Fuerzas de resistencia al en medios de transporte –
Monografias.com
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