jueves, 12 de diciembre de 2019

ERASE UNA VEZ (CASO PRÁCTICO DE DISEÑO Y CÁLCULO DE UN EMBRAGUE MULTILÁMINAS) Parte I

K1 150 (Foto Pedro Pablo)

Esta entrada me produce mucha alegría. Se trata de recordar hechos, anécdotas del que a la postre fue el último diseño de un tractor en España, si, aquel Kubota K1.
Estando con unos antiguos y amigos de la antigua Ebro-Kubota se me ocurrió preguntar que información conservábamos de aquella experiencia. La realidad es que era más bien poco, salvo Julio que nos sube a la buhardilla de su casa y ¡allí había de todo! Se nos ocurrió desempolvar alguna cosa y en concreto se eligió esto: el cálculo del embrague del Dual-Speed del K1
La realidad es que esta entrada es de mi amigo Julio de la Vega Magán (ingeniero proyectista diseñador de transmisión del Kubota K1)
Debido a la longitud del artículo, hemos preferido dividirlo en 2 partes. En la presente, se hace una descripción de los embragues del K1 y la descripción del embrague húmedo del Dual Speed. En la II parte se efectuará el diseño y cálculo del embrague.

LOS EMBRAGUES DEL K1
Intentaremos describir lo que fue un largo proceso de diseño. Muchas horas de ingeniería para concebir lo que a la postre ha sido el último tractor fabricado en España, el Kubota K1.
Intentaremos describir el concepto, aplicable al diseño, de embragues multidisco, de accionamiento hidráulico, describiendo los elementos que integran el embrague del Dual-Speed del tractor K1 y esquematizando los cálculos para intentar conseguir un artículo divulgativo. 
Embragues de fricción del K1: El K1 está equipado con embragues de fricción que son los más versátiles. Analizando el esquema de transmisión del K1 se observa un embrague principal (monodisco seco), y de unos embragues multidiscos, en el interior de la transmisión, por tanto “húmedos”, para dar servicio al Dual-Speed, DT/Bi-speed, y toma de fuerza. Todos los embragues son totalmente independientes.
Esquema transmisión Kubota K1
  • DualSpeed: situado a la entrada de la caja de cambios. Su función es transmitir par directo del motor a una rama Alta (Hi) o Baja (Low). La diferencia de par entre ambas ramas es del 25%
  • Toma de fuerza: Embrague On-Off. Se sitúa a la salida de la caja de gamas, dentro del cárter trasero. Transmite el par a los engranajes traseros de toma de fuerza directa (540 y 1000 rpm) así como, la ahora no habitual, proporcional al avance
  • DT-BiSpeed: Situado en la parte inferior del cárter trasero. Cumple la función de conectar la tracción al eje delantero y, gran novedad de este tractor en su gama de potencia, accionar el mecanismo Bi-Speed por el cual se aumenta la velocidad de giro del eje delantero con el fin de reducir el radio de giro

EMBRAGUES MULTIDISCO
La aparición del sistema multidisco viene a ser una solución para los requerimientos de algunas transmisiones. Hoy por hoy son los más utilizados para transmitir par ya sea en transmisión por engranajes en cajas de cambio o reductoras o diferenciales, etc.
La gran ventaja de estos embragues consiste en poder colocar numerosos pares de discos, por lo que se consigue un diseño más compacto que el embrague seco convencional; es una forma de aumentar el área efectiva sin aumentar el radio de los discos. El par de rozamiento de un multidisco es la suma de todos los pares de discos.
Funcionamiento: Aunque existen varias configuraciones a la vez que tipos de accionamiento, el funcionamiento es muy similar en todos los casos.
Sobre un cuerpo principal se incorporan parejas de discos de embrague con materiales capaces de soportes presiones axiales y platos que se intercalan entre los discos. Los paquetes forman un conjunto (disco + plato) x n, que permite transmitir el par requerido. Este par se puede transmitir, por medio de estriados en disco, en parte interior que amarra al eje, y en parte exterior que va unido al cuerpo o campana de embrague. 
K1 170; 13000 h (Foto Carlos BdC en Madrigal)
De discos: el material de fricción debe ser capaz de resistir altas temperaturas manteniendo sus propiedades; ser capaz de disipar calor con suficiente facilidad y tener alta resistencia al desgaste.
El material de los discos es muy variado. Puede ser orgánicos (se compone de un tejido de fibras de cobre o latón y poliamida) o carbocerámicos (simbiosis de carbono y cerámica y son los más utilizados en multidisco) o la “fibra de moda” como es el Kevlar o de material sinterizado (fabricado por compresión con polvo de metales)
Accionamiento: El montaje habitual contempla que los discos metálicos “hembras” se coloquen en el mandril en el eje primario; intercalados van los discos “machos” unidos al volante. Se debe generar una fuerza para comprimir el conjunto. En el tractor K1 todos sus embragues se accionan hidráulicamente. Mientras el embrague de marcha se acciona, a través del pedal, por un bombín, los embragues multidiscos se accionan por distribuidores de un circuito hidráulico auxiliar alimentado por bomba. Al dejar de mandar aceite unos muelles liberan el mecanismo.
Embrague asistido hidráulicamente: El movimiento se transmite mediante ayuda de la fuerza hidráulica. Un cilindro emisor (bomba) genera presión sobre un cilindro maestro (bombín) Ambos cilindros se unen a través de tuberías que contienen el fluido. El principio físico de sobra conocido, se basa en la diferencia de diámetros entre los dos cilindros que sirve para multiplicar la fuerza ejercida.
¿Seco o húmedo?: Los paquetes de discos pueden ir en “seco” o “húmedo” aunque en el caso del tractor K1 todos los paquetes eran “húmedos”
La ventaja del multidiscos en baño de aceite es que disipa mucho mejor el calor. Ventaja que se convierte en desventaja al considerar que el aceite reduce el coeficiente de fricción μ entre los discos (dato fundamental en el cálculo del par de embrague). Una solución al hándicap será aumentar la presión entre los discos.
Comparando: un embrague con grafito de carbono sobre acero tiene un coeficiente de fricción μ = 0,05, pero puede trabajar a más de 500 ºC y con presión máxima hasta 2100 kPa (21 kg/cm2) Mientras que en un material de fricción convencional sobre acero μ = 0,2 pero su temperatura máxima no sobrepasa 300 ºC y la presión no superar los 700 kPa (7 kg/cm2)
Embrague del DualSpeed Tractor K1

EMBRAGUE MULTIDISCO DUAL SPEED DEL K1
Las transmisiones de los tractores se han ido complicando sumamente en los últimos 30 años y el sistema de embrague ha tenido que ir cubriendo las nuevas expectativas. El diseño del K1 fue el de un tractor con transmisión mecánica sincronizada (caja de velocidades y gamas) y con un sistema de cambio bajo carga que se denominó Dual-Speed. La caja de velocidades de 6 marchas y la caja de gamas (3+R) también sincronizadas y una gama creeper (super lentas) proporcionando (caso de creeper) un máximo de 60+24 velocidades.
Dual-Speed, el primer “powershift”: Las tan de moda actual cajas “powershift o cambio bajo carga” tienen su origen en los cambios Dual-Speed o Hi-Lo que son cambios, sin pisar el embrague, y únicamente de 2 velocidades. La diferencia con un cambio “solo sincronizado” es muy grande ya que aquí no se busca igualar las velocidades de los engranajes que se acoplan, ni se pisa el embrague, pero tampoco es un cambio bajo carga propiamente dicho aunque pueda parecerlo ya que durante, un breve tiempo, se interrumpe la transmisión de potencia.
Esquema Dual Speed
La elección de un paquete multidiscos para el cambio DualSpeed del K1 estaba condicionado por la compacidad del diseño y por la progresividad de este tipo de embrague mientras se igualan las velocidades de giro que hace que los acoples sean suaves y sin tirones. El motor se puede mantener en el régimen de giro lo más próximo posible al deseable variando el par y la velocidad de avance. El DualSpeed representa un importante ahorro de tiempo de operación.
Funcionamiento: El DualSpeed (ver figura) se sitúa entre el eje de transmisión (1) y el primario (7) de la caja de cambios. El sistema consta de un eje reductor (10) con una pareja de engranajes unidos en toma constante al eje de transmisión (1) y al eje primario (7) respectivamente y de un embrague doble multidisco en baño de aceite accionado hidráulicamente.
En velocidad larga (Hi) el embrague, correspondiente se acciona mediante presión hidráulica, mientras que el embrague del lado de baja se desconecta por lo que la transmisión de giro se realiza directamente del eje de transmisión (1) (que está unido al disco de embrague) al eje primario.
En velocidad corta (Lo) se desconecta el embrague del lado de larga y se conecta el de baja por lo que el movimiento se transmite a través del eje reductor, es decir una velocidad menor en el primario debido a las dos desmultiplicaciones de los engranajes en toma constante.
Circuito hidráulico y Distribuidor: Con el motor en marcha el aceite es bombeado por la bomba (3) y llega al conjunto de válvulas (5)
Circuito hidráulico Dual Speed
El distribuidor (6) del DualSpeed canaliza el fluido al embrague de larga (7) o de corta (9) según el interruptor del DualSpeed. El aceite del embrague se descarga a través de la corredera del distribuidor. Se asegura el engrase de los discos y cojinetes de ambos embragues, así como la presión de trabajo del embrague mantenida por la válvula limitadora entre 21 y 24 kg/cm2.
El distribuidor es de dos posiciones y cuatro vías, con desplazamiento por solenoide a una posición y por resorte a la de reposo.
En la posición Lo, una corriente llega al solenoide (1) del distribuidor, desplaza electromagnéticamente la corredera hacia la derecha para que el aceite enviado por la bomba auxiliar pase de la galera "P" a la galera "B", y empuje el embrague de corta (Lo) apretando los discos conductores y conducidos quedando solidarios la carcasa del embrague como elemento conductor con el engranaje conducido.
En posición larga (Hi) un resorte mantiene desplazada la corredera hacia la izquierda, por lo que el aceite pasa de la entrada "P" a "A" hasta el embrague de larga, a la vez que el aceite del embrague de corta (Lo) retorna por "B" y se desaloja por "T" a la carcasa de la transmisión.
Distribuidor DualSpeed posición Hi y Lo
Cuando se conecta la posición Lo la corriente excita el solenoide (9), desplaza la corredera (6) a comprimir el resorte (8), abre el paso de "P" a "B" y cierra el paso de "P" a "A" invirtiéndose los sentidos de circulación del aceite.

lunes, 2 de diciembre de 2019

STEYR KONCEPT, SÓLO ES UN PROTOTIPO, PERO ¿SE PUEDE SACAR UNA IDEA DE TENDENCIA PARA EL FUTURO?


AL QUE MÁS FOTOS SE LE HIZO
No estuve en la pasada feria Agritechnica; a pesar de ello, por todo lo que he visto publicado, me atrevería a afirmar que el concepto de tractor del futuro de Steyr se convirtió en stand triunfador. He visto por las redes sociales, cientos de fotos de su futurista figura, pero ¿qué es lo que hay detrás del “orgasmo de ideas” de los ingenieros de CNH?
Pero ¿por qué Steyr?: Quizá sea esta la primera pregunta que habría que hacerse. El tractor fue diseñado por el Centro de Diseño de CNH Industrial y podía haber salido rojo Case o azul New Holland pero salió blanco-rojo Steyr, ¿por qué una marca que hasta ayer y desde que Steyr está en la esfera CNH, estaba “aparcada” y solamente dirigida al mercado austríaco, ahora se revela cómo predominante? ¿irá CNH a convertir a Steyr en su marca Premium?
¿Qué es un tractor conceptual?: Los anglosajones hablan de concept tractor. Para nosotros sería un prototipo, pero normalmente no son prototipos funcionales, son más bien maquetas a escala real. Se usan para presentar una idea a la propia empresa y también al público; es una forma de marcar tendencia para el futuro.

EL CONCEPTO DE CNH-STEYR
El tractor amarillo que es lo que se lleva ahora: El concepto del fabricante austriaco en la esfera de CNH tiende a convertirse en adalid de donde resulta sencillo estar, de lo que se lleva ahora, lo más “chic”: la sostenibilidad, digitalización… Pero ¿de verdad la tendencia irá por ese camino? (en las próximas líneas daré mi opinión)
El futuro es híbrido
Es la gran novedad del prototipo Steyr. Puede moverse como vehículo totalmente eléctrico o con el motor de combustión. El motor funciona a un régimen que permite estar cargando la batería de forma óptima.
La batería está pensada para suministrar energía a componentes del tractor y a implementos eléctricos progresando en la tendencia a la electrificación de los implementos (El concepto Steyr propone dos voltajes para los implementos, 700 o 48 V)


STEYR Y YO, ¿EN QUÉ COINCIDIMOS?
Era el final de 2016 cuando la revista Agricultura me pidió una “predicción” del tractor para el 2050. Al final aquella visión de “bola de cristal” se plasmó en la revista nombrada pero también en otros foros como este mismo blog (FEVERLANDS, EL NUEVO TRACTOR QUE HACE FUROR EN FIMA 2050 Parte I y Parte II) y en otro blog, La Huerta Digital. Parece lógico comparar las predicciones de CNH y las mías. ¿Vamos?
Coincidimos
Estructura-Arquitectura: Se mantendrá la arquitectura típica con ruedas desiguales. En vez de la estructura "monolítica" (cosido de carcasas) se coloca un bastidor que absorba esfuerzos de flexión y torsión.
Hibridación: Tractores híbridos gasóleo-eléctrico. Con sistemas de recuperación y almacenamiento de energía en el frenado. El tractor híbrido será un tractor “enchufable”, es decir que se puede cargar en toma externa estándar además de con el propio motor de combustión.
Motor: Auguré una reducción “de cilindros” y de cilindrada y efectivamente Steyr lanza su prototipo con un motor, que, en su caso, como es lógico es NEF 45 de FPT, diésel “convencional” de hasta 150 kW. CNH ha propuesto para su prototipo un 4 cilindros que no sería lo lógico según cánones actuales para un tractor de ese tamaño, pero es la línea de tendencia. La cilindrada es de 4,5 litros manteniendo la “moda” de la reducción de tamaño.
Se mantienen las tecnologías common rail, y se optimiza disminuyendo los inconvenientes del turbo lag mediante biturbos o turbos de geometría variable. Regulación electrónica con mapas de motor elegidos de forma autónoma.
Interfaz ISOBUS: Se generaliza el protocolo de comunicación entre múltiples CPUs. Se integran datos GPS para obtener toda la información de forma geo referenciada.
Coincidimos parcialmente
Baterías: Desconozco que tipo de batería ha colocado Steyr. En mi caso descarté las baterías de ácido plomo, pero no tengo seguridad para apostar por níquel-hidruro metálico (Ni-MH) o por ion litio.
Neumáticos: El prototipo de Steyr ha aparecido calzado con unos Michelin ExoBIB, unos neumáticos que tienen mucho recorrido, un buen producto. Por supuesto yo no di marcas en mi “cápsula de tiempo” pero sí que he apostado claramente por la baja presión (de 0,8 a 1 kg/cm2) Sin embargo yo sigo apostando por la banda de goma que no parece que Steyr la haya considerado.
Cabina, puesto de conducción: En muchos aspectos sí hemos coincidido, por ejemplo, el protagonismo que asume la cabina, aumentando comodidad y ergonomía, presurización e insonorización. Cabinas con amortiguación convencional o hidroneumática.
Pero mientras que yo aposté por desarrollar capacidad de cabina giratoria y “vidrios” en policarbonato antienvejecimiento y absorción de rayos UV, Steyr no habla de giro en cabina.

Tampoco apuesto por esos volantes “futuristas” que exhibe el Steyr y aún menos por esos colores tan poco prácticos. Además, exhiben demasiadas pantallas y lucecitas.
No coincidimos
Transmisión: Muy alejado el concepto Steyr de mi transmisión "convencional", bajo carga y parcialmente robotizada.
El prototipo Steyr dispone de un sistema de propulsión (le llama eTorque) por el cual desaparece la transmisión mecánica complicada de un tractor convencional. La tracción se consigue mediante motores eléctricos. Cada rueda dispone de un motor eléctrico que se conecta a los cubos de rueda (similar a los motores hidráulicos de, por ejemplo, las vendimiadoras) Las ruedas reciben la energía de forma independiente, por lo que la maniobrabilidad del tractor se supone inmejorable.
La tdf e incluso el elevador y servicios externos hidráulicos, también disponen de un motor eléctrico. En conjunto son por tanto cinco los motores eléctricos del Steyr Koncept. Los motores están conectados para recibir electricidad bien de la batería o bien del propio motor generador.

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Eje delantero: Yo apuesto por un eje convencional con servofrenos de disco húmedos (como en el trasero) o por eje con suspensión activa e independiente como parece que propone Steyr para solamente para el eje delantero, en absoluto para el eje trasero.
Dirección a las cuatro ruedas: No, no lo pienso en esto para tractores de esta potencia.
Agricultura de Precisión: Quizá esto sea lo más estrambótico que veo en el prototipo austriaco. Ellos hablan de un dron equipado con sensores de cultivo que pueda volar por delante del tractor durante el trabajo de campo, transmitiendo datos en tiempo real a la cabina…

OTROS PROYECTOS
Ha habido otros proyectos en Agritechnica, no tan llamativos como el de CNH, pero que apuesta también por el camino de la hibridación. Quizá el más "realista" haya sido el del fabricante indio Farmtrac (Escorts Group) un fabricante muy poco conocido en España pero que se escuchará, creo, cada vez más (recuérdese que Farmtrac aunque es marca polaca es propiedad del grupo indio Escorts Ltd que fabrica ¡120.000 tractores al año!)
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Farmtrac ya lleva tiempo con tractores eléctricos, ahora ha presentado su modelo 6090 E Hybrid, un prototipo enchufable. Para el motor de combustión también han apostado por un 4 cilindros, aunque en este caso cubica menos que el NEF de Steyr; lógico, puesto que se trata de un tractor bastante más pequeño, 3680 cm3 para proporcionar 78 CV y fase V. La batería es de iones de litio y puede dar energía en modo híbrido (funcionan los motores eléctrico y combustión) o en modo eléctrico (solo funciona con el motor eléctrico) Con las dos fuentes de potencia, térmica y eléctrica, llega a los 90 CV. La transmisión es convencional, mecánica, 24+8 velocidades.
Farmtrac Hybrid del grupo Escorts