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La barra de trasmisión del automóvil

La barra de trasmisión fue un elemento indispensable en casi todos los automóviles hasta la aparición masiva de la tracción delantera en los vehículos ligeros. Aun se conserva en aquellos coches que tienen el motor en la parte delantera y la tracción trasera, así como en todos los vehículos pesados.

Este dispositivo tiene la función de trasmitir la fuerza motriz en forma de movimiento rotatorio desde la caja de velocidades hasta el, o los puentes motrices.
Contenido del artículo
La unión universal
La unión desplazable
La construcción de la barra
Esfuerzos de torsión
Esfuerzos de flexión
En la figura 1 se muestra un esquema típico del montaje de una barra de trasmisión en la que pueden verse las partes que la constituyen, en él se observa como esta barra se acopla a la caja de velocidades por un extremo y al puente motriz por el otro con el uso de unos acoplamientos especiales llamados cardanes o uniones universales, a fin de poder transmitir la rotación formando un ángulo. Puede verse además que no es una pieza monolítica, ya que está formada por dos partes acopladas por una unión estriada, desplazable axialmente. Analicemos ahora algunos detalles del porqué son necesarias todas esas partes.

La unión universal.

Hay que partir de que la barra de trasmisión está trasmitiendo rotación entre dos puntos que están a notable diferente altura en el automóvil; la caja de velocidades y el puente motriz, de esta forma, no es posible colocar un árbol rígido directamente entre ellos y hay que acudir a una unión mecánica capaz de trasmitir las elevadas potencias y velocidades típicas de estas máquinas. Esta unión es el cardán.

Barra de transmisión

Figura 1

En la figura 2 representa un corte hecho a una unión cardán, consta de dos horquillas agujereadas colocadas a 90 grados una con respecto a la otra, y cada una acoplada rígidamente a los árboles a unir; en este caso, una de las horquillas está soldada a la barra de trasmisión y la otra presenta una superficie plana rectangular con agujeros, estos agujeros sirven para atornillar rígidamente la horquilla a un plato metálico solidario con el otro árbol a acoplar y que no se representa.
 
Las dos horquillas están unidas a través de una pieza en forma de cruz conocida como cruceta, los extremos de la cruceta se introducen en los agujeros de las horquillas y se apoyan en sus respectivos cojinetes de rodillos . Esta cruceta hace que uno de los árboles sea arrastrado cuando el otro gira, sin embargo, permite el movimiento angular del eje de un árbol con respecto al del otro.

Esta unión, aunque resuelve el problema de la transmisión entre árboles no alineados axialmente, tiene el inconveniente de que la velocidad de rotación del árbol movido no es constante durante los 360de cada vuelta, aun con velocidad constante en el árbol motor.

Esto significa que aunque el árbol motor mantenga una velocidad de giro constante, el árbol movido sufrirá aceleraciones y desaceleraciones durante el mismo tiempo, por lo que la velocidad angular instantánea de ambos no es la misma; el árbol movido tiende a tener un giro vibracional. Este giro vibracional a todas luces no es conveniente para introducir potencia al puente motriz, ya que generaría cargas dinámicas adicionales a la ya elevada carga que viene del motor, con la consecuente disminución de la vida del puente motriz además de la aparición de vibraciones en el vehículo.

Este problema se resuelve colocando los dos árboles; el de salida de la caja de velocidades, y el de entrada del puente motriz, paralelos (Figura1), y utilizando una unión cardán en cada extremo de la barra de trasmisión, de esta forma, los cambios instantáneos de velocidad de rotación que genera uno de los cardanes, son compensados por el otro, y aunque la barra de trasmisión tenga el movimiento rotacional variable generado por el primer cardán, el árbol de entrada del puente motriz gira en cada instante de tiempo a la misma velocidad.

Este efecto compensador se consigue solo si las dos horquillas fijas en cada extremo de la barra de trasmisión  se colocan con sus agujeros coincidentes sobre la misma linea axial, por el contrario si se colocaran a 90una respecto a la otra, el efecto perturbador se multiplica.

Es muy importante tener esto en cuenta cuando se monta una barra de trasmisión dividida que no tiene alguna guía de montaje.

Cardán
Figura 2


En la figura 3 se puede ver una imagen real de una barra de trasmisión de una sola pieza, observe la posición coincidente de las horquillas en cada extremo. Estas barras son comunes como extensión, en los camiones de carga con distancias grandes entre caja de velocidades y puente motriz, donde no puede utilizarse una barra única debido a su excesiva longitud.
Barra de transmisión de un solo cuerpo
Figura 3

La unión desplazable

El puente motriz en el automóvil durante la marcha está en constante movimiento de subida y bajada de acuerdo a las ondulaciones del camino, no obstante, estos movimientos verticales no se trasmiten del todo al vehículo y son amortiguadas por la suspensión. El trabajo de la suspensión entonces, supone que existe un constante movimiento relativo entre el puente motriz y el coche, lo que produce a su vez un cambio en el ángulo de inclinación de la barra de trasmisión.

Si se observa la figura 4 es fácil darse cuenta de que esta barra constituye la hipotenusa del triángulo rectángulo imaginario formado por la suspensión como cateto vertical, y la distancia entre la salida de la caja de velocidades y el puente motriz como cateto horizontal, aunque en algunos vehículos esta última distancia cambia algo con la subida y bajada del puente con respecto al coche, el cambio es muy pequeño y podemos despreciarlo para simplificar, de manera que son perfectamente aplicables los cálculos trigonométricos del Teorema de Pitágoras a este triángulo.

Este teorema de manera simplificada dice, que cuando en un triángulo rectángulo disminuye la longitud de alguno de los catetos, la longitud de la hipotenusa también disminuye, por lo tanto, cuando el vehículo se carga o encuentra una protuberancia del camino, y el puente motriz sube con respecto al coche (se reduce el cateto vertical) también tiene que hacerlo la hipotenusa (la barra de trasmisión). Este cambio de longitud necesario de la barra de trasmisión, se logra utilizando una barra dividida entre cuyas partes se coloca una unión estriada desplazable que garantiza la trasmisión de la rotación, y al mismo tiempo el movimiento relativo axial entre dos piezas.

En la práctica se usan dos métodos:
  1. Acoplando uno de los cardanes a un árbol hueco y estriado interiormente en donde se introduce el árbol de salida de la caja de velocidades estriado exteriormente. Este árbol queda mayormente dentro del cuerpo de la caja de velocidades y su superficie cilíndrica exterior sirve a su vez como superficie de contacto con el empaque que evita la pérdida de lubricante de esta.
  2. Haciendo la barra de trasmisión  de dos piezas entre las cuales se tallan las estrías interiores en una, y exteriores en la otra, para hacer el acoplamiento, y los cardanes se colocan rígidamente acoplados a sus árboles respectivos.
esquema

Figura 4




Las figuras 5 y 6 dan idea de ambos métodos.
barra
Figura 5
Barra donde en el lado de la caja de velocidades (lado izquierdo) está la unión estriada mientras el otro cardán es rígidamente acoplado al árbol del puente.

Barra de transmisión de dos cuerpos

Figura 6
Observe la zona de empalme entre las dos piezas que conforman la barra de trasmisión

La construcción de la barra.

La barra es una pieza que cuando funciona puede girar a alta velocidad, por lo que tiene que estar perfectamente balanceada dinámicamente para no producir molestas vibraciones al vehículo, además de cargas adicionales a los apoyos, y está sometida a  dos tipos de esfuerzos:
  1. Esfuerzos de torsión dinámicamente cambiantes como ya hemos visto en la descripción del cardán.
  2. Esfuerzos de flexión debido a su propio peso, ya que está libremente suspendida entre sus dos puntos de apoyo; el puente motriz, y la caja de velocidades.
Analicemos ahora la influencia de cada uno de estos esfuerzos en el diseño de la barra:

Esfuerzos de torsión.

El motor de pistones en sí mismo no produce a la salida del cigüeñal un torque constante debido a que la potencia es generada a impulsos durante la carrera de fuerza de cada uno de sus cilindros. Aunque esta oscilación del torque es amortiguada por elementos presentes como el volante, el mecanismo de amortiguación del disco del embrague, o el convertidor de par, de todas formas siempre esta presente en mayor o menor grado a la entrada de la barra. Si a esto sumamos que el propio cardán produce una trasmisión del torque variable como vimos en la descripción de este mecanismo mas arriba, entonces nuestra barra esta sometida a un fuerte efecto de torsión dinámica (variable) durante su trabajo.

La barra, por muy rígida que se construya es un elemento elástico al fin, cuando es sometida a una carga se tuerce (deforma), en mayor o menor grado en dependencia de la carga y su rigidez constructiva, si luego se libera de la carga, tiende a recuperar su forma original, pero siempre oscilando durante un breve tiempo a su frecuencia natural de oscilación. Si la frecuencia natural de oscilación torsional de la barra coincide o está muy cerca de la frecuencia de cambio de las cargas dinámicas que trasmite, puede producirse el efecto conocido como resonancia, la amplitud de la torsión de la barra irá creciendo hasta valores que pueden producir su rotura por sobrecarga. Por esta razón las barras se construyen con suficiente rigidez para que su frecuencia natural de oscilación este siempre lejos de las posibles cargas dinámicas a trasmitir.

Esfuerzos de flexión

Debido a que la barra representa una viga libremente apoyada en sus dos extremos cargada con su propio peso, está sometida a un pequeño esfuerzo de flexión que tiende a deformarla un tanto. Si esta flexión es algo significativa debido a las dimensiones y peso de la barra, entonces durante el giro se produce un gran desbalanceo dinámico que a todas luces es indeseable. Para evitar este problema, las barras se construyen huecas y de paredes finas para reducir el peso, y de gran diámetro para aumentar la resistencia a la flexión.

Detalles sobre el cardán aquí.
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