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martes, 11 de septiembre de 2012

Torque en el motor, torque en las ruedas

Voy a ser claro desde un principio, el torque (coloquialmente hablando la fuerza) que producen la mayoría de motores no es suficiente como para mover por sí solo la masa que tiene un carro. ¿Pero entonces cómo lo logra?...

Voy a tratar de explicarlo muy coloquialmente, y sé que muchos "puristas", ingenieros o físicos me podrían tildarme de "hereje" por explicarlo así, sin embargo la idea es tratar de entender varios conceptos complicados de una forma sencilla. 

El torque es la fuerza que puede producir el motor respecto a un punto dado, pongamos un ejemplo con un carro que exista en el mercado Colombiano, el Hyundai i25 1.6 (motor de gasolina), el valor de torque que proporciona Hyundai para este motor es de 15,9 [Kgfm] (156 Nm en Sistema Internacional). Lo voy a expresar de la siguiente manera, el torque máximo que produce el motor del i25 es el equivalente a tener 15,9 Kilogramos en una barra de 1 metro de longitud.

Para verlo más fácil, es como si tuviésemos a un perro labrador en una barra de un metro (color gris) ejerciendo fuerza sólo con su peso en la parte negra de la imagen, como se pueden dar cuenta la fuerza que puede generar el motor de un auto pequeño no es mucha, ¿cómo logra el equivalente de un labrador sentado en una barra mover un carro de 1151 Kg a más de 180 Km/h?

La respuesta se encuentra en el tren motriz, es decir ese conjunto de mecanismos que transmiten el movimiento del motor hacia las ruedas, entre los cuales se encuentran la caja de cambios y el diferencial. La caja de cambios es un sistema de piñones, engranajes, sincronizadores y otros elementos que se encargan de disminuir la velocidad de giro del motor y de transmitirlo, estas cajas pueden ser trenes de engranajes (cajas mecánicas y de doble embrague), engranajes epicicloidales p planetarios (cajas automáticas de las de toda la vida) o sistemas de conos y poleas (transmisiones continuamente variables como las CVT de Nissan o Multitronic de Audi). 


Observemos los datos que nos proporciona Hyundai en su ficha técnica, más concretamente la parte que dice "Relaciones" y "Relación final de eje". Tenemos para la primera que la relación es de 3.615 a 1, y que la relación final (o relación del diferencial) es de 4.059 a 1. El significado de esto es muy sencillo, en primera marcha por cada 3.6 giros del motor, sale del piñón de primera un sólo giro. Es decir que la velocidad se está reduciendo y aquí viene la parte importante, en la misma proporción que se reduce la velocidad de giro también se aumenta la fuerza. Lo mismo sucede en el diferencial, es donde se produce una segunda reducción de velocidad con su respectivo aumento de torque (también tiene una función importantísima en las curvas pero ese será otro tema).

El cálculo.
Hagamos un cálculo sencillo tomando los datos de la ficha técnica del i25:
Reducción en primera: 3.615 :1
Reducción final: 4.059 :1
Reducción total para primera marcha: (3.615)(4.059) = 14.6732

Es decir, para este Hyundai en primera marcha se reduce 14,7 veces la velocidad de giro del motor y se aumenta 14,7 veces la fuerza que llega a las ruedas, entonces de los 15,9 [Kgfm] iniciales ahora van a llegar 233.73 Kg de fuerza, esto sí puede mover un carro.

Hagamos el ejercicio para la quinta marcha, tenemos una relación de 0.839 : 1, es decir por cada giro del motor salen 0.839 giros de la quinta marcha, aquí no hay una reducción, hay un aumento de la velocidad de giro, sin embargo no nos olvidemos de la relación final o la que existe en el diferencial, que es de 4.059 a 1.

Volvamos al cálculo sencillo:

Reducción en quinta: 0.839 : 1
Reducción final: 4.059 :1
Reducción total para primera marcha: (0.839)(4.059) = 3.405

Entonces del torque inicial de 15.9 Kgfm en quinta llegan a las ruedas aproximadamente 54.13 Kgfm, muy lejanos de los 233 Kilogramos fuerza que llegan en primera, ¿ahora ven por qué no se debe arrancar un carro en quinta y por qué se dice que la primera es un cambio de fuerza y la quinta de velocidad?.

Aclaro que no es sólo la fuerza el único factor en cuenta para mover un vehículo, también lo es la potencia para ganar aceleración pero este tema lo dejaré para otra entrada.

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