martes, 26 de julio de 2016

POWERSHIFT CONTRA “ZEROSHIFT” OTRA TENTATIVA PARA BUSCAR LA MEDALLA A LA INNOVACIÓN TÉCNOLÓGICA EN LA PRÓXIMA AGRITECHNICA

Y UNA MÁS SOBRE TRANSMISIONES
De notable alto puedo calificar el éxito que tuvieron las entradas que se dedicaron a aclarar algunos conceptos sobre las transmisiones en los tractores. Me estoy refiriendo a aquella "trilogía" sobre esos conceptos (Transmisiones: entenderlas ¿misión imposible? I Parte (6.100 visitas) II P (14.854 visitas) y III P (6.893 visitas) Con la trilogía intenté aportar un poco de luz al nebuloso universo que han ido creando los fabricantes en torno a los conceptos de caja de cambios comerciales que montan sus tractores. Y es que la transmisión de un tractor es fundamental y así un mal tractor con una buena transmisión puede ser un tractor pasable y viceversa, un buen tractor con una mala transmisión se convierte en un auténtico problema y es que recuérdese que en realidad la potencia no es otra cosa que par y régimen de giro)
Zeroshift o ¿qué hay de nuevo viejo?: Pero es que hoy cuento algo "especial". Tengo entradas a las cuales les tengo mucho cariño pero el tema de hoy me ilusiona especialmente. Se trata de una transmisión que todavía no está montada en ningún tractor ¡al menos en un tractor comercial! Se trata del concepto Zeroshift que voy a desarrollar.
Powershift en tractor JD serie 8R

EN BABEL
Uno de los principales problemas para el potencial comprador de un tractor nuevo o incluso para los "foros de discusión" sobre tractores es que pocos saben de lo que están hablando. Y creo que en gran medida el responsable de eso son los propios fabricantes con su "propia terminología".
Me refiero a que si el lector analiza la enorme oferta de fabricantes y se "bebe" sus catálogos terminará con un dolor de cabeza terrible porque entre otras cosas se quiere comprar productos y ahí es donde un profano (¡y no tan profano!) se pierde porque el "aderezo" de la terminología propia de cada marca forma un "pastiche" tal que al final no sabes ni analizar la "caja" que cada fabricante ofrece en cada modelo.
El resultado tras las gotas de "inglés y alemán", la pésima traducción del algunos manuales del operador es, supongo, el que quiere el fabricante y es que el agricultor no sabe ni lo que compra y al final resulta que se te queda la cara de tonto porque ya no sabes si el powershift va en el cigüeñal, el electrocommand es el asiento de acompañante, el speedshift es el aire acondicionado, el autopower es la suspensión en cabina y el powerShuttle es el nombre del padre del vendedor…
Paquete embragues

HABLANDO DE FUTURO: ZEROSHIFT
¡Pero hombre…! ¿Cómo es que te has comprado una Powershift?:  A pesar de que hoy por hoy la transmisión del “tractor medio” vendido en España sigue siendo una caja mecánica con inversor de mando hidráulico es cierto que las cajas con cambios bajo carga son cada vez más populares.
Pero no solo tenemos a la “transmisión mecánica manual” y a los cambios bajo carga pues en el mercado existe para todos los gustos: cambio manual pilotado o cambio en movimiento (on the move); Parcialmente bajo carga; Totalmente bajo carga; Transmisión continua CVT…
En el presente artículo solo se trata de la caja denominada Powershift que se adivina como la más popular en los próximos años y una idea “descabellada” que se me ocurre proponer a algún fabricante visionario para que la desarrolle en paralelo a sus inventores y que es… ¡cágate lorito! De nuevo una caja manual de las de toda la vida… ¿qué? Si, pero con algún “ligero” cambio: El Zeroshift.

LA CAJA POWERSHIFT
Antes de explicar la ZeroShift voy, de nuevo, a aclarar el concepto de cambio bajo carga.
El cambio bajo carga nace por necesidad de ser más eficientes a la vez que se busca la comodidad.
Esquema cambio en ZeroShift

Con un cambio manual se dejan caer las vueltas del motor para favorecer el cambio. Si, es cierto que en cajas de competición y con pilotos de competición no se bajan las revoluciones para cambiar de marcha pero ¡eso es otra historia! En tractores con cajas sincronizadas manuales cada vez que se hace un cambio el motor cae de vueltas.
Para disminuir ese inconveniente aparecieron los cambios bajo carga, en un principio los sencillos Hi-Lo y actualmente los bajo carga “inteligentes” que permiten el funcionamiento del sistema casi en la misma línea de par tras cada cambio.
¿Qué significa cambio bajo carga?: Significa que no es necesario ni detener el vehículo ni pisar el embrague pero con un calificativo de calidad más y es que mientras dura el cambio no hay interrupción de par a las ruedas.
¡El detalle importa!: Ojo a potenciales compradores puesto que la mayor parte de las veces los vendedores, por desconocimiento, venden un “cambio en movimiento” como “bajo carga”. ¡No, no es lo mismo!
Punto de vista constructivo: La diferencia física más llamativa entre ambas cajas es el tamaño. Las cajas bajo carga son mucho más compactas pues los actuadores electromecánicos son pequeños. También el paquete de embragues es mucho menos que un convencional de fricción mono o bidisco.
Detalle de "crabots" o almenas (Foto 8000 vueltas)
El mecanismo se basa en sustituir el deslizamiento del collarín del sincronizador por unos embragues que se activan hidráulicamente controlando el flujo de potencia. En la caja powershift los engranajes están constantemente acoplados.
Lo más habitual es encontrar dos árboles de transmisión, un árbol que contiene a las velocidades pares y otro con las impares. Cada árbol tiene su propio embrague aunque todos los embragues reciben el par desde el volante de inercia. Para cambiar la velocidad, el sistema no “suelta” un embrague hasta tener el otro en perfecta rigidez con la nueva marcha engranada.
Y además llegó la electrónica: Los cambios bajo carga se han visto muy mejorados con la acción de la electrónica siendo habitual encontrar cajas powershift en las cuales una centralita decide y efectúa los cambios.
La centralita recibe información de multitud de parámetros del tractor vía sensores, procesa la señal y decide. La decisión se convierte en señales hacia los actuadores eléctricos que controlan los embragues multiláminas para el acople y el desacople.
Despiece y primer plano de SeamlessShift

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS USADAS EN UNA POWERSHIFT
Básicamente se usan dos soluciones:
Parejas de engranajes: Un par de engranajes en toma constante y gobernados por un embrague de discos de accionamiento hidráulico. Un distribuidor hidráulico gobierna el envío de aceite a presión para embragar o desembragar. Repitiendo el sistema tantas veces como requiera el número de velocidades se llega a una caja completa de cambio bajo carga. El inconveniente del sistema es que si hay muchas “marchas” debe haber muchos embragues y la caja “crece” en tamaño.
Cambio automático con trenes epicicloidales: Es una solución más compacta que la anterior. Los engranajes planetarios están constituidos por un piñón planetario y tres piñones satélites unidos por una placa común en una corona dentada por su parte interior. La opción del tren epicíclico permite obtener varias relaciones en función de los piñones que se acoplan en cada momento sin interrumpir el movimiento de entrada del motor.
El inconveniente es que es una opción con más complejidad técnica pero su gran ventaja son las enormes posibilidades de diseño y por eso es el más utilizado en los cambios automáticos. Además cuenta con el atractivo de repartir el par entre un mayor número de dientes y eso en tractores donde a menudo la transmisión de potencia se basa en mucho par y baja velocidad de giro es más que atractivo.

LA CAJA ZEROSHIFT: MEDALLA DE ORO A LA INNOVACIÓN EN AGRITECHNICA
Como ya he explicado, que yo sepa todavía no existe una caja Zeroshift en el mundo de los tractores. Aunque, ¿quién sabe? Quizá a algún fabricante se le encienda la “bombilla”.
Zeroshift Ltd. es una empresa inglesa (al lado de Londres) bastante pequeña que ha desarrollado un sistema que se ha probado mucho en moto GP con unos resultados inmejorables, también han probado el “invento” en competición automovilística, sobre todo en los coches de rallies. Tras las pruebas en el mundo de la competición se ha montado en coches estándar de calle y también en coches eléctricos. También se han hecho pruebas en transporte pesado. Algunos ejemplos son la Selespeed (Alfa Romeo) o la R-Tronic (Audi) el X-Trac de Honda o incluso alguna de F1 (Ferrari la ha probado en algunos coches de F1 aunque no ha trascendido, al menos yo no lo sé, si en carrera o solo en entrenamientos) En definitiva y lo cierto es que el concepto Zeroshift ya lleva unos años en el mercado.
El concepto: La Zeroshift es una idea revolucionaria de unos ingenieros visionarios Peter Thomas, y Bill Martin (el inventor) británicos para más “INRI” que da nueva vida a la caja de cambios manual convencional.
Tradicional caja secuencial
La Zeroshift sustituye el sincronizador de la caja de cambios y así evitar el “gran inconveniente” de una caja convencional: la caída de revoluciones mientras dura el cambio. Con la Zeroshift se permite el cambio de velocidad sin interrupción de par ¿mande?
El sincronizador se sustituye por un par de pestillos que a la postre son bastantes menos piezas que con el sincro convencional. A medida que cambia el engranaje un conjunto de pestillos se acoplan a la siguiente marcha.
La Zeroshift también necesita un embrague pero se puede operar automáticamente. Por eso una “Zeroshift” viene a ser un cambio manual automatizado. En realidad se trata de una caja precursora de la caja de doble embrague o incluso se puede ver como la versión más avanzada al convertidor de par industrial.
¿Cómo funciona?: Internamente es como una manual pero la acción recae sobre un sistema electrohidráulico y no en el conductor que solo acciona una palanca. Obsérvese que las cajas de doble embrague en realidad son dos cajas independientes cada una con su embrague. En la Zeroshift no es así.
Caja doble embrague
La caja es igual a una convencional. Unos engranajes giran solidarios al eje de entrada o primario y un eje secundario en el que los engranajes, los conducidos, giran locos. Pero ahora vienen las diferencias. Si en una convencional una serie de horquillas y sincros se encargan de desplazar a los engranajes conducidos para hacerlos solidarios al eje de salida y mientras esto ocurre un embrague debe detener la transferencia de par desde el motor, en las ZeroShift el embrague solo se utiliza para arrancar y parar.
En las “Zero” también se necesita una centralita electrónica para los cambios de marcha (en esto una “Zero” es igual que una “Power”)
En las Zero se eliminan los sincros y se sustituyen por un sistema de pestillos o “crabots” que permite cambiar sin embrague.
El mecanismo “revolucionario” de una Zero es la existencia de un engranaje central solidario al eje de salida y de dos anillos con dientes desplazables mediante sendas horquillas que se encargan de bloquear el engranaje con los crabots. Para seleccionar una marcha uno de los anillos se desplaza hasta bloquear la relación y el segundo anillo rellena el espacio disponible. El segundo anillo no soporta par y por lo tanto se puede mover por ejemplo con un pequeño motor eléctrico.
Por la propia forma del diente cuando una marcha está engranada la otra se suelta logrando engranar marcha sin interrumpir el par y sin embrague.

Ventajas e inconvenientes frente a la powershift
Hay argumentos que en realidad pueden hacer pensar que una Zeroshift acaba definitivamente con sus oponentes:
  • La Zeroshift parte de cajas ya desarrolladas y utiliza casi todos sus componentes
  • No necesita ningún tipo de refrigeración adicional como ocurre con las powershift
  • No necesita un sistema hidráulico que actúe sobre los mecanismos de la propia caja. En la Zeroshift las piezas móviles que engranan una y otra relación no soportan ningún par y por lo tanto pueden ser desplazadas con pequeños motores eléctricos
En contra de las “Zero” es que el cambio se produce de forma muy brusca cosa que quizá a un piloto de rallies no le importa pero en un tractor….
Sincronizador y "Crabots" (Wikipedia)

¿Y en tractores?: ¿por qué no se popularizan entre los tractores? No lo sé. Pienso que los fabricantes se metieron hace ya unos años en una espiral tecnológica que a mí no acaba de convencerme. Además el problema en España es mayor puesto que ya no existen en nuestro país fabricantes que reciban directamente de los agricultores las ideas de lo que en realidad necesitan.
En fin no sé, quizá solo sean ideas de “viejo”. A veces pienso que yo ya vivo más en el pasado y solo de vez en cuando me gusta resucitar viejos manuales, viejas ideas…
A pasarlo bien. Esto es todo amigos.

ALGUNOS VÍDEOS DE ANIMACIÓN

Algunos artículos que me han parecido interesantes:

8 comentarios:

  1. La direct drive de john deere es algo parecido a lo k comentas????

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    1. Mira J.A.B.C en conjunto tu apreciación es cierta pero hay muchos matices que diferencian a la DirectDrive con la ZeroShift.
      La idea de John Deere es fantástica pues inmediatamente entendió que había agricultores clientes que no podían pagar una AutoPowr (CVT) y querían "algo más" que una mecánica tradicional. Por eso sacó, por ejemplo, para el 6R la transmisión Direct Drive.
      La Direct Drive es una transmisión mecánica con actuadores electromagnéticos y llega a dar, creo, 8 velocidades bajo carga. Pero hay bastantes diferencias. En realidad una DirectDrive es una PowerShift de doble embrague y que en si es una buena, muy buena transmisión, pero eso mismo significa que no tienen ninguna novedad pues el concepto lleva 45 años en el mercado.
      Como explico en el texto el doble embrague es jugar con dos arboles de velocidades, el par y el impar, cada uno con su embrague. Los cambios se hacen con sincronizadores como en cualquier mecánica lo que pasa es que el proceso no lo hace el piloto si no un solenoide o un hidráulico. En lo que se aproxima a la ZeroShift es que tampoco se necesitan componentes específicos si no componentes habituales en cualquier mecánica.

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  2. María del Mar Muñoz Marín (4M)26 de julio de 2016, 22:12

    ¿Y por qué no te atreves a diseñar una caja como esta?

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    1. Mari Mar gracias por pensar que yo soy capaz de diseñar una caja de cambios pero… estoy a años luz de poder hacerlo.
      En primer lugar resultaría muy difícil hacerlo a cualquier persona. Este tipo de proyectos se lleva por un equipo: ingenieros, proyectistas, delineantes…
      El proceso se inicia con las relaciones de transmisión. Decidiendo y diseñando las relaciones de trasmisión del árbol primario respecto al secundario, y a su vez la del secundario con el diferencial y de este con el cubo de rueda. Previo has debido conocer los parámetros iniciales de diseño que son la potencia motor y el par motor así como los regímenes de giro.
      Observa que una caja de cambios está constituida por cientos de piezas: árbol primario, árboles secundarios, árbol de marcha atrás…
      Un eje primario, por ejemplo, está sostenido o apoyado por unos rodamientos donde también para escoger el rodamiento hay todo un mundo: cónico, de bolas, de agujas…
      Pero es que se debe mecanizar el árbol con al menos dos dentados. Luego diseñar los piñones y también elegir dentados. No te olvides de los sincronizadores y entre todo ello y con tanta importancia como cualquier otro componente las arandelas que son responsables por ejemplo de lubricación o un árbol hueco con sus taladros para permitir un perfecto engrase… pero una caja no puede ocupar ni pesar lo que quieras luego debes optimizar el peso y el espacio y ahí se te obligará a disponer de dobles ataques…
      Ahora llega el momento de diseñar los mecanismos selectores de marcha con sus horquillas. Y tendrás que calcular los desplazamientos que en toda caja hay cuando los esfuerzos que se originan en la trasmisión provocan que unos ejes tiendas a separarse, pero este desplazamiento no se puede permitir, o no todo, para evitar un desgaste excesivo de dientes… así que disponte a calcular las deflexiones en ejes que se consideran vigas doblemente apoyadas sometidas a cargas puntuales… o bien ejes biempotrados o incluso en ménsula…
      ¿Has terminado? Ni tan siquiera has empezado. Ponte ahora a calcular el dentado de los engranajes y que lo normal es que cuando empiezas a fijar la distancia entre ejes obtengas que no puedas usar módulos normalizados así que a tallar engranajes decidiendo los ángulos de presión y los ángulos de hélice. Por cierto no olvides los esfuerzos en los ejes cuando estás trasmitiendo par y entonces ten en cuenta si tienes tallado recto o helicoidal.
      En función del tratamiento térmico que vayas a dar a tus engranajes y ejes obtendrás una tensión dinámica admisible que a su vez es función de la velocidad tangencial. Vete a un prontuario para comprobar la tensión admisible y la velocidad lineal… Ya estás llegando al cálculo de la anchura necesaria del diente pero no olvides aplicar las tediosas ecuaciones de resistencia mecánica… y ¡a la resistencia a la fatiga!
      ¿Sigo? Porque todavía me queda hablar de esfuerzos en los sincronizadores y el cálculo de los estriados tanto en el sincronizador y en el eje y la longitud mínima de estriado así como el ancho de los anillos… ¡Gracias MariMar por creerme capaz! Pero… ¡ni harto vino! Diría que si a un proyecto como este.

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    2. María del Mar Muñoz Marín (4M)1 de agosto de 2016, 17:36

      ¿Y entonces quien hace una caja de cambios?

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    3. Pues equipos: ingenieros, proyectistas, delineantes, calculistas... vamos, gente con mucha experiencia en estas lides y con buenos departamentos de prototipos pruebas y ensayos para ir comprobando cada componente en particular y cada caja en general... En si, no es dificil pero si es una labor de especialistas, de ingenierías con mucha vocación de trabajo, también con buenos departamentos de simulación (por ejemplo elementos finitos) y luego con buenos proveedores de materiales, forja, mecanizado, control numérico...

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  3. Muy buen Artículo!
    Desconozco a fondo el tema de la transmisión zeroshift, no se si es una que se había probado en los 206 wrc, que se conseguían aceleraciones bestiales de 0-200 km/h en 10 s?
    Por otro lado están las transmisiones robotizadas, se montan en camiones, Volvo y Mercedes las tienen muy logradas y la brusquedad del cambio está muy reducida, aproximandose a los cambio automáticon con convertidor, pero lo poco que se de los cambio robotizadas es que son similares a uno convencional pero controlado por una ECU... Tienen alguna similitud con el zeroshift?
    Muchas gracias

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    1. Pues aunque dices que desconoces la zeroshift creo que le has pillado el "truco" rápidamente. No sé si el 206 wrc la ha llegado a montar porque en realidad no la nombran en la web de Zeroshift sin embargo podría montarla porque este tipo de transmisiones se usan mucho en competición.
      Las transmisiones robotizadas efectivamente están muy de moda en camiones pero también ya en tractores (las powershift más modernas van robotizadas en gran medida) y efectivamente una zeroshift es "violenta" aunque se puede suavizar su funcionamiento. ¿Si tienen similitud las Zeroshift con las Powershift rototizadas? pues muchos. En realidad las dos buscan las mismas ventajas y es la de partir de una caja convencional en contra de las "engorrosas" CVT que se deben fabricar con componentes totalmente diferentes y en líneas de montaje diferentes. La diferencia de una Zero a una PS radica en que las PS "huyen" de los multiláminas para elegir el sistema de "cabrots" más mecánicos. Digamos que ambas son "convencionales" pero la Zero mucho más convencional.

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