CÁLCULO DE COMPONENTES DE LA TRANSMISIÓN EN UN TRACTOR AGRÍCOLA (PARTE II)

Tractor diseñado en los años ´70, fabricado en 1987 y
funcionando como el primer día... 
¡quizá las cosas no se hicieron tan mal!

Y tras la 1ª entrega, llega la definitiva: resultados de los cálculos para el diseño y dimensionamiento de los engranajes.

CRITERIOS DE CÁLCULO: PAR MÁXIMO ADMISIBLE

Par máximo admisible: También denominado límite de tracción. Si el motor proporciona un esfuerzo, momento o par, mayor al límite de tracción, las ruedas “rompen el suelo” y deslizan (patinan) Justo a ese valor, en el cual el suelo empieza a “romper” y las ruedas a patinar, es el límite de tracción.

El valor del límite de tracción es muy importante porque es el esfuerzo máximo que pueden soportar los elementos de la transmisión.

Imaginemos una imagen que puede ayudar a visualizar el concepto: un tractor usándose en su marcha más corta, el régimen de motor cercano a su potencia máxima. Si se supera el límite de tracción, las ruedas patinan; la potencia que llega desde el motor genera un par superior al que el terreno puede absorber, en consecuencia, el terreno “se rompe” y el tractor comienza a patinar. En cambio, ese mismo tractor, con la marcha más larga, posiblemente no podrá vencer la resistencia que le ofrece el terreno al avance, es decir el momento que llega desde el motor es insuficiente para superar el límite de tracción y el tractor terminará “calándose”.

Evidentemente, el par límite de tracción depende del peso del tractor en orden de marcha.. Además, el par límite de tracción también depende del coeficiente de fricción o adherencia ruedas-suelo, y del radio de la rueda.

Para la realización de los cálculos de los componentes de la transmisión se utilizarán estos supuestos en cuanto al peso del tractor, al radio de los neumáticos y al suelo de trabajo:

• Masa Máxima Admisible (MMA): es una cifra crítica en el diseño y uno de los datos fundamentales para valorar un tractor. En el caso que nos ocupa, se elige la mayor cifra de peso que se permite a ese tractor (Calidad I por sobredimensionamiento) y que para la serie pesada 8000, en versión eje delantero motriz, la más exigente, es de 7600 kg
• Radio de los neumáticos: El radio a considerar es el radio bajo carga. Se elige el neumático de mayor radio entre los permitidos por el fabricante (Calidad II por sobredimensionamiento)
• Tipo de suelo: El par máximo a transmitir depende directamente de la relación rueda-suelo. Se elige el suelo más agresivo, es decir, aquel que tiene el coeficiente de fricción (µ) más alto, el que menos permite que el tractor patine. En concreto se elije un suelo como hormigón rugoso o alquitrán, suelos a los que se les asigna un valor alrededor de 0,80, pero en el caso de los cálculos de la transmisión del E-8135 se lleva a µ=1 es decir, un suelo que no permite capacidad alguna de deslizamiento (Calidad III por sobredimensionamiento)

Calidad y sobredimensionamiento: A lo largo del texto iremos marcando en azul-negrita, aquellos parámetros que son símbolo de calidad. Esto lo hacemos para llamar la atención al lector de cómo se procedió a un diseño sobredimensionado de los componentes de la transmisión. (Calidad X por sobredimensionamiento)

El sobredimensionamiento de la gama pesada Ebro 6000 fue lo que permitió poder mantener la misma transmisión de los buques insignia de las series 8000 y H, los 8135 y el H135, ambos con entrega de par y potencia superiores.

La consecuencia del sobredimensionamiento es que componentes críticos como rodamientos, palieres, ejes… de la gama estaban “condenados” a una larga, y nada fatigosa, vida…

Horquillas del cambio

Aprovechamos para recordar al usuario tractorista porque es tan importante no alterar las disposiciones de diseño de los fabricantes, sobre todo peso y neumáticos. Alterar el tamaño de las ruedas significa alterar directamente el límite de tracción, o lo que es lo mismo, alterar los esfuerzos para los que se diseñó la transmisión. Idénticas y funestas consecuencias puede tener sobrepasar la masa máxima admisible total, o por eje, estipulada por el fabricante.

Fuerza tangencial de las ruedas sobre el terreno: La opción más desfavorable es, totalmente hipotética, pero aún así es la hipótesis utilizada en el cálculo, que todo el peso del tractor actúa sobre el eje trasero (ruedas delanteras han perdido contacto con el suelo; como si el tractor se hubiese encabritado (Calidad IV por sobredimensionamiento)

El peso sobre cada rueda trasera, sería de 7600/2 = 3800 kg y que es, coincide, con la reacción del suelo (Q_t).

La fuerza tangencial de las ruedas sobre el terreno, es igual al peso por el coeficiente de deslizamiento (µ):

Par máximo transmisible al suelo: Como ya se ha enunciado, se considera el neumático más desfavorable. La gama pesada E-8000 podían equipar los neumáticos 18,4R38 y 23,1R30. El radio más desfavorable es el del neumático de 38´´ (0,83 m de radio):

Recuerde el lector que como se indicaba al comienzo de este apartado, hay dos líneas generadoras de esfuerzo, por una parte la línea desde el motor, a través del embrague, hacia los palieres, y otra desde el suelo, pasando por los palieres hacia la caja de cambios. El par máximo sobre cada palier será el que se calcule, pero el par teórico en el palier, si superase al par máximo transmisible, condiciona a que las ruedas patinarán o deslizarán.

Relación de transmisión en eje trasero 

Tabla 2.- Número de dientes de los engranajes de la caja, opción rápida, del Ebro 8135

Tabla 3.- Resumen Datos Geométricos Caja Cambios

Según las tablas 2 y 3, se observa que la relación de transmisión en la reducción epicicloidal es de 4,5 (corona de 56 dientes y planetas de 16)

Ídem, para la relación del grupo cónico diferencial: 37 a 7

Así que la relación de transmisión total del eje trasero, i_t, es el producto de las relaciones parciales 4,5*(37/7)

Par a la salida de la caja de cambios

Este par corresponde al límite de tracción en rueda, aplicando la reducción final del eje trasero (23.78571)

Rendimiento de la transmisión: En el estudio de transmisiones mediante engranajes las pérdidas de potencia se deben a fricción y rodadura y también por el movimiento del aceite lubricante. En realidad se considera que la potencia disipada entre dientes es función de la velocidad de deslizamiento y de la fuerza de rozamiento que actúa tangente a las superficie de los 2 dientes en contacto, es decir, perpendicular a la denominada línea de engrane.

Se ha considerado un rendimiento de la transmisión entre pareja de engranajes de 0.98. Aclaramos al lector que en un engranaje helicoidal, lo habitual es considerar un rendimiento o eficiencia de 0,99. Pero en el programa, de nuevo, con el marchamo de calidad por sobredimensionamiento, se ha puesto 0,98 (Calidad V por sobredimensionamiento)

Los cálculos de resistencia de todas las parejas de engranajes estarán afectados por el par a la salida de la caja de cambio y su relación individual para el piñón conductor de cada pareja.

EJECUTANDO EL SOFTWARE DE CÁLCULO

Con estos datos y los datos geométricos de los engranajes se utiliza el programa de cálculo.

Es el momento de fijar las condiciones de trabajo de cada pareja de engranajes que integran la transmisión, condiciones que se implementan en forma de par y régimen, y aplicando el límite de tracción en ruedas a cada pareja.

Engranajes de la reducción final de la caja

Par en el engranaje conductor: Se trata de la pareja z₁-z₂ (13/44) (tablas 2 y 3)

El momento en el engranaje z₁ (conductor) de 13 dientes es:

Régimen de giro del engranaje conductor: Para calcular el régimen de giro en los engranajes se podría optar por hacerlo con los datos de par máximo a su régimen de giro, o por hacerlo con los datos del par a lo que hemos denominado “régimen regulado” (condiciones reales de trabajo exigente)

Veamos:

1º Cálculo a régimen de par máximo, 45,5 mkg (446) a 1600 rpm, supone una potencia

2º Cálculo a régimen “regulado”, 42,0 mkg a 2250 rpm

Así que como 101<132, se elige, el régimen “regulado” (Calidad VI por sobredimensionado)

El régimen de giro es:

Engranajes de la gama media

Par en el engranaje conductor: Se trata de la pareja z₁-z₂ (29/30) (tablas 2 y 3)

Ahora se calcula el par en el engranaje z₁ (29 dientes) así como el régimen de giro del engranaje conductor: 

Gama Creep

Par en el engranaje conductor: Se trata de la pareja z₁-z₂ (15/68) (tablas 2 y 3), y el régimen de giro del engranaje conductor:

4ª marcha, gama media

Se trata de la pareja z₁-z₂ (32/25) (tablas 2 y 3) Se calcula el par en el engranaje z (32)

Se insiste que para los cálculos hay que considerar que los esfuerzos provienen desde el motor hacia las ruedas, o bien por la resistencia al avance y que se traslada a la salida de la caja de cambios.

Veamos este caso, el de 4ª marcha de gama media. Por una parte si consideramos el límite de tracción, es decir, viniendo los esfuerzos vía palieres, entonces se obtiene un momento máximo de 98,62 mkg = 967,5 Nm

Mientras que si analizamos los esfuerzos que pueden provenir vía embrague, nunca serán mayores que los que pueda proporcionar el motor, es decir, 45,5 mkg = 446 Nm que es el par máximo de motor.

Claramente 967 > 446 por lo que es este último valor el que se toma para los cálculos.

Idénticas operaciones, ser realizan para la 3ª, 2ª y 1ª velocidades de la gama media. Para no alargar en demasía, ponemos solamente el ejemplo de la 1ª marcha de gama media

1ª marcha z19-z42 gama media:

Se trata de la pareja z₁-z₂ (19/42) (tablas 2 y 3). Se calcula el par en el engranaje z₁₉ , y el régimen de giro a régimen de potencia máxima (el más desfavorable):

RESUMEN DE DATOS OBTENIDOS

Una vez ejecutado el programa, los resultados van a ofrecer multitud de información (en realidad el programa proporciona por impresora hasta 3 hojas de salida con datos organizados por bloques) pero destacando las tensiones en los dientes, así como vida en horas y ciclos; datos que se pueden extrapolar para presupone la fiabilidad de la transmisión diseñada.

La tabla 4, resumen de resultados ofrece los datos de salida:

• σ_b: Tensión calculada a flexión (kg/mm²)
• σ_s: Tensión calculada a presión superficial (kg/mm²)
• Vida-h: Vida en horas del engranaje (calculada tanto con la tensión a flexión como con el dato obtenido de la tensión a presión superficial, así como de la relación de contacto, nº de dientes en contacto, para repartir las cargas al engranaje conducido
• Vida-Ciclos: Los ciclos están relacionados con las veces que los dientes entran en contacto en base a la relación de transmisión y a la relación de contacto entre dientes. La vida en ciclos, de giros de la pareja con los datos tanto de la tensión a flexión, como de la presión superficial
• ρ_T: Es la relación de contacto total, es decir, el nº de dientes en contacto, que transmiten el esfuerzo en cada momento

Imponente trasera ampliamente sobredimensionada

Las celdas de color “amarillo” de la tabla 4 indica que los esfuerzos desde el motor, considerando el par máximo del mismo, es menor que el par límite de tracción y es por lo que se eligen los datos procedentes del motor, pues hacerlo desde el par límite de tracción sería absurdo pues ese motor jamás podrá superar el esfuerzo proveniente de las ruedas.

Sin embargo, al analizar los datos de las gamas, superlentas, trabajo, transporte y retroceso, los pares son mayores que los del motor y entonces son estos los que se utilizan en el cálculo. Es decir, siempre se elige el mayor par para tener siempre el diseño de la transmisión del lado de la seguridad, máximo número de horas y ciclos de trabajo.

Sobre los datos obtenidos

De los datos de salida quizá el más interesante para el lector sea el de la vida en horas.

Obsérvese en la tabla 4 como el engranaje más crítico es el de 15 dientes de la gama creep que solo le da 168 h

Mientras el engranaje más “longevo” sería el de la 4ª velocidad con 24698 h.

Quizá pudiese pensar el lector que no parece mucho pero es bastante más que lo necesario.

Un engranaje que en las peores condiciones posibles proporciona 24698 h significa que duraría esas horas si el tractor estuviese toda su vida operativa solamente trabajando con ese engranaje y en régimen de 2250 rev/min, con su peso máximo autorizado… Una hipótesis que en la realidad es imposible.

No es mala vista para una caja con 30000 h de uso

Incluso el engranaje de 168 h para la gama superlenta no es poco pues tampoco es habitual la utilización de esta relación en las condiciones descritas del peso máximo autorizado y sobre un suelo con máximo nivel de agarre, es decir en condiciones de límite máximo de tracción…

En cuanto a las tensiones, a flexión y presión superficial, están todas las calculadas por debajo de los valores admisibles descritos en el apartado condiciones de trabajo de la transmisión.

También es muy importante observar el parámetro ρ_T y que es la relación de contacto entre dos dientes. Es decir, expresa entre cuantos dientes se distribuye el esfuerzo.

FINALIZANDO

En fin que este ejemplo haya resultado didáctico y lo más ameno posible, de cómo unos cálculos teóricos, hechos en la ingeniería de una empresa española en los años 80, han culminado en tractores que tras 20000 y 30000 h siguen funcionando y dando satisfacciones a sus propietarios.

1ª entrega: cálculo de componentes de la transmisión en un tractor agrícola

 By: Catalán Mogorrón, H.

BARBECHO SI O NO Y MAQUINARIA PARA SU MANTENIMIENTO

Vernetes Gil (Foto Marsemar)

¿QUÉ ES EL BARBECHO?

Se habla de barbechos a aquellas tierras que se dejan descansar de la siembra durante uno o varios ciclos vegetativos con el supuesto propósito de “recuperar la tierra”. La idea es que, durante el periodo de barbecho, los terrenos deberán ser capaces de almacenar materia orgánica y humedad a la par que se controla la vegetación adventicia.

El barbecho ha sido, y aún es, una práctica habitual en la rotación de cultivos; en la cual era frecuente adoptar una rotación a 3 años (cereal, barbecho y leguminosa)

Del latín: Barbecho proviene del vocablo latino vervactum (de veris, primavera, y actum del verbo hacer) y que en conjunto significaría “hecho para la primavera“

Y los abuelos barbechaban: A día de hoy cabe preguntarse si esa necesidad de “barbechar” no era también fruto del trabajo con “tracción animal”, donde, obligatoriamente las labores iban más despacio, y, en suficientes ocasiones, no daba tiempo a preparar toda la superficie. Otras razones para los barbechos de antaño era la poca existencia de fertilizantes químicos y aún menos de herbicidas.

Con la llegada de los tractores, y el continuo incremento de potencia en los mismos, así como la mejora en los fertilizantes químicos y la tecnología de los herbicidas selectivos, es necesario plantearse la necesidad del barbecho.

¿Y los “modernos” técnicos que dicen?: La concepción “moderna”, y la más general, de los técnicos en agricultura, defienden la filosofía de devolver a la tierra, al menos, lo que los cultivos han sacado de ella. Con esta visión, el concepto tradicional del barbecho pierde la idea original. Es decir, con la filosofía actual, se tiende a defender la práctica cultural por la cual no se retiran los restos vegetales de la cosecha anterior, y se reponen los elementos minerales extraídos. Eso unido a la realización de unas rotaciones adecuadas debería suplir el concepto tradicional de barbecho.

TIPOS DE BARBECHO

Rodillo de aros en cuña acoplado a un semichisel rastrojero
(Foto Marmel)

• Labrado: Es el denominado barbecho blanco o desnudo. En él se eliminan las malas hierbas mediante laboreo mecánico. En este tipo de barbecho, las tierras se dejan sin cultivo, pero se labran para controlar las hierbas silvestres (que a su vez sirven de materia orgánica que se descompone y así se recuperan minerales extraídos por los cultivos anteriores)
• Sin labrar: Son los denominados barbechos “verdes”. En este caso se puede dar la opción de dejar que sea la vegetación natural la que “colonice” la tierra barbechada, o bien, realizar una siembra de cultivos, normalmente leguminosas
• Químico: Se eliminan las malas hierbas por medio de herbicidas. Puede resultar una herramienta clave en prácticas de siembra directa o mínimo laboreo. Con el barbecho químico se intenta mantener el suelo sin labranza mecánica, pero libre de malas hierba. Para lograr el objetivo se utilizan los herbicidas, normalmente en mezclas y que deben ser cuidadosamente realizadas en función de la maleza que se quiere controlar.

De estadísticas: La Encuesta sobre Superficies y Rendimientos de Cultivos en España (ESCYRCE) realizada por el Ministerio de Agricultura, ofrece una superficie total de 2.912.245 ha dedicadas a barbecho durante 2020. De las cuales el 47 % e mantiene por laboreo tradicional y un 25 % con cubierta vegetal espontánea.

VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL BARBECHO

Analizado el barbecho “blanco o desnudo” como parte de la agricultura tradicional, adalid del laboreo tradicional, sus ventajas son claras: conseguir el descanso de la tierra a la par que se combate la vegetación adventicia.

Pero tener un suelo desnudo acarrea una serie de problemas. Los más llamativos es que un suelo “desnudo” se convierte más proclive a la erosión. También un suelo con exceso de laboreo destruye la estructura del propio horizonte superficial. Ambas causas pueden ser especialmente problemáticas cuando vienen lluvias torrenciales, y que, quizá cada vez más, son más frecuentes.

EL BARBECHO, EL GREENING Y LAS AVES ESTEPARIAS

Barbecho: No es hasta 1988 que la PAC (Política Agraria Comunitaria) de la Unión Europea introdujese el uso del barbecho como medida voluntaria para reducir los excedentes de producción de los cultivos herbáceos, o lo que es lo mismo, el barbecho se ve como una medida, repito voluntaria, para regular los mercados.

Llega 1992 y esa medida que era voluntaria, pasa a ser obligatoria; es entonces cuando se incorporan los pagos a los agricultores como compensación por la pérdida de la producción.

Es en el mismo año cuando se introducen en la PAC las medidas agroambientales, que se ven asociadas a la regeneración y mantenimiento del paisaje de la agricultura tradicional. Se trata de medidas que incluye, entre otras, el aumento de la superficie barbechada, aunque, y dependiendo de la zona, se definen una serie de condiciones que deben cumplirse en los barbechos para recibir las subvenciones.

Greening: Seguimos avanzando en el tiempo, y llega la PAC de 2013. Con ella, aparece una medida que es conocida como “pago verde” o “greening”. El greening promueve la incorporación de Superficies de Interés Ecológico (SIE) y que puede ser vía determinados cultivos (como las leguminosas fijadoras de nitrógeno) o como terrenos no cultivados (barbechos)

Con la reforma del 2013, se establece que los países destinarán un 30% de los presupuestos de los pagos directos a los denominados “pagos verdes”.

El “pago verde” es un pago que se realiza a algunos agricultores por el respeto a determinadas prácticas medioambientales; en concreto tres:

• Diversificación de cultivos: en función de la superficie debe haber al menos 2 o 3 cultivos diferentes o incluso barbecho
• Mantenimiento de los pastos permanentes existentes
• Contar con Superficies de Interés Ecológico, SIE (el barbecho se considera SIE)

En conclusión, las medidas más destacadas relacionadas con los barbechos son la diversificación de cultivos y las SIE.

Cultivador rastrojero y rodillo de aros

Resulta curioso como, a día de hoy, para los cánones de la agricultura de la UE, el barbecho es una forma de agricultura para la conservación y mejora de la calidad medioambiental. Y como hemos pasado, en pocos años, a ver el barbecho en su papel agronómico a otro de ser cuestionado e incluso como una “mala práctica agronómica” a, hoy, donde retoma un papel principalmente ambiental, como herramienta de gestión de la biodiversidad.

Aves esteparias: El Fondo Europeo Agrícola de Desarrollo Rural (FEADER) dispone de unas medidas agroambientales de carácter voluntario para los agricultores (por ejemplo, el acogimiento a favorecer las especies esteparias y que, variando por zonas y comunidades autónomas, se resumen en establecer barbechos como superficies de refugio y nidificación, además de mantener una rotación de cultivos con la obligatoriedad de tener a las leguminosas en dicha rotación.

Aves esteparias: Grupo de aves (sisón, avutarda, alcaraván…) considerado como muy amenazado a nivel europeo. En gran medida, su área de distribución se restringe a la península ibérica y son los barbechos cerealistas las superficies que se consideran fundamentales para el ecosistema necesario en la supervivencia de dichas aves.

MAQUINARIA NECESARIA

Rastra de mantenimiento de la cobertura vegetal para posterior

siembra con sembradora de siembra directa

Subsolador: Su labor es la de descompactar el suelo para facilitar la penetración de las raíces. Es la compactación del suelo un problema que se incrementa con el laboreo intensivo y con los tractores y aperos más pesados. Así que conviene, romper la suela de labor de vez en cuando.

Grada de discos: Apero para levantar rastrojos a alta velocidad. Es un tipo de apero que, con relativo bajo consumo, permiten realizar una gran labor del suelo. Son especialmente útiles para labrar barbechos con gran cantidad de hierba o restos vegetales, puesto que su diseño, a la par que su trabajo a alta velocidad, consigue que no se embocen prácticamente nunca. Las hay de muchos tipos: en V, en X, arrastradas, suspendidas y, actualmente, gozan de mucho auge las denominadas gradas rápidas (en las cuales cada disco es independiente en su eje de giro)

Arado de cohecho: Habitualmente llamados también “vernetes”. Se trata de pequeñas “vertederas” que son capaces de envolver los restos vegetales superficiales, pero trabajando a una profundidad pequeña (no mayor de 20 cm)

Cultivador: Una herramienta indispensable por ser la más polivalente en el laboreo vertical del suelo. Existe una enorme variedad de diseños: según el tipo de reja, de amortiguación (muelles, gomas elastoméricas…)

Rastra: Sus objetivos principales son los de servir de “allanador” de la labor a la par que remueve la hierba previamente arrancada.

Rastra ecológica (Foto Agrícola Revilla)

Hay rastras, por ejemplo, la denominada “multipropósito” que pueden realizar un control mecánico de malas hierbas bastante efectivo, además de nivelar el suelo para facilitar la posterior labor de la sembradora; también realizan una oxigenación de esa capa superficial pero no dañan la estructura con lo cual son máquinas ideales para proteger la microfauna o para proteger la cobertura vegetal que demanda la siembra directa.

Trabajan solamente unos 2-3 cm de suelo, pero disponen de una gran capacidad de trabajo.

 By: Catalán Mogorrón, H.