Fuerzas de resistencia al en medios de transporte
Se define una máquina automotriz como aquella máquina autopropulsada, que consta al menos, de una fuente energética, un sistema de transmisión y un tren de rodaje; y que esta destinada a cumplir diferentes funciones según su tipo y destino.
Las cualidades de explotación caracterizan las posibilidades de utilización efectiva del vehículo en determinadas condiciones y permiten valorar en que medida sus características constructivas responden a sus condiciones de explotación. Conocerlas es necesario para la proyección de nuevos modelos y para la elección, evaluación y comparación de los diferentes tipos de vehículos en las condiciones de explotación a que serán destinados. De este modo podemos lograr aumentos de la productividad del vehículo y disminuir los costos de las transportaciones, aumentando la velocidad media de movimiento y disminuyendo el consumo de combustible.
Entre las cualidades de explotación se relacionan:
Por dinámica se comprende la cualidad de la máquina automotriz de transportar cargas y pasajeros con las velocidades máximas posibles. Mientras mayor es la dinámica del vehículo, mayor será su productividad. La dinámica depende antes que todo de las cualidades tractivas y de frenaje de la máquina automotriz.
La economía de consumo es la utilización racional de la energía del combustible durante el movimiento del vehículo. Los gastos por concepto de consumo de combustible constituyen una parte significativa del costo de transportación, por ello mientras menor sea el consumo, menores serán los gastos de explotación.
La maniobrabilidad es el conjunto de cualidades que caracterizan la posibilidad del vehículo de variar su posición en áreas limitadas, en movimientos por trayectorias de pequeña curvatura con brusca variación de la dirección, incluyendo la marcha atrás.
La estabilidad es la cualidad que garantiza la conservación de la dirección del movimiento bajo la acción de fuerzas de resistencia, que pueden en determinadas circunstancias provocar el vuelco, el patinaje o el derrapaje del vehículo.
La capacidad de paso es su cualidad de moverse con seguridad por vías en malas condiciones y terrenos accidentados, y vencer los obstáculos naturales y artificiales.
La suavidad de marcha es la cualidad del vehículo de moverse en vías no niveladas, sin grandes sacudidas de la carrocería. De ella depende la velocidad de movimiento, el consumo de combustible, la conservación de la carga y el confort de la máquina automotriz.
La fiabilidad está vinculada a la probabilidad del trabajo sin fallos en el transcurso de un determinado período y sin empeoramiento de los principales indicadores de explotación.
La durabilidad es la cualidad del vehículo de mantener la capacidad de trabajo hasta el arribo al estado límite.
La mantenibilidad muestra la facilidad que el vehículo brinda para prevenir y descubrir las causas que originan sus fallos y deterioros, así como la eliminación de sus consecuencias, mediante la realización de mantenimientos y reparaciones.
Si bien desde el punto de vista de la facilidad de su estudio, estas cualidades se analizan independientemente, en realidad todas están vinculadas.
Fig. 2.2. Comportamiento del coeficiente de resistencia al rodamiento con la velocidad de movimiento, la carga que actúa sobre la rueda y la presión de aire del neumático.
-Tipo y estado de la vía: Las pérdidas relacionadas con la deformación de la superficie de apoyo y con la aparición durante el rodamiento de cargas dinámicas, dependen del tipo y estado de la vía. A mayor deformación de la superficie de apoyo, mayor Pr. Por otro lado, las irregularidades de la vía crean cargas dinámicas que dan lugar a deformaciones complementarias del neumático y pérdidas adicionales por histéresis. En vías mojadas o con películas grasientas Pr aumenta a causa de las pérdidas hidráulicas que se originan durante el paso de la rueda sobre la película. En superficies de apoyo deformables el valor de f se incrementa como consecuencia del trabajo de formación de la huella (deformación plástica del suelo), que depende de la profundidad de la huella. Como consecuencia de la deformación del suelo se incrementa la excentricidad del punto de aplicación de la resultante, y por tanto, el valor del momento resistivo. Las pérdidas de formación de la huella se suman a las pérdidas internas del neumático incrementando el valor de Pr.
Tabla 2.1 Valores de f para condiciones de temperatura, presión y V normados.
-Parámetros constructivos de la rueda:
-Incremento del espesor del protector: aumenta el valor de f, en particular en neumáticos diagonales. En virtud de ello en la medida que se desgasta el neumático f desciende. En neumáticos con dibujo todoterreno en el protector, el valor de Pr por carreteras asfaltadas se incrementa en 25-30%.
-El incremento de la relación entre el ancho de la llanta y el ancho del perfil del neumático y la disminución de la relación entre la altura y el ancho del perfil del neumático (h/b) conducen a la disminución de f. En este último caso, también disminuye la dependencia de f(V).
-La construcción interna de la carcaza: Para velocidades menores de 30-35 m/s la menor Pr se alcanza en neumáticos radiales (f es menor que en los diagonales en un 15 – 20 %). Para mayores velocidades se alcanzan menores f en neumáticos diagonales de diferente tipo. En la medida que se incrementa el desgaste, las ventajas de los neumáticos radiales en comparación con los diagonales, disminuyen.
-El diámetro de la rueda: Su incremento conduce a la disminución de f. En la medida que sean mayores las irregularidades de la vía y la V, cuanto más significativa la influencia del diámetro de la rueda en el coeficiente f. En particular es más acentuada la influencia en suelos deformables.
-El ancho de la rueda: Su aumento produce disminución sensible de f sólo en suelos deformables.
-La calidad de la resina del neumático: Al aumentar la calidad de la resina disminuye significativamente el coeficiente f, por concepto de disminución de las pérdidas internas por histéresis.
2.2.4 Fuerza de resistencia al aire (Pa).
A través de la aerodinámica se han demostrado principios y leyes que rigen el movimiento de los cuerpos a través del aire. Cuando un flujo no se adapta perfectamente al contorno de un objeto, se crea una turbulencia que da lugar a la denominada resistencia de forma.. Como quiera que el aire es una sustancia viscosa, al fluir alrededor de un objeto crea una capa límite de fluido inmóvil junto a la superficie. Mientras esta capa permanece fija a la superficie, tendremos un flujo laminar. Si la corriente que fluye sobre el objeto pierde presión, la capa se torna más gruesa, dando lugar a un flujo de tipo turbulento. Esta turbulencia es el paso previo a la separación de la capa límite de la superficie. Al producirse la separación de la capa límite, se crean remolinos que incrementan el valor de la resistencia al aire. Por esta razón, en el diseño de los vehículos deben evitarse los cambios bruscos de configuración (Fig.2.3).
Fig. 2.3 Los cambios de configuración y la resistencia al aire
La fuerza Pa puede ser representada por los siguientes componentes:
Resistencia de forma (50-60% de Pa): Representa la diferencia entre el crecimiento de la presión frontal que surge en la parte delantera del vehículo y el descenso de la presión que se produce en la parte trasera. En su magnitud tiene influencia la forma de las partes de la carrocería, como es el caso del capot, el parabrisas delantero y trasero, los guardafangos, las ventanillas laterales y el portaequipajes, la separación entre cabina y plataforma, entre otras.
Resistencia interna (10-15% de Pa): Se crea por el flujo de aire que circula por el interior del vehículo, para la ventilación o calefacción de la carrocería y también para el enfriamiento del motor.
Resistencia por fricción superficial (5-10% de Pa): Surgen producto de las fuerzas viscosas que se crean en la capa límite, entre ésta y el aire que fluye. Depende de las dimensiones y del acabado de las superficies exteriores.
Resistencia inducida (5-10% de Pa): Surge producto de la interacción de las fuerzas de sustentación (Pay) y de la componente lateral (Paz) sobre la componente longitudinal.
Resistencia complementaria (15% de Pa): Se crea por el efecto de las masas en rotación (ruedas, cardán, etc), las cuales generan remolinos de aire en su movimiento y por el efecto de elementos que rompen la configuración de la carrocería (agarraderas, faros, cintillos, chapas, etc)
En cx ejercen efecto algunas variaciones de forma, por ejemplo: con ventanillas abiertas cx se incrementa aproximadamente en un 5% y con la utilización de deflectores de aire se logra disminuir en un 5-15%.
Tomando la densidad del aire constante ((a es de 1,225 kg/m3 a nivel del mar y temperatura de 20(C), se define el coeficiente K = 0,5 cx (a, el cual depende sólo de la forma de la carrocería y de los ángulos (H y (F y se denomina coeficiente aerodinámico. (Ver Tabla 2.2).
Tabla 2.2 Valores promedios de K y F para diferentes tipos de vehículos
En los autotrenes la altura H por lo general la determina el remolque. En la Fig.2.4 se muestra la dirección del flujo de aire en un autotren y las causas por las cuales se incrementa el valor de K, en comparación con camiones normales. Se puede asumir que la existencia de un remolque incrementa la resistencia al aire del remolcador en un 25%, y que dos remolques pueden representar incrementos hasta de un 40%.
En la mayoría de los autotrenes se producen valores apreciables de Pa aún para V pequeñas, lo cual es característico de las condiciones de tráfico urbano. En condiciones de vías magistrales la Pa de estos vehículos puede consumir hasta un 50% de la potencia del motor, y su magnitud puede disminuirse con la utilización de deflectores. Por ejemplo en el Kamaz 5320, circulando a velocidades entre 50-70 km/h con deflectores ahorra entre 2,5-3,5% de combustible.
Fig. 2.4. Dirección del flujo de aire en un autotren durante el movimiento.
Los deflectores deben utilizarse cuando la altura del remolque, de la plataforma o la carga supere la altura de la cabina en más de un metro, y en casos de camiones individuales, cuando además se alcancen velocidades de movimiento relativamente elevadas. Son mucho más efectivos cuando el proceso de transportación se realiza para largas distancias, en las cuales es posible mantener una velocidad relativamente elevada de movimiento de forma estable, durante tiempo prolongado. En otras condiciones puede incrementar el consumo de combustible.
2.2.5 La fuerza de tiro (Pgan).
Fig. 2.5 Fuerzas que actúan sobre el remolque.
2.2.6 El fenómeno de la adherencia.
La adherencia se puede considerar como la manifestación de dos tipos de fuerzas: las de fricción, que actúan en la superficie de apoyo del neumático y las de agarre, que se originan al apoyarse los elementos del neumático en el terreno. En vías pavimentadas predominan las fuerzas de fricción; y en suelos deformables se predominan las de agarre.
En la práctica, en mayor o menor medida, pero siempre está presente el patinaje en el movimiento de la rueda.
Fig.2.6 Disminución del coeficiente de adherencia por acción de fuerzas hidrodinámicas.
En carreteras mojadas, aún para espesores de la película de 0,2 mm, se reduce el valor del coeficiente ( Para un determinado espesor se genera una fuerza hidrodinámica (FH), que tiende a suspender la rueda y reduce el área de contacto directo de la misma con el suelo (Fig. 2.6), y por tanto, disminuye (, logrando en ocasiones la pérdida total del contacto directo. Esta fuerza hidrodinámica es una función directa de la velocidad al cuadrado y de la densidad del fluido.
-La velocidad del movimiento: En vías secas y débilmente húmedas, con el incremento de la velocidad, ( decrece correspondientemente en alguna medida o aumenta débilmente (a causa de la evaporación de la humedad). En vías húmedas la influencia de la velocidad en ( se debe al surgimiento de FH, la cual es proporcional a V2. En la medida en que FH es mayor, se imposibilita en mayor medida la salida del agua del área de contacto a través de los dibujos del protector. Por ello, el desgaste del neumático influye tanto en (, en estas condiciones.
-El desgaste del protector: Para desgastes mayores de un 50%, ( disminuye intensamente. Con desgaste total en vías pavimentadas mojados puede alcanzar valores de ( = 0,2-0,15.
-La presión de aire del neumático: en pavimentos secos y rígidos el aumento de pn conduce a su disminución y en pavimentos húmedos puede dar lugar a cierto incremento de (. En suelos mullidos la disminución de pn incrementa notablemente la componente de agarre, y por tanto, el valor de (.
-El peso que recae sobre la rueda motriz: Con el incremento de Gm se disminuye en alguna medida ( en pavimentos rígidos secos, pero en vías mojadas o fangosas el efecto puede ser inverso.
-Características constructivas del neumático: Gran influencia ejercen las dimensiones del neumático y el dibujo del protector. El incremento del diámetro de la rueda incrementa significativamente ( sólo en terrenos mullidos. El dibujo del neumático influye en el componente de agarre, y en vías húmedas posibilita la salida del agua de la zona de contacto.
2.2.7 La fuerza tractiva (Pt).
Es la fuerza motriz del movimiento, y surge como un producto de la interacción rueda-superficie de apoyo cuando a la rueda se transmite un momento motriz. Como fuerza motriz, es la encargada de vencer todas las resistencias que se produzcan durante el movimiento en las condiciones dadas.
2.3 Ecuación General y Condición General del Movimiento.
Hemos estudiado las diferentes fuerzas y momentos que actúan sobre las máquinas automotrices, pero no hemos realizado aplicaciones prácticas, en las que se haga necesario sintetizar estos conocimientos.
Veamos algunas aplicaciones prácticas que pueden tener utilización desde el punto de vista de la selección, evaluación o comparación vehicular, como veremos más adelante.
Partiendo de la condición general representada en la figura 2.9, haciendo sumatoria de fuerzas en la dirección del movimiento, tenderemos:
La ecuación 2.20 es la denominada Ecuación General del Movimiento de la máquina automotriz. Dada una Pt y una resistencia al movimiento determinadas, a mayor masa del vehículo y del remolque, existe más estabilidad en el movimiento, o sea, mayor resistencia a la variación de la V, tanto por incremento como por descenso de las resistencias al movimiento. Cuando el valor de Pt excede el valor sumario de las resistencias al movimiento, estamos en presencia de un movimiento acelerado. Cuando el valor de Pt es igual al valor sumario de las resistencias, dV/dt =0, es decir, el vehículo se mueve con movimiento uniforme (V=cte). Cuando el valor de Pt es inferior al valor sumario de las resistencias al movimiento, estamos en presencia de un movimiento retardado o decelerado.
Esta es la Ecuación adimensional del movimiento de la máquina automotriz.
A partir de la ecuación del movimiento se pueden determinar parámetros característicos de las máquinas automotrices. Veamos algunos de ellos:
2)-Determinar la posibilidad de desarrollo del movimiento en unas condiciones determinadas de explotación.
Para el desarrollo de los cálculos contamos con los parámetros constructivos del vehículo y del remolque si existiera y con las condiciones de explotación.
Con estos valores vamos a la característica exterior del motor y comprobamos para ese valor de Wx si el motor es capaz de suministrar un torque mayor o igual al torque necesario (Ver Fig. 2.7).
Fig 2.7 Comprobación de las posibilidades del motor
Cuando las condiciones lo aconsejen es necesario hacer comprobaciones a la adherencia o estabilidad.
Autor:
Luis Guillermo Dipotet Mollinedo