Optimización de la eficiencia de una faja “Pushbelt”para un Sistema de Transmisión variable continua (CVT) en Automóviles RESUMEN En la presente monografía se expondrán diversos factores que nos pueden llevar a una mejora en el trabajo de una faja tipo “Pushbelt”. Se presentara el método de control de deslizamiento el cual es ahora visto como un fenómeno que puede ayudar a la transmisión si es que puede ser controlado. Por último se presentará algunos resultados obtenidos con un nuevo diseño en la transmisión a los que usualmente se encuentran en el mercado. OBJETIVOS - Definir las nuevas tecnologías que permiten considerar la transmisión variable continua como una opción viable a altas potencias. - Modelar el fenómeno de deslizamiento en las fajas tipo “Pushbelt”. - Encontrar opciones para una mayor resistencia de los componentes. IMPORTANCIA - Este sistema está siendo tomado en cuenta por la industria automotriz reemplazando en muchos casos la convencional transmisión automática. - El incremento del precio del petróleo y el control en las emisiones de gas en la mayoría de países nos obliga a recurrir a tecnologías más eficientes que las actuales. - El modelamiento y manejo del deslizamiento en pequeñas cantidades nos permite mejorar la eficiencia de la transmisión al necesitar menos fuerzas de sujeción y por lo tanto una reducción en tamaño del sistema (costos). PALABRAS CLAVE Faja Pushbelt, Transmisión CVT, Eficiencia. ANTECEDENTES Los CVTs de tipo toroidal por su construcción simple fueron los primeros en utilizarse para la industria automotriz en 1900, y aquellos equipados con la CVT toroide completa fueron llamados carros de fricción. Pero por ser de contacto directo de metal con metal ocasionaban una baja durabilidad. La primera faja en V para CVT comercializable fue introducida en el mercado en 1958. Esta faja en V hecha de caucho estaba restringida para uno potencia no mayor que 42 KW con una distancia entre centros de 520mm. Como consecuencia de investigaciones y desarrollo tecnológico aparecieron las fajas metálicas en 1987 para el mercado automotriz. Hasta el momento más de 2.5 millones de fajas metálicas en V han sido vendidas logrando alcanzar una potencia mayor de las 110KW (para 168mm de distancia entre centros). Más de 50 diferentes tipos de vehículos están preparados para este nuevo sistema debido al alto confort que se tiene al manejar estos vehículos y al ahorro de combustibles que permite el sistema. Poleas primaria y secundaria del modelo toroidal tomado de la tesis de diseño mecánico de una transmisión CVT media toroidal Sistema para uso de fajas Pushbelt en V BASE TEÓRICA Tamaño de la transmisión y razón de conversión El diseño del variador (ensamble de faja y polea) afecta tanto a la tracción como al esfuerzo de flexión. La variación de los radios afecta directamente en la relación de transmisión o la distancia de centros del variador. Esto implica que la capacidad del torque no solo se determina por las propiedades de fatiga sino también por la distancia entre centros y la relación de transformación. Velocidad de Reducción Las fuerzas centrifugas actuantes sobre la faja, además de la velocidad de esta también afectan el nivel de esfuerzo en los anillos. Por lo tanto, la capacidad de potencia no solo depende del torque sino también de la velocidad Para una distancia de 180 mm Otros factores que afectan la capacidad de potencia Se puede ver de los gráficos presentados que para un incremento en el número de anillos se obtiene una mayor capacidad de potencia de transmisión (cuando se usan 12 se tiene valores mayores que con 9). Para el caso de la variación del ancho de los anillos se obtuvo que había un punto máximo para obtener la mayor reducción de esfuerzos. Variación de la capacidad vs la distancia de centros Reducción de los esfuerzos en función del ancho de los anillos (Ambas pruebas fueron hechas a un RPM de 6000) Perdidas en un motor con transmisión CVT Tomado de la EPA Federal Test Procedure, para funcionamiento en ciudad Partes de la transmisión CVT y sus pérdidas 1. Bomba (pump) 2. Convertidor de torque (T/C) 3. Poleas y fajas (Variator) 4. Unidad de dirección (DNR) Diagrama Sankey de pérdidas en la transmisión El gran número de elementos que contiene la faja nos lleva a un suave y continuo funcionamiento. En la operación, las fuerzas de sujeción y torque funcionan sobre la faja y el resultado son las siguientes fuentes de pérdidas. · Las pérdidas en los cojinetes de los ejes · Las pérdidas por fricción entre los elementos y la polea · Fricción interna de la faja Disminución de las pérdidas entre las poleas y fajas (variador) La reducción de pérdidas en esa zona es lograda principalmente reduciendo las fuerzas de sujeción. El punto clave en esta estrategia es que nuevos estudios revelan que la faja “Pushbelt” puede trabajar bajo ciertas condiciones por largos periodos de tiempo sin sufrir grandes daños. Los límites para el desgaste dependen de la velocidad del deslizamiento y las fuerzas de sujeción Eficiencia vs factor de sobre-sujeción Mediciones en el ensayo para el control de deslizamiento Los datos obtenidos has sido hechos en la siguiente configuración: El esquema anterior consiste en un electro motor para el movimiento de las fajas (motor 1) y un freno eléctrico (motor 2), así también tiene distintos sensores para obtener el incremento del torque o la variación de la posición. Los datos requeridos serán Tp: el torque primario Ts: el torque secundario Wp: la velocidad primaria Ws: la velocidad secundaria Xs: la posición de la polea secundaria (en el motor 2) De estos valores obtenemos el coeficiente de fricción en la dirección radial μr y en la dirección tangencial μt. Las ecuaciones que gobiernan el movimiento y son usadas hasta el momento en la faja tipo pushbelt fueron planteadas por Kobayashi y Asayama. Modelo transitorio: Ide: Shafai: Simplificada: De estas ecuaciones, Ide es buena describiendo el comportamiento transitorio cuando no hay resbalamiento. Por el contrario Shafai es buena describiendo el comportamiento cuando está en modo deslizamiento. Como el deslizamiento en la dirección tangencial y en la dirección radial ocurre entre las mismas superficies, debe haber una relación entre la fricción en dirección tangencial y radial. El resultado de estas se puede definir como μ=√ . El resultado se muestra en la siguiente tabla Si la faja resbala tangencialmente, el deslizamiento en la dirección radial es también instantáneo. En tanto, mientras que la correa no resbale sobre la polea tangencialmente esta lo hará de forma radial solamente cuando la variación de fuerza sea lo suficientemente elevada. Se puede observar en la siguiente imagen que para altas velocidades el valor de μr baja significativamente y esto se debe principalmente a que cambios grandes de velocidad causan grandes torques debido a la aceleración de alguna de las poleas. Modelamiento Para este caso utilizamos el modelamiento de fricción de Coulumb: μ= Sign(ɣ) * μmax (1) Este valor se divide en 2 direcciones. La fricción tangencial (Fwt) que es dependiente del torque de la faja y la radial (Fwr) que depende de la variación de la fuerza (∆F). Las fuerzas que actúan se muestran a continuación Distribución de las fuerzas ∆F=Fp-Fp* (1) Fp*=k(T,r) Fs (3) (4) (5) (6) (7) Donde Fp* es la fuerza de sujeción que depende del torque primario, de un factor de seguridad dado (suele ser 1.3) y de una función experimental K Con el valor conocido del torque de la carga y remplazando (6) en (7) (8) Ahora podemos calcular Cuando la polea no está resbalando se suele usar el modelamiento de Ide (9) Cuando está deslizando se sigue el modelo de Shafai [ ] (10) Los valores de c1,c2 y c3 se calcularan usando el método de minimos cuadrados. C1=5.0 C2=7.9 C3=5.0 Resultado de los valores obtenidos con el nuevo método (TU/e), el shafai y el Ide Valores de la relación de transmisión en el tiempo Cambio de la posición de la polea secundaria respecto al tiempo Estado de la faja en función del tiempo Se realizó un ensayo en un Mercedes-Benz A-190 controlando solamente la polea secundaria y se obtuvo el siguiente resultado. Realizado por Bosch Group en 2007 Opciones para el Diseño de la faja tipo “Pushbelt” Como consecuencia de obtener un mayor campo de aplicación de las “PushBelt”, uno de los objetivos es incrementar la potencia y torque que se puede transmitir. A la vez se pretende reducir la distancia entre centro de las poleas y aumentar la durabilidad. En las pruebas hechas por los fabricantes, las fallas se presentan en un alto régimen de fatiga produciéndose mayormente en los anillos. En los análisis hechos en la superficie de los anillos se tiene que la falla por fatiga siempre empieza en las pequeñas inclusiones de Nitruro de Titanio (TiN). Zona de Tensiones en los anillos Vista esquemática de una falla típica en los anillos. La fractura es perpendicular a la dirección del anillo. El efecto de “ojo de pez”, fatiga en el rompimiento inicial de las inclusiones de TiN para una faja Push-Belt Ventajas del uso de TiN Las propiedades que hacen su uso muy adecuado para la producción de anillos es: buenas características para el maquinado, excelente para la soldadura, baja resistencia a la deformación durante el trabajo en frío, temperaturas de tratamiento térmico moderado y cambios dimensionales prácticamente insignificantes durante los tratamientos térmicos. Las propiedades de gran importancia para aplicaciones de inserción de la faja son, evidentemente, el alto rendimiento, resistencia a la tracción y resistencia a la fatiga. La mayoría de estas propiedades son características inherentes de la metalurgia de los aceros, que son relativamente blandos y dúctiles. Después de un recocido por disolución o austenitización (por ejemplo, 1 hora a 830 ° C), la matriz de austenita se transforma en martensita al enfriar a temperatura ambiente. Ejemplo de las inclusiones en vista microscópica Comparación de materiales Esfuerzo vs Número de ciclos entre el material actual y el nuevo Probabilidad de falla por número de ciclos entre ambos materiales Simulación de zonas que sufre mayor esfuerzo CONCLUSIONES - Las fajas tipo Pushbelt para CVT siguen teniendo un largo potencial para la reducción de combustible con mejoras como el control del deslizamiento. - El concepto del deslizamiento ha sido considerado como un beneficio para ciertos valores y ya no es visto de modo destructivo. - Se logró dar un modelamiento adecuado para el control del deslizamiento más adecuado que los métodos antes existente. - Se puede mejorar en gran manera la vida útil de las fajas utilizando inclusiones no metálicas mas pequeñas, teniendo gran importancia desde el punto de vista económico. BIBLIOGRAFÍA New CVT push-belt design featuring a new maraging Steel to cover all front Wheel drive powertrains, B. Pennings, A. Brandsma, M. van Schaik, Bosch Group, Netherlands Tesis “Diseño Mecánico de una transmisión CVT media Toroidal”, David Rodolfo Esquivel Tapia, Instituto Politécnico Nacional de México Ensayos USA, EPA Federal Test: FTP 72/75 (1978) / SFTP US06/SC03 (2008) Modelling Slip- and Creepmode Shift Speed Characteristics of a Pushbelt Type Continuously Variable Transmission, B. Bonsen, T.W.G.L Klaassen, K.G.O van de Meerakker, Endhoven University of Technology Efficiency Optimization of the Pushbelt CVT, Francis van der Sluis, Tom van Dongen, Gert-Jan van Spijk, Van Doorne’s Transmissie – Bosch Group, netherlands Push belt CVT developments for high power applications, Arjen Brandsma, Jan van Lith, Emery Hendriks, Netherlands WEB: http://www.bosch.nl/transmission_technology/en/html/5835.htm, visitado el 25/10/13