Taller Automotriz I.

INFORME DE PRACTICA DE DESMONTAJE DE ÁRBOL DE

TRANSMISIÓN

Escuela Superior Politécnica de Chimborazo

Andrés Águila, Wilson García, Román Jácome, Johao Ávalos

wilsongv_92@homail.com, roman-alejo1@hotmail.com, attera_totum_sanctum_666@hotmail.com,

cristian_avalos256@hotmail.com

RESUMEN

El cardán es un componente mecánico, descrito por primera vez por Girolamo Cardano, que

permite unir dos ejes no colineales. Su objetivo es transmitir el movimiento de rotación de un eje al

otro a pesar de la no colinealidad. En los vehículos de motor se suele utilizar como parte del árbol

de transmisión, que lleva la fuerza desde el motor situado en la parte delantera del vehículo hacia

las ruedas traseras. En este reporte explicaremos el proceso de montaje y desmontaje de un árbol

de transmisión de un Nissan Patrol 1988, detallaremos todo el proceso como la respectiva

identificación de los elementos y el estado de los mismos.

PALABRAS CLAVE: árbol de transmisión, colineal.

ABSTRACT

The driveshaft is a mechanical component, first described by Girolamo Cardano, which allows

joining two non-collinear axes. Its objective is to transmit the rotational movement of a shaft to the

other despite the non collinearity. In motor vehicles it is usually used as part of the shaft, which

carries the force from the motor located in the front of the vehicle to the rear wheels. This report will

explain the process of assembly and disassembly of a shaft of a Nissan Patrol 1988, will detail the

whole process as the respective identification of the elements and the state of the same.

KEYWORDS: driveshaft, collinear

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1. OBJETIVOS

Analizar los principales componentes que

conforman eje de transmisión.

Observar el accionamiento de los diferentes

mecanismos que componen una eje de

transmisión.

Realizar cálculos referentes al eje de

transmisión.

2. MARCO TEÓRICO

ÁRBOL DE TRANSMISIÓNTambién conocido como árbol cardán, cumple con la función de transmitir el par motor desde la caja de velocidades al puente trasero.Es básicamente una cadena cinemática de dos tramos, lo mismo que están provistos las siguientes articulaciones:

Figura 1: “Árbol de Transmisión”

Fuente:http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

El primer tramo está compuesto en su extremo anterior por un acoplamiento elástico y en su extremo posterior (centro de la cadena cinemática) va montado al piso de la carrocería sobre un cojinete de bolillas.El acoplamiento flexible también llamado amortiguador es seleccionado de acuerdo a los requerimientos de resistencia y amplitud para amortiguar las vibraciones torsionales.Su unión al segundo tramo se lo hace mediante una cruceta y este a su vez se vincula al eje trasero por medio de otra cruceta.Cabe señalar que el tramo trasero del cardán tiene un amortiguador interior de cartón en ambos extremos, por tal motivo no debe ser cambiado por otro sin

amortiguador ya que no se alcanzará el nivel sonoro deseado en el habitáculo.El soporte central está compuesto por una carcasa metálica dentro del cual se aloja un buje de goma, el mismo que sirve de apoyo al cojinete de bolillas.El soporte conjunto va fijado al panel del piso a través de tornillos de sujeción, intercalando entre ellos dos arandelas (una por cada lado) que cumplen con la finalidad de establecer un ángulo correcto de montaje.En la práctica no es necesario verificar dicho ángulo, solo se controlara que ambos tramos del eje de transmisión queden contenidos en un plano vertical paralelo al eje longitudinal del vehículo, es decir, observando desde abajo del vehículo deben verse en una solo línea.

Figura 2: “Despiece Árbol de Transmisión”

Fuente:http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

En los vehículos con motor delantero y propulsión trasera, el enlace caja de cambios puente trasero con diferencial se realiza por medio de un árbol de transmisión que lleva adaptado un sistema de juntas elásticas para absorber las deformaciones oscilantes del puente. En este sistema, el enlace del diferencial con las ruedas se realiza por medio de unos semiarboles rígidos llamados palieres, alojados en el interior del puente trasero.

Figura 3: “Esquema de transmisión para motor delantero y propulsión trasera”

Fuente:http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

En los vehículos con motor y propulsión traseros o motor y tracción delanteros, la transmisión se realiza

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directamente desde la caja de cambios a las ruedas. En este caso no existe puente diferencial ni árbol de transmisión. Con este fin se usan semiárboles con interposición de juntas elásticas que permitan el movimiento oscilante de la rueda cuando el vehículo está en movimiento.

Figura 4: “Esquema de transmisión para motor delantero y propulsión delantera”

Fuente:http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

Semi-árboles de transmisión o palieres: Los semi-árboles o palieres pueden ser rígidos o articulados (para suspensiones independientes) tienen la misión de transmitir el movimiento desde el diferencial a las ruedas. Están constituidos por un eje de acero forjado, uno de sus extremos se acopla al planetario del diferencial y, el otro extremo se acopla al cubo de la rueda.Junta homocinética: Es una pieza compleja, que unida al palier de transmisión tiene como finalidad conectar dos ejes dispuestos longitudinalmente, no continuos, de modo que la velocidad entre ellos sea igual en todo momento.En los vehículos con tracción a las 4 ruedas (4x4), la transmisión del movimiento a las ruedas se complica ya que se necesitan mas elementos, como otro árbol de transmisión que transmita el movimiento generalmente a las ruedas traseras, esto viene acompañado con el uso de otro diferencial.

Figura 5: “Esquema de transmisión para motor de tracción a las 4 ruedas”

Fuente:http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

CRUCETAS

Figura 6: “Crucetas”

Fuente: http://www.itacr.com/boletin19.html

Las crucetas o uniones universales (U-joints) son probablemente uno de los componentes que se ve sometido a un mayor soporte en el sistema de transmisión de fuerza en un vehículo. Esta se dobla, estira, tuerce y se somete a toda clase de tensiones dura la operación. Si ésta se dañase, el vehiculo quedaría averiado y fuera de funcionamiento; por lo que al ser una pieza indispensable, debemos considerar la calidad de la misma al requerir una pieza de reemplazo, así como extremar medidas en la instalación y mantenimiento para evitar daños prematuros.

Para comprender mejor la importancia y trabajo de las crucetas, es esencial poseer un conocimiento general de los tipos de sistemas de transmisión en que se utilizan, además de su funcionamiento. La labor del sistema de transmisión es la de transmitir la torsión del motor hasta el eje diferencial, mientras transmite una fuerza bajo constantes cambios de ángulos y longitudes de barreras de transmisión. La cruceta le permite a la barra de transmisión operar a distintos ángulos mientras que el acople deslizante permite las variaciones en la longitud de la barra.

El típico sistema de transmisión está constituido por: una transmisión, una toma de acople, un acople deslizante, un ensamblaje de eje o barra propulsora, otra cruceta y en algunos casos un ensamble de cojinete central. Los cojinetes centrales se utilizan para sostener dos barras de transmisión cuando es necesario conectar a mayores distancias.

Existen cuatro tipos diferentes de sistemas de transmisión:

a) Tracción trasera: Este sistema es utilizado en vehículos viejos de pasajeros, camiones livianos (Pick

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up), camiones medianos y vehículos pesados.

b) Tracción delantera: Utilizado en la gran mayoría de vehículos de pasajeros actuales y camionetas pequeñas (vans).

c) Vehículos doble tracción: Usado en camionetas livianas (Pick up), vehículos utilitarios deportivos (SUV) y algunas camionetas pequeñas.

d) Vehículos con tracción en las cuatro ruedas: Utilizado en algunos vehículos de pasajeros y camionetas livianas.Las crucetas son utilizadas en los vehículos con tracción trasera, doble tracción y en los vehículos con tracción en las cuatro ruedas (All-Wheel Drive).

OPERACIONES DE LAS CRUCETAS

Figura 7: “Cruceta en corte”

Fuente: http://www.itacr.com/boletin19.html

Las crucetas o uniones universales son acoples al final de la barra de transmisión. Son necesarias debido a los cambios de ángulo que suceden con los cambios de altura del vehículo y por el ligero desalineamiento causado por el desgaste de los componentes y las tolerancias de producción. Una cruceta proporciona una suave transmisión de la potencia hacia el diferencial conforme estos ángulos cambien.

Las crucetas convencionales utilizadas en la mayoría de los vehículos con tracción trasera son de tipo Cardán. Éstas juntas son una cruceta de cuatro puntos, con cojines de copa en cada terminal de la cruz. Se utilizan rodillos de aguja en las copas para permitir a la cruceta articularse conforme la barra de transmisión gira. La cruceta de Cardán es muy utilizada tanto en barras pequeñas para la transmisión de potencia hasta las barras de transmisión utilizadas en camiones pesados y equipo de construcción.

La mayoría de los fallos en las crucetas se atribuyen a la perdida de lubricante. El desgaste que ocurre en el sello,

la cruceta o los rodillos permite al lubricante escapar por lo que la junta falla.

Figura 8: “Constitución de una cruceta”

Fuente: http://www.itacr.com/boletin19.html

Una consiste de una cruz forjada con boquillas de engrase, cuatro juegos de cojinetes de aguja completamente consecuentes, cuatros sellos y cuatro copas de cojinete. (fig.2)

Al fabricar las crucetas, la cruz es forjada primeramente con una aleación especial de acero. Luego se taladran los pasajes de lubricación y se roscan los agujeros de las boquillas. Luego se maquinan todas las dimensiones coaxiales y se sacan las ranuras al tamaño aproximado. Posteriormente son tratadas al calor y la caja endurecida al RC60-64.

Posteriormente se maquinan al tamaño final. Las copas de cojinete se fabrican de forma similar. Sin embargo, en algunos modelos se usa un proceso final de soldadura por inducción para pegar los platos de soporte.

Una vez que la cruz y las copas se han manufacturado a las especificaciones finales, se insertan los cojines de aguja a las copas. Las copas conteniendo los cojines se colocan en sus terminales coaxiales y la cruceta completa se empaca.

CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO DE LAS CRUCETAS

Figura 9: “Estructura interna de las crucetas”

Fuente: http://www.itacr.com/boletin19.html

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El diseño de nuestras crucetas de trabajo pesado U-3 se taladra pasajes de aceite y ranuras al final de las terminales coaxiales, con el fin de permitir una fácil lubricación de los cojines de aguja. También se diseña un pasaje de retención en el centro de cada terminal coaxial, la cual previene el flujo invertido en el lubricante líquido generado durante la operación. Cuando la cruceta esta en reposo una o más de una de sus terminales estará hacia arriba. (fig.3)

Sin el pasaje de retención, el lubricante se escaparía por los pasajes superiores y las terminales coaxiales, llevando a un arranque parcialmente seco. El pasaje de retención asegura la lubricación de las terminales coaxiales y los cojinetes de aguja cada vez que la cruceta se pone en funcionamiento.

LUBRICACIÓN DE LA CRUCETA

Para lograr una larga vida de servicio, la lubricación es el momento más importante del mantenimiento de la transmisión. Las crucetas y acoples deslizantes de los camiones se deben lubricar cada 2500 millas o cada 3 meses (lo que ocurra primero) o más a menudo bajo condiciones más severas de servicio. A continuación el procedimiento para la lubricación de las crucetas:

1. Utilice una grasa de jabón de litio de alta calidad con una categoría de presión extrema (EP).

2. Lubrique la junta hasta que parezca la grasa por los cuatro sellos.

3. Sino aparece grasa, puede ser necesario aflojar la copa de cojinete y disparar la grasa dentro para que el sello se purgue.

4. Cuando la lubricación sea parte de la rutina de mantenimiento, asegúrese de que todos los sellos se han purgado de contaminantes. Los cojines estarán purgados cuando aparezca grasa limpia por los cuatro sellos.

CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA JUNTA CARDANICA.Cualquiera que sea la posición angular de los árboles unidos por ella, sus ejes se cortan en el punto 0, que es el centro de la cruceta.

. Figura 10: “Movimiento de las horquillas”

Fuente:http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=true

Las trayectorias seguidas por las extremidades de las horquillas son siempre circulares.

Figura 11: “Trayectoria de las horquillas”

Fuente:http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=true

Las trayectorias de los extremos de las horquillas son dos grandes círculos de una esfera. Cada uno de estos círculos está situado en un plano perpendicular al eje del árbol correspondiente; estos dos planos se cortan según la recta CC' que es, perpendicular al plano que contiene los ejes de los árboles A y B.

Figura 12: “Cinemática de la junta cardan”

Fuente:http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=true

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Designado por “x” el ángulo de rotación del árbol 1 y por β el ángulo formado por los dos árboles 1 y 2, se demuestra la siguiente relación:

Donde

De igual manera el torque a transmitir por el eje 2 será:

Figura 12: “Variaciones de la velocidad de la junta cardan”

Fuente:http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=true

Supuesta constante la velocidad del árbol motor 1 la del árbol 2 pasa, dos veces por revolución, por un máximo y un mínimo cambiando su aceleración de sentido cuatro veces por vuelta. Los engranajes de la caja de velocidad y reductor final están sometidos, por el hecho de estas variaciones de velocidad angular, a esfuerzos alternos que aumenta su fatiga.CINEMÁTICA DE UN EJE CARDAN (RELACIÓN ANGULAR)

Donde

RELACIÓN DE TRANSMISIÓN

Siendo: ω1 la velocidad de rotación del eje 1 y ω2 la velocidad de rotación del eje 2

Derivando la ecuación de la relación angular, obtenemos la ecuación que expresa la variación de la relación de transmisión:

VELOCIDAD DEL EJE DE SALIDA

GRADO DE UNIFORMIDAD

TRANSMISION DE MOMENTOS

3 PROCEDIMIENTO

1. Al empezar la práctica iniciamos aflojando los pernos que sujetan la horquilla del cardán en el extremo que va hacia el diferencial.

Figura 13: “Horquilla de cardán hacia diferencial”

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Fuente: Autores

2. Con ayuda de la gata hidráulica levantamos el vehículo un poco para ayudarnos a tener más espacio para que sea más fácil el desmontaje del eje cardán.

Figura 14: “Levantamiento de vehículo”Fuente: Autores

3. Desmontamos la parte trasera del cardán conectada hacia el diferencial tal como se muestra en la figura siguiente.

Figura 15: “Desmontaje horquilla de cardán hacia diferencial”Fuente: Autores

4. De igual manera procedemos con el mismo procedimiento con el otro extremo del cardán para su desmontaje el cual va conectado hacia la caja de cambios.

Figura 16: “Desmontaje horquilla cardán

caja de cambios”

Fuente: Autores

5. Desmontamos el eje cardán por completo y a continuación procedemos al desmontaje de las crucetas.

Figura 17: “Inspección estriado de semiejes”

Fuente: Autores

6. A continuación procedimos a desmontar los seguros que sujetan la cruceta por sus extremos con ayuda de un destornillador.

Figura 18: “Desmontaje cruceta”Fuente: Autores

7. Una vez desmontada la cruceta del eje cardán procedemos a desmontar la parte de la cruceta que queda sujeta a la horquilla que va hacia el diferencial.

Figura 19: “Desmontaje cruceta”Fuente: Autores

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Figura 20: “Horquilla y cruceta”Fuente: Autores

8. Realizamos el mismo procedimiento anteriormente mencionado e inspeccionamos el estado de las agujas.

Figura 21: “Dados de cruceta”Fuente: Autores

9. Se verificó el estado de la cruceta y las

agujas, se pudo observar que se

encontraban en perfectas condiciones

10. Luego de la revisión de los dados y del estado de la cruceta procedemos al montaje de las partes desmontadas anteriormente siguiendo el mismo proceso anterior en sentido inverso.

4. CÁLCULOS

COMPROBACION DE UN EJE CARDAN HUECO

Si consideramos que se eligió la siguiente configuración de cardan, destinada para trabajar con una potencia de 5 HP, una velocidad de 3600 rpm. El eje es de acero con un módulo de rigidez G= 77 GPa, con un esfuerzo admisible τY = 135 MPa.

Figura 22: “. Detalles del eje cardan seleccionado”

Fuente: http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?

login=&email_was_taken=true

Calculamos el torque

Calculamos el momento polar de inercia

Ahora se calcula el esfuerzo cortante

El esfuerzo máximo soportado es

El factor de seguridad para el eje queda entonces:

Figura 23: “.Corte de la sección de la cruceta”

Fuente:http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=true

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Datos de la cruceta y horquilla

Se calcula la carga basados en el torque

Calculamos las áreas de las secciones de la cruceta y la horquilla

Calculamos los esfuerzos máximos

Quedando así los Factores de seguridad

Por lo anterior, podemos decir que el acoplamiento del cardan cuenta con un factor de seguridad de 6.45 el cual nos permite aplicarle hasta seis veces la potencia de 5Hp (30 Hp) ya que solo fallaría por la ruptura del eje de trasmisión. Por lo que la selección fue correcta.

5. CONCLUSIONES

Se logró determinar el proceso a seguir en el

desmontaje de un eje de transmisión y sus

respectivas crucetas.

Se realizó cálculos referentes al eje de

transmisión.

Se pudo observar la constitución de una

cruceta del árbol de transmisión.

5. RECOMENDACIONES

Retirar los componentes con sumo cuidado,

organizarlos y guardarlos de una forma

ordenada y adecuada para su ´posterior

montaje.

Implementar pinzas para extraer seguros de

cruceta.

Implementar graseros neumáticos para la

lubricación de crucetas.

6. REFERENCIAS

BIBLIOGRÁFICAS

[1]http://www.academia.edu/6606156/CARDAN?login=&email_was_taken=truehttp://zona-xj.activoforo.com/t17-transmision-de-movimiento-a-las-ruedas-part-1

[2] GERSCHLER GTZ. Tecnología del automóvil. Tomo 2. Editorial REVERTÉ. 20a Edición. "Árbol de Transmisión

[3]http://www.fordsierranet.com.ar/Fotos/03_Arbol_de_Transmision.pdf

[4] http://www.aficionadosalamecanica.com/transmisiones.htm

[5]http://www.legionlandrover.com/manuales/manual%20de%20taller%20-%20arboles%20de%20transmision.pdf

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