martes, 18 de enero de 2022

SISTEMA DE FRENADO EN TRACTOR (Parte II)

En la Parte I se analizó la problemática de frenar una gran masa, con un centro de gravedad elevado, con cargas remolcadas o suspendidas, sobre unos neumáticos sobre tacos y normalmente rellenos de agua, y lanzada a 40 o 50 km/h.
En la Parte II se recuerdan los inconvenientes que aparecen en el frenado del tractor agrícola (ver Parte I) y la normativa en vigor para fijar los parámetros a cumplir por los vehículos homologados.

FRENADO EN TRACTOR = INCONVENIENTES

Se decía en la I parte que la máxima fuerza de frenado depende del peso del vehículo y del coeficiente de adherencia suelo-vehículo. 

Entre el neumático y el suelo se debe disipar la energía generada en el frenado, apareciendo un momento resistente al frenar que si supera cierto límite se produce el bloqueo de ruedas y el vehículo desliza durante un cierto tiempo. El límite queda marcado por el coeficiente de adherencia entre el neumático y el suelo y que depende del tipo de neumático, presión de inflado, disposición de tacos... y también de las condiciones del suelo, humedad...

También se debe tener en cuenta la carga dinámica, reparto de pesos entre ejes, en el momento de frenada. 

NORMATIVA DE FRENADO EN TRACTOR

En los países de la UE se estableció un procedimiento común basado en la Directiva 74/150/CEE la cual se complementaba con directivas parciales (por ejemplo la 76/432/CEE) dando así lugar a la denominada homologación de tipo CE.

Posteriormente, con la publicación de la Directiva 2003/37/CE se unifica la homologación de Tipo CE y se incluyen además de los tractores, las máquinas agrícolas arrastradas y los remolques.

En enero del 2018 entró en vigor el Reglamento 167/2013, R167, popularmente conocido como Mother Regulation TMR, que armoniza los procedimientos de ensayo para la homologación de tractores agrícolas en Europa. El R167 unifica los procedimientos de homologación y puede provocar una profunda renovación del mercado.

El R167 es de obligado cumplimiento para los vehículos agrícolas (tractores de ruedas y de orugas, remolques agrícolas y equipos intercambiables remolcados) puesto que los Reglamentos son de aplicación inmediata, a diferencia de las Directivas que hay que transponerlas a la legislación de cada país.

La normativa de frenado ha estado marcada por las directivas pertinentes como la 76/432/CEE modificada por la 82/890/CEE y 97/54/CE; e incluso el Código 2 de la OCDE (apartado 4.7) En ellas, se define perfectamente el procedimiento para ensayo de los frenos del tractor, fijando una distancia máxima de frenado así como una deceleración.

Pruebas de frenado en tractor agrícola  (foto youtube #entraid.com)
La distancia máxima de frenado y la deceleración, están recogidas en el Anexo II de la directiva 76/432/CEE. La distancia de frenada (m) con el tractor dotado de su peso máximo autorizado y las ruedas del eje frenado con los neumáticos de mayores dimensiones admitidos, debía ser:   Ecu.1 (Siendo V velocidad máxima admitida por construcción en km/h)

En cuanto a la deceleración media viene recogida por: Ecu. 2 (Con V expresada en m/s)

En el siguiente ejemplo de aplicación de las ecuaciones anteriores, para tractores de gama media y alta, al tener una velocidad máxima por construcción de 40 km/h, se garantiza la distancia de frenado y la deceleración de:

Para otras velocidades se obtiene la siguiente tabla

Vmáx (km/h)

20

25

30

35

40

Vmáx (m/s)

5,56

6,94

8,33

9,72

11,11

Smáx (m)

6,45

9,14

12,26

15,81

19,79

Deceleración equiv.(m/s2)

2,39

2,64

2,83

2,99

3,12

Tabla 1.- Distancias de frenada para diferentes velocidades máximas y deceleración equivalentes

Además, para la homologación de tipo CE se exigían dos pruebas, la del tipo 0 en la que se valora la eficacia de los frenos en frío y la de tipo 1 que mide la pérdida de eficacia, realizada con frenos calientes.

Ensayos de frenos

Tipo 0: Ensayo a velocidad máxima del tractor por construcción y con su peso máximo autorizado y la transmisión desembragada, con una fuerza en los pedales que no supere los 60 daN. La detención se debe realizar en una distancia inferior a la calculada por la ecuación (1)

Tipo 1: Se calientan los frenos con una energía equivalente a la de bajar una pendiente del 10 % a una velocidad del 80 % de la máxima por construcción con una longitud de un kilómetro. Una vez cumplidas las condiciones la eficacia de los frenos no debe ser inferior al 75 % de la prescrita y al 60 % de la obtenida en el ensayo tipo 0.

También quedan pruebas para el freno de estacionamiento se exige que pueda mantener detenido el tractor con carga en pendiente ascendente y descendente del 18 %.

Y AHORA… ¡EL FRENO EN LOS REMOLQUES!

En el caso de frenar un conjunto de tractor con remolque, lo más aconsejable sería que la lanza del remolque trabajara siempre en tracción, por lo que resulta preferible, para mantener la trayectoria estable, que el remolque tenga sus propios frenos y que estos empiecen a actuar lo antes posible, provocando una deceleración superior que los del tractor.

Con la TMR o R167, al sistema de frenado hidráulico de los tractores con remolque, se aumenta la exigencia.

El nuevo reglamento va encaminado a lograr que los remolques lleven su propio sistema de frenos y que actúen sincronizados con los del tractor con un mando único accionado progresivamente por el conductor desde su asiento y con una fuente de energía común para asegurar la frenada del conjunto. Si un tractor TMR frena con deceleración de -3m/s2, al enganchar un remolque que también cumpla los requisitos TMR y con la presión adecuada, debe frenar con la misma deceleración que el tractor.

Se preveía que en 2022 se modificarían los plazos para el cambio de frenado en remolques agrícolas pero se ha retrasado ese plazo hasta 2025. En cualquier caso, tanto los remolques como las máquinas remolcadas, deberán ir con doble línea, frenado hidráulico o neumático y debe ser compatible con todos los tractores en términos de frenado.

Los tractores llevarán todos toma de frenos neumático o hidráulico de dos conductos. Y el remolque contará con una instalación también neumática o hidráulica o ambas. Y un regulador de presión de frenado según la carga, es decir, cargado debe frenar más que en vacío.

En cuanto a si se monta freno hidráulico o neumático pues no depende del peso, ya que no se marca ningún límite de toneladas. Aunque si se observa que los fabricantes, por tema de costes, han decidido apostar por el freno neumático en tractores de gran potencia (>180 CV) La línea neumática ofrecen por lo general mayor velocidad de respuesta, el inconveniente es que si bien en países centroeuropeos los tractores suelen ir con compresor, no es igual en países mediterráneos donde es muchísimo más común el sistema hidráulico.

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domingo, 9 de enero de 2022

SISTEMA DE FRENADO EN TRACTOR (Parte I)

Espectacular frenado de urgencia en tractor agrícola
 (foto youtube #entraid.com)
FRENOS = SEGURIDAD

Impresiona, cuando de tractores se trata, evaluar el comportamiento de un tractor ante un frenado de emergencia: una masa considerable, lanzada a una velocidad de 30, 40 o 50 km/h; con un centro de gravedad elevado; y con unos neumáticos sobre tacos...¡uff!

Se trata de pruebas realizadas, a diferentes velocidades, masas y cargas remolcadas, y que dan idea de los peligros que conllevan los tractores, unos vehículos pensados, diseñados y fabricados con la idea principal de realizar esfuerzos de tracción en terreno agrícola a baja velocidad.

Pero la realidad es que el tractor, y sobre todo en agriculturas como las europeas, son vehículos que dedican gran parte de su tiempo al desplazamiento con aperos suspendidos o arrastrados, y también al transporte con remolques; en consecuencia el tractor debe tener sistemas para su control y seguridad, en esas condiciones, y ahí es donde entra el sistema de frenado.

Un artículo, dos entregas: Con este, serán dos artículos consecutivos, los que dedicaré a analizar el sistema de frenado de los modernos tractores agrícolas.

En esta I parte se analizan las fuerzas de frenado, la energía a disipar, y la evolución de los sistemas de frenos en tractores agrícolas. 

En la II parte se analiza la normativa de frenado así como el sistema de frenado del remolque agrícola. 

El objetivo

Imaginemos un tractor de 150-200 CV con más de 5000 kg de masa, arrastrando un remolque cargado con un peso bruto de 10 toneladas y lanzado a 40 km/h sobre un firme mojado… ¿Cuál sería la distancia de frenado?, ¿hay mucha diferencia en la distancia de frenado por ir a 40 o a 50 km/h?

Al aplicar los frenos lo que se pretende es detener el vehículo en movimiento o impedir que se mueva si está detenido en una pendiente. Para ello se necesita realizar una fuerza en la rueda en sentido contrario al avance, es decir aplicar una deceleración o aceleración negativa.

Evolución

Si durante un tiempo no se daba mucha importancia a los frenos en los tractores y prácticamente el tractor debía frenar con el freno motor y otros “arcaicos” sistemas de frenado como los frenos de cinta o los de tambor, hoy la cosa ha cambiado “un poco” porque efectivamente los tractores actualmente incorporan frenos de disco mucho más eficientes pero ¿son suficiente?

Discos de compresión húmedos: Los paquetes de discos del freno, mantienen una estructura similar a la de los embragues de discos múltiples. Se sitúan en los semipalieres del eje trasero. Al funcionar sumergidos en aceite se reduce el coeficiente de rozamiento con lo que hay que aumentar la presión entre discos; además el hecho de estar sumergidos en aceite conlleva la ventaja de que se disipa mejor el calor.

Su funcionamiento es por compresión, es decir, un bombín hidráulico empuja a unos discos contra otros, contradiscos, y la fuerza de frenado, fricción, actúa en toda la superficie del disco.

Freno de disco de pinza en seco: Con el consiguiente aumento de velocidad y las reglamentaciones más estrictas, se han ido incorporando frenos adicionales, uno de los sistemas es colocar un freno de disco, normalmente en seco, en el eje de transmisión que lleva el movimiento al eje delantero. Esta disposición tiene la ventaja de ahorrar costes y su acción es idéntica a la que se tiene en los vehículos automóviles. La acción de frenado es por rozamiento de la pinza de freno sobre un sector del disco.

Una disposición más efectiva y ya más moderna, es la colocación de frenos en las ruedas delanteras, como freno de disco en seco (pinza) como en los automóviles.

Asistencia electrónica en la conexión de la doble tracción: Esta disposición está presente en todos los tractores modernos y ayuda mucho al frenado. Consiste en la conexión automática de la doble tracción, DT, cuando se accionan los dos pedales de freno simultáneamente.

Sistemas de frenado

Freno de servicio: Permite controlar la velocidad del vehículo y detenerlo de manera segura y eficaz. La aplicación de una fuerza en el pedal es proporcional a la deceleración conseguida.

Freno de emergencia: Permite detener el vehículo en caso de fallo del freno de servicio.

Freno de estacionamiento: Debe permitir mantener el tractor inmóvil en una pendiente ascendente o descendente sin la acción del conductor, generalmente actúa sobre las ruedas traseras.

Los sistemas de frenado de servicio y estacionamiento pueden tener partes comunes aunque los dispositivos de mando deben ser independientes y el de estacionamiento pueda sustituir al freno de servicio si se produce un fallo (emergencia)

La fuerza máxima admitida sobre el pedal es, según la directiva menor de 60 daN y en la palanca 40 daN.

Ayuda al frenado: Hablando de tractores modernos, la gran mayoría disponen de frenos de servicio con asistencia hidráulica y servoasistidos con una bomba, en la mayoría de los casos, independiente o compartida con la de dirección.

En algunos casos, como opción y en los modelos que se presentan como “buques insignia” de la marca se pueden disponer de sistemas antibloqueo, ABS, como presentó hace unos años New Holland, para impedir el bloqueo de las ruedas.

¿Uno o dos pedales?: Es habitual en tractores de hasta 150 CV encontrar dos pedales, para accionamiento de frenos derecho e izquierdo, y un mecanismo de trabado para solidarizar los dos pedales en transporte. En tractores más grandes se suele prescindir ya de los 2 pedales y solo se incorpora uno.

FRENADO = ENERGÍA A DISIPAR

Los frenos trasforman energía cinética (Ec) en otro tipo de energía. Durante el frenado se disipa la energía cinética del cuerpo en movimiento (Ec=1/2mv2) es decir, la masa por el cuadrado de la velocidad

La fórmula implica que la velocidad, por estar al cuadrado, tiene mucha más importancia o relevancia que la propia masa a frenar. O lo que es lo mismo, que si la velocidad se duplica, la energía cinética se multiplica por cuatro…

Veamos un ejemplo. Sea la energía cinética de un tractor de 5000 kg más un remolque de 10 toneladas circulando a 30 km/h (8,33 m/s) su energía cinética es: 

Ec=1/2mv2=1/2(5000+10000)*8,332=520.416 Julios

Y esta es la energía que se debe disipar para detener la máquina, ya sea solo el tractor, o el tractor y apero o tractor y remolque.

Obsérvese que mientras la masa interviene como m, la velocidad lo hace como v2 Así que el incremento de la distancia de frenado por arrastrar 10000 kg más será inferior al que produce incrementar la velocidad en 10 km/h

Mientras la disipación de energía se debe producir tanto en el mecanismo de frenado del tractor (discos) como en el contacto neumático-suelo, se realiza un trabajo que es justo la variación de Ec.: W = ΔEc

FRENADO EN TRACTOR = INCONVENIENTES

La fuerza de frenado máxima depende del peso del vehículo y del coeficiente de adherencia suelo-vehículo: Fmáx=P µ=m a 

Neumático-Suelo: La disipación de energía del frenado se hace en gran parte en el contacto neumático-suelo. En esa fracción, se produce un aumento del par, momento, resistente al frenar que a su vez incrementa el patinamiento o deslizamiento. Si se supera cierto límite entonces las ruedas se bloquean y el vehículo desliza durante un cierto tiempo.

Uno de los límites para producirse dicho bloqueo es el coeficiente de adherencia en frenada y que depende tanto de los neumáticos, tipo, disposición de tacos… como del suelo, y de las condiciones ambientales, humedad… En condiciones muy favorables el coeficiente de adherencia  (µ) se puede estimar en 0,6.

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Carga dinámica: El concepto se refiere al reparto de pesos entre los ejes. Efectivamente ese reparto varía sustancialmente durante el proceso de frenado. En un tractor con un reparto de pesos en estático del 40/60 (delantero-trasero) durante el proceso de frenada puede llegar a invertir dicho reparto y pasar a un 60/40. Pero el proceso de frenado se debe exigir cierta seguridad, y eso significa que los frenos deben tener capacidad suficiente para absorber la energía del vehículo con un nivel de adherencia en el suelo. Además se debe mantener la trayectoria mientras se frena y esto significa perder cierta capacidad de frenada, ya que el eje trasero es el que se descarga al frenar.

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