Introducción

Los primeros tractores con motores de vapor que se desarrollaron en el siglo XIX tenían los mismos objetivos de diseño que hoy en día: proporcionar potencia, una elevada tracción y, sobre todo, un par aplicado de forma fiable y a una velocidad controlable. El diseño de aquellos tractores ha evolucionado a lo largo del tiempo. En la actualidad contamos con un amplio surtido de vehículos que desempeñan funciones críticas en una enorme variedad de sectores, desde la agricultura y el movimiento de tierras hasta aplicaciones comerciales o militares. Todos ellos se parecen en que deben trabajar con eficiencia en terrenos variados y complicados.

Para que estos vehículos rindan al máximo, sus ruedas deben tener en todo momento un buen contacto con el suelo. Y, para ello, es necesario que el motor entregue potencia y que esta se transmita a las ruedas a través de la cadena cinemática y las reductoras. Si queremos que un vehículo pesado avance a través de un terreno irregular, debemos aplicar a todas sus ruedas un par conocido, de manera coherente. 

 

Los primeros tractores con motores de vapor que se desarrollaron en el siglo XIX tenían los mismos objetivos de diseño que hoy en día: proporcionar potencia, una elevada tracción y, sobre todo, un par aplicado de forma fiable y a una velocidad controlable. El diseño de aquellos tractores ha evolucionado a lo largo del tiempo. En la actualidad contamos con un amplio surtido de vehículos que desempeñan funciones críticas en una enorme variedad de sectores, desde la agricultura y el movimiento de tierras hasta aplicaciones comerciales o militares. Todos ellos se parecen en que deben trabajar con eficiencia en terrenos variados y complicados.

Para que estos vehículos rindan al máximo, sus ruedas deben tener en todo momento un buen contacto con el suelo. Y, para ello, es necesario que el motor entregue potencia y que esta se transmita a las ruedas a través de la cadena cinemática y las reductoras. Si queremos que un vehículo pesado avance a través de un terreno irregular, debemos aplicar a todas sus ruedas un par conocido, de manera coherente.

El aumento de los precios del combustible y la demanda de vehículos con consumos más ajustados han obligado a sacar al mercado vehículos más económicos y eficientes. Al mismo tiempo, los gobiernos de todo el mundo están introduciendo normas que exigen una mayor eficiencia de combustible tanto a los vehículos de carretera como a los vehículos especiales, con el objetivo de rebajar sus emisiones. Cumplir estos objetivos será beneficioso tanto para el medio ambiente como para los conductores y operarios de los vehículos.

Así, por ejemplo, un agricultor podría adquirir un tractor con unos neumáticos que patinen muy poco, pero con un motor y una cadena cinemática más eficientes, de modo que la pérdida de potencia sea muy reducida en las ruedas, la toma de fuerza y los implementos. Este nivel de eficiencia operativa ayudaría a optimizar el ritmo de trabajo y mejoraría los márgenes de negocio. En otro escenario distinto, los fabricantes de motores, transmisiones, cajas de cambios y ejes están haciendo grandes esfuerzos para desarrollar nuevos productos capaces de cumplir las actuales normas de emisiones Tier 4 norteamericanas. Estos fabricantes colaboran con los constructores de tractores agrícolas y otros vehículos pesados diésel, como los cargadores con ruedas, para garantizar que los productos finales cumplan tanto las expectativas de los clientes como la normativa oficial.

A lo largo del tiempo, los ingenieros han recurrido a diferentes métodos de ensayo durante el desarrollo de sus productos, para asegurar que cumplen los objetivos de prestaciones y rendimiento. Uno de estos métodos es el uso de equipos de ensayo con transductores de galgas extensométricas para medir pares en puntos críticos de los sistemas. Se pueden obtener medidas en múltiples puntos, como el árbol del engranaje reductor, el flex plate, el eje de transmisión, la caja de cambios, los ejes, los bujes de las ruedas y las tomas de fuerza.

Los ingenieros de pruebas y los fabricantes de transductores utilizan métodos de medida de par muy variados para adquirir datos con precisión. Por ejemplo, aplican galgas extensométricas de lámina directamente al eje motor para medir su flexión o deformación rotacional. Con este método, se hace pasar una señal eléctrica desde una batería a través de una galga extensométrica. La deformación o la fuerza en una dirección dada se mide basándose en la variación en la resistencia eléctrica de la galga extensométrica —que es proporcional a la fuerza aplicada—, utilizando el modelo del puente de Wheatstone.

Los transductores de par ofrecen otra vía para medir el par, siguiendo los mismos principios que la medición con galgas extensométricas. La diferencia radica en que un transductor de par es un elemento mecanizado con alta precisión que se instala entre dos componentes del sistema, en el punto en el que se desea medir el par. Este transductor está diseñado específicamente para detectar la fuerza de rotación y el par aplicado directamente en una zona sensible, en la que lleva integradas galgas extensométricas.

Hasta hace poco, solo se hacían mediciones de par con fines de pruebas. Sin embargo, los fabricantes de vehículos, motores y componentes de transmisiones tienen un interés creciente en incorporar elementos de medida de par a sus productos, instalados de fábrica durante la producción. Cuando las medidas de par en tiempo real se combinan con un ordenador de a bordo, es posible conocer las pérdidas de potencia que se producen en distintos puntos de la transmisión, las ruedas y los implementos, y aplicar ajustes de forma dinámica. Actualmente, esos ajustes se realizan a partir de cálculos que utilizan valores teóricos obtenidos en ensayos de laboratorio con componentes. Y, por desgracia, tienen márgenes de error amplios.

Pero también se han producido avances significativos en telemática y en anillos de inducción, que han abierto nuevas posibilidades y han hecho que los elementos de medida de par instalados de fábrica durante la fabricación estén más cerca de hacerse realidad. Se puede decir que ya se han resuelto los problemas de espacio, desarrollo técnico y coste.

HBM está trabajando para sacar partido a esos avances. Mediante el uso de diseños personalizados de ingeniería avanzada, nuestros ingenieros pueden convertir componentes individuales como flex plates, cadenas cinemáticas, ruedas dentadas, ejes, etc. en sensores funcionales capaces de medir el par. Para conseguirlo, introducen un módulo de telemetría o un anillo de inducción en una cavidad practicada en el componente. Los datos de par obtenidos mediante tecnología de galgas extensométricas se transmiten de forma inalámbrica a un receptor.

Esta solución ofrece numerosas ventajas:

  • No es necesario instalar un transductor adicional.
  • Errores de linealidad y reversibilidad inferiores al 0,1%.
  • No se altera el comportamiento mecánico de la cadena cinemática.
  • Posibilidad de medición continua a largo plazo.
  • Intervalo más amplio de temperaturas de trabajo.
  • Un transductor robusto capaz de funcionar en continuo.
  • Sistema inmune e insensible a las interferencias electromagnéticas (EMC).

Cuando los vehículos autónomos sean una realidad cotidiana, los ingenieros que ahora trabajan en vehículos especiales se encargarán de implantar sensores de par durante la fabricación. Cuando no haya un conductor a los mandos que haga ajustes sobre la marcha, el sistema informático de a bordo del vehículo autónomo se encargará de reducir al mínimo el deslizamiento de las ruedas y de optimizar el consumo de combustible, transfiriendo potencia de forma estratégica a los distintos componentes. Seguro que veremos avances importantes en la tecnología de telemetría a medida que crezca la demanda de vehículos especiales con mejores prestaciones. La transmisión económica de datos de par altamente precisos y fiables hará posible que estos avances salgan de los entornos controlados de los laboratorios o los ensayos de campo, y que se incorporen a los propios vehículos a nivel de la producción. Con ello, la industria podrá dar un gran paso adelante en su búsqueda de emisiones más reducidas, ahorro de combustible y control de la estabilidad de los vehículos.