de plasticidad, IP Es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico: IP = LL – LP IP = WL – WP (280) (281) - Índice de liquidez, IL Indica la proximidad del suelo natural al límite líquido: IL = W − WP WL − WP (282) Estos límites varían con la textura y el contenido en materia orgánica o humus. El índice de plasticidad aumenta con el contenido de arcilla. Los límites de Atterberg caracterizan la cohesión de los materiales porosos en función de la humedad. Las condiciones de trabajo del suelo pueden establecerse a partir de las variaciones de cohesión y adherencia con la humedad. La cohesión disminuye cuando aumenta la humedad. b). Resistencia a la compresión del terreno - Relación tensión-deformación vertical Al superar un cierto valor de tensión se produce el hundimiento. σ = k ⋅ zn σ= (283) Q Q = A π ⋅r 2 Q r z Curvas isotensión Figura 154. Curvas isotensión en el suelo. 172 (284) Motores y Máquinas Agrícolas k módulo de deformación inelástica. n=0.5, ...1 k = 30 N/cm3 k=200 N/cm3 k>10 N/cm3 n=1 Suelos arenosos Suelos arcillosos Suelo labrado Una modificación de la relación tensión-deformación es: ⎛ kc ⎞ + k φ ⎟⎟ ⋅ z n ⎝ b ⎠ σ = ⎜⎜ (285) donde, kc kφ módulo de deformación de cohesión módulo de fricción. σ n>1 n=1 SUELOS RIGIDIZANTES n<1 SUELOS DÉBILES z Figura 155. Tipos de suelos según la relación tensión-deformación vertical. En función de la relación entre tensión y la profundidad del suelo se pueden distinguir dos tipos de suelos: - Suelos rigidizantes: tienden a volverse más resistentes. - Suelos débiles: pierden resistencia al ser cargados. - Relación tensión-deformación horizontal. En construcción se realiza un ensayo a esfuerzo cortante mediante dos placas: T = c ⋅ xq (286) 173 τ = T S (287) Bibliografía En maquinaria agrícola se emplea una placa de carga que se clava en el suelo y se tira de ella. Q T T x Q Figura 156. Esquema de los esfuerzos en una placa de carga. También se utiliza el torno de deformación de Vane Shear, que se clava en el suelo y se hace girar con un brazo donde se aplica un momento torsor. Q ri M re M Figura 157. Esquema del torno de deformación de Vane Shear. dM = r ⋅ τ ⋅ dS M = 2 ⋅τ ⋅ π ⋅ r e3 − r i 3 3 (288) ⇒ M= (290) ⇒ τ= ∫ re ri r ⋅ τ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ r ⋅ dr 3⋅M 2 ⋅ π ⋅ (re3 − r i 3 ) (289) (291) El esfuerzo vertical y horizontal se relacionan entre sí mediante la ley de Coulomb: τ = c + σ ⋅ tgα donde, c α coeficiente de cohesión del suelo. ángulo de rozamiento interno. 174 (292) Motores y Máquinas Agrícolas τ τ σ1 σ2 σ3 α σ3 σ2 σ1 x σ Figura 158. Relación entre los esfuerzos vertical y horizontal. c). Deformación del suelo por la rodadura de los neumáticos Al pasar un neumático sobre el suelo se producen deformaciones tanto en el neumático como en el suelo que soporta las siguientes esfuerzos: τ = FT Sn σ = (293) W Sn S n = 0.78 ⋅ b ⋅ l (294) (295) W FT b L Figura 159. Superficie de la huella de una rueda de un tractor. Para hallar la resistencia a la rodadura de forma experimental se tira del tractor con otro y se determina la fuerza de tiro necesaria. Para su cálculo teórico se considera la rueda rígida sobre un suelo deformable. Según la Teoría de Bekker la rodadura es una resistencia a la compactación. 175 Bibliografía R= b ⎛ kc ⎞ ⋅⎜ + kφ ⎟ ⋅ z0n +1 n +1 ⎝ b ⎠ ϕ= (296) R W (297) 2 ⎡ ⎤ 2 n +1 ⎢ ⎥ 3 ⋅W ⎥ z0 = ⎢ ⎢ ⎛ kc ⎥ ⎞ + k φ ⎟ ⋅ D ⋅ (3 − n ) ⎥ ⎢b ⋅ ⎜ ⎠ ⎣ ⎝ b ⎦ cn = CI ⋅ b ⋅ l W (298) (299) ⎛ 1.2 ⎞ + 104 ⎟⎟ MR = W ⋅ ⎜⎜ ⎝ cn ⎠ (300) W z0 R Figura 160. Resistencia a la rodadura en la rueda de un tractor. También se puede realizar una modelización a partir del índice de cono obtenido en campo, CI. La resistencia a la rodadura es debida a tres causas: 1. Compactación vertical del suelo. 2. Desplazamiento lateral de la rueda al terreno. Resistencia al corte horizontal. 3. Deformación del neumático. 11.3. Tipos de labores y aperos de labranza a). Clasificación española 1. Equipos para labores profundas - Arados de desfonde: de vertedera o de discos Subsoladores: fijos o vibrantes Arados rotativos accionados Arados de discos Cavadoras Cultivadores pesados: arado cincel o chisel Rotocultores 176 Motores y Máquinas Agrícolas - Arados rastrojeros Rodillos mezcladores 2. Equipos para preparación de la cama de siembra - Arados rastrojeros Rotocultores Gradas de discos Cultivadores Gradas ligeras: de púas, dientes o rodantes Flotante de masas niveladoras Acaballonadoras Rodillos Máquinas combinadas de trabajo del suelo 3. Equipos para labores entre líneas - Desmalezadoras: rastrillos, ruedas estrelladas, quemadores Binadoras: de reja o rotativas Arados viñeros: de reja o de disco Acaballonadoras b). Clasificación americana, ASAE 1. Labores primarias Los utensilios para labores primarias desplazan y rompen el suelo para reducir la fuerza del suelo y enterrar o incorporar los materiales de plantación, pesticidas y fertilizantes en el lecho de siembra. Son más agresivos, más profundos y admiten una mayor aspereza de la superficie del suelo que los de labores secundarias. - Arados: • • • • • • - Vertedera Chisel Combinación chisel-cuchillas Reja escandadora ancha Discos Aparcador Vertedera superficial Discos aparcadores Subsoladores Gradas de disco • • Excéntrica Pesada en tandem 177 Bibliografía - Motoazada potente 2. Labores secundarias Los utensilios trabajan a menor profundidad, proveen de pulverización adicional, incorporan pesticidas y fertilizantes al suelo, nivelan y fijan el suelo, eliminan depósitos de aire y erradican malas hierbas. La preparación del lecho de siembra es la última operación secundaria. - Gradas • • • • • • • • - Discos Dientes flexibles, rígidos, de punta o enrollados Cuchilla Diente oscilatorio potente Rodillo compactador Acaballonadora Niveladora Rotativa accionada terreno Cultivadores Cultivador de varillas Rodillos Cultivador giratorio potente Acaballonadores Azadas giratorias 3. Labores de cultivo Los utensilios hacen una labor post-plantación somera para ayudar a la cosecha, aflojando el suelo y/o con erradicación mecánica de malas hierbas. - Cultivadores de hileras • Giratorio accionado por el terreno • De dientes flexibles • De dientes de asta - Rotocultivadores Motoazadas 4. Combinación de labores primarias - Cuchillas de reja de arado, brazos subsoladores y brazos de arado. Brazos de arado y cuchillas de disco. 5. Combinación de labores secundarias - Brazos en S, dientes de púas y cuchillas de disco. Rodillo compactador y dientes flexibles. 178 Motores y Máquinas Agrícolas Bibliografía JUNTA DE ANDALUCIA, 2002.- Almería. Datos Básicos 2002. Instituto de Estadística de Andalucía. Consejería de Economía y Hacienda, Delegación Provincial de Almería, Sevilla, 71 pp. JUNTA DE ANDALUCIA, 2007.- Almería. Datos Básicos 2007. Instituto de Estadística de Andalucía. Consejería de Economía y Hacienda, Delegación Provincial de Almería, Sevilla, 69 pp. MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA Y ALIMENTACIÓN (MAPA), 2002.Hechos y cifras de la agricultura, la pesca y la alimentación en España. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, Madrid, 100 pp. MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA Y ALIMENTACIÓN (MAPA), 2006.Hechos y cifras de la agricultura, la pesca y la alimentación en España. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, Madrid, 160 pp. MINISTERIO DE AGRICULTURA, PESCA Y ALIMENTACIÓN (MAPA), 2007.Inscripción de maquinaria agrícola: año 2006. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, Madrid, 137 pp. 179
