Gestión conjunta motor-transmisión en tractores con cambio escalonado: Estrategia CARABA-SUTB

Uno de los objetivos más preciados en el trabajo del tractor es conseguir que su trabajo sea eficiente. No vamos a entrar en el espinoso tema de qué es la eficiencia, porque en un vehículo tan versátil como el tractor, hay que procurar no hacer el ridículo y tratar, humildemente, de buscar la mayor eficiencia posible en cada labor que puede realizar. Hacer una pesada labor de preparación del suelo no tiene nada que ver con desplazarse por carretera a toda marcha, pasando por todo el abanico de múltiples operaciones agrícolas en campo o carretera. Y no hay que olvidar que eficiencia y limpieza (pocos gases contaminantes) no son sinónimos.

Centrados en la eficiencia, se trata de responder a las necesidades de la labor (fuerza y velocidad de avance) aprovechando de la mejor manera posible lo que el tractor nos ofrece (potencia y peso) y hacerlo consumiendo poco combustible.

Mucho se ha insistido en que las curvas características son el carnet de identidad del motor. Cierto es. Constituyen una forma de representar el comportamiento del motor y permiten buscar los puntos en los que se encuentre el mejor compromiso entre la labor que se pretende realizar y la economía del combustible.

Resumiendo lo ya repetido en muchas ocasiones, son 4 curvas, en las que se representa la variación del par motor, la potencia, el consumo horario y el consumo específico en función del régimen del motor. En la Figura 1 aparecen las curvas obtenidas en el ensayo del tractor Deutz-Fahr Agrotron 180 en la Estación de Ensayos de la OCDE en Italia (Nº OCDE 2/2883 del 23/03/2015).

Figura 1.- Curvas características. OCDE-Nº2/2883 del tractor Deutz-Fahr Agrotron 180 en la estación de ensayos de Italia. En azul, potencia (kW); en rojo, par (Nm); en verde, consumo horario (L/h) y en morado, consumo específico (g/kWh). Los puntos corresponden al ensayo de consumo en puntos OCDE normalizados.

De las 4 curvas características, la del par-régimen es la más importante, porque, al final, lo que se le pide al motor es par para vencer la fuerza que supone arrastrar el apero. El par, con el régimen para conseguir una determinada velocidad de avance produce la potencia entregada por el motor. Si la adornamos con las curvas de isopotencia y las de isoconsumo tenemos todo el paquete en una sola curva (Figura 2). La pena es que no hay forma de encontrarla últimamente porque las estaciones de ensayo, si las tienen, no las dan y los fabricantes, menos. En la Figura 2, la curva mantiene los valores numéricos en las escalas para el par (Nm) y el régimen de giro (r/min), así como para la potencia, en kW.

La mayor felicidad y comodidad es disponer de una curva como la que aparece en la Figura 3, en la que las escalas vienen en porcentaje del punto nominal. Las curvas de isopotencia (en verde) también vienen en porcentaje de la potencia nominal. Las únicas que vienen en valores absolutos son las de isoconsumo (rojo). Como se puede apreciar en la figura, corresponde a un motor sin sobrepotencia, es decir, que la potencia máxima es la nominal. Por eso sólo hay un punto de la curva del 100% de potencia nominal que toca a la curva de par, en el punto nominal, lógicamente.

Figura 3.- Curvas características completas. En negro, curva par-régimen; en verde, curvas de isopotencia y en rojo, de isoconsumo. (Gil, J. 2007. Desarrollo de índices para clasificar los tractores agrícolas en función de su eficiencia energética. UPM. Informe para el IDAE).

Como diferencia, en la Figura 4 se encuentran las curvas del ensayo del tractor John Deere 6400 en la estación de ensayos de la DLG, en Groß Umstadt (Alemania) en 1992 (Ensayo Nº 92.222 con Nº OCDE 1427), cuando empezaba a difundirse el concepto de sobrepotencia. Son curvas obtenidas midiendo la potencia directamente en el motor, no en la toma de fuerza. Se aprecia que la potencia máxima no es la nominal. La potencia máxima de 76,5 kW se produce a 2.000 r/min (86% del régimen nominal), mientras que la potencia nominal es de 75,7 kW a 2.300 r/min. La zona con potencia superior a la nominal (que no es potencia constante) se establece para el intervalo de valores del régimen en los que la curva de potencia correspondiente al acelerador a tope alcanza el valor de potencia nominal.

Figura 4.- Curvas características del tractor John Deere 6400 con sobrepotencia. Arriba, las 4 curvas características; abajo, la curva de par con curvas de isopotencia e isoconsumo. OCDE Nº1427.

Años más tarde, la sobrepotencia aumenta y en la Figura 5 aparece la curva del motor del tractor John Deere 6125R, en la que la diferencia entre la potencia máxima y la nominal es mayor, pero de este ensayo, realizado a la toma de fuerza en 2013, en la estación de la DLG, en Alemania, ensayo Nº 13-371 y con código OCDE Nº 2-2804, ya no hay curvas iso.

Figura 5.- Curva de potencia (verde) en el ensayo a la toma de fuerza del tractor John Deere 6125R (Nº OCDE 2/2804).

A todo esto, procede recordar que una cosa es el número del ensayo realizado en la estación, por ejemplo, el 13/371 del tractor anterior y otro, el número de ensayo OCDE que se le asigna, que es el 2-2804.

Entre el motor, productor de potencia, y las ruedas, que la aprovechan en potencia de tracción, se encuentra la transmisión, que amplifica/disminuye el par y el régimen. Para completar el análisis de la eficiencia en la labor que se pretende realizar, resulta muy útil hacer uso de las curvas que representan la velocidad de avance en función del régimen del motor, que, lógicamente, son rectas para cada una de las marchas de un tractor con cambio escalonado. En la Figura 6 aparece el diagrama n-V para el tractor New Holland T7.235, equipado con neumáticos 650/65 R42, con SRI (Speed Radius Index) de 0,925 m. El tractor tiene una caja de 19 marchas bajo carga, con 3 gamas: (Baja, B, (azul); Media, M, (verde) y Alta, A, (roja) y 6 marchas por gama, más la marcha 19, de transporte. Como se aprecia, en la figura se representan las curvas en el intervalo de valores del régimen del motor (1.000-2.200 r/min).

Figura 6.- Curvas n-V para el tractor New Holland T7.235 con SRI = 0,925 m.

Para analizar conjuntamente el motor y la transmisión, se juntan los dos diagramas. Para ello, hacemos uso de la herramienta 'girar izquierda' y lo aplicamos a la curva régimen-velocidad, de manera que ponemos horizontal la escala de par y vertical la del régimen en la curva par-régimen (Figura 7). A continuación, la pegamos a la de régimen-velocidad y se obtiene el diagrama Par-Régimen-Velocidad en dos marchas de trabajo (Figura 8).

Figura 7.- Curvas Par motor-Régimen del motor con curvas de isopotencia.

Figura 8.- Diagrama Par-Régimen-Velocidad.

Es un término que se propone para designar una estrategia de conducción (gestión conjunta del motor y la transmisión), llamada en la terminología anglosajona GUTD, GUTB y ahora SUTB (para atragantarse). En realidad, es tan antigua como el tractor mismo. Antes la aplicaba manualmente el tractorista y ahora, con los sistemas de ayuda a la conducción que equipan los tractores modernos.

Como primera medida, definirlo e intentar ponerlo en español: ahí es donde entra la CARABA, porque las designaciones anglosajonas y la posible versión española serían:

• GUTD: Gear up; throttle down
• GUTB: Gear up; throttle back
• SUTB: Shift up; throttle back
• CARABA: Cambio Arriba, Régimen ABAjo (subir marcha, bajar régimen)

La idea es buscar la marcha más larga y bajar el régimen de giro para conseguir el par necesario para la labor y la velocidad de avance que se quiere desarrollar.

En la terminología anglosajona, el matiz de pasar de Gear a Shift es muy interesante, porque pone en evidencia el concepto de 'cambio de relación de transmisión' no necesariamente asociado a engranajes. Es un comentario a los detalles que están ahí reflejando el paso del tiempo.

Para comprender la estrategia CARABA (SUTB), vamos a considerar, como se ha dicho, una situación de partida en un tractor de cambio escalonado y dos marchas bajo carga, corta y larga y posibles actuaciones y consecuencias al realizar distintas acciones. En la Figura 9 se han representado una serie de puntos de utilización que se pueden alcanzar en actuando de diferente manera.

En primer lugar, veamos dos estrategias incompletas, una cambiando de marcha sin tocar el régimen, y otra, bajar el régimen sin cambiar de marcha.

Condición inicial: El tractor trabaja con un determinado apero, denominado 'apero1', que demanda, por ejemplo, un 60% de la potencia del motor en la marcha corta a la velocidad V1. En el diagrama, está definido este punto de utilización inicial. Es el A1, al régimen nA y el par MA.

La pregunta es: si el agricultor ha oído que conviene buscar una marcha larga y, sin hacer ninguna otra acción, cambia bajo carga de la corta a la larga, ¿a qué punto del diagrama se irá?

Pensando…

Pensando…

¿Ya han tomado la decisión?

¿Cuántos se inclinan por el A2?

Sin embargo, no es el A2, porque en ese punto no ha cambiado de régimen y ha cambiado de marcha, pero el motor, que es muy listo, sabe que no es el A2, ya que en el punto A2 no llega a las ruedas el mismo par que en A1. El A2 representa el trabajo con un apero más pequeño que el del punto A1. Si los puntos A1 y A2 están en el mismo punto DEL MOTOR (A), el par en el motor es el mismo, pero en A1 la marcha es corta, así que la relación de transmisión es mayor que en la larga (punto A2). Por tanto, el par en las ruedas es menor en A2 que en A1, y el apero será más pequeño. La potencia desarrollada es la misma, pero ahora se hace menos fuerza a más velocidad, V2. Llamaremos 'apero 2' al del punto A2.

No es el A2, pero entonces, ¿cuál es?

Pues el A'2, al mismo régimen que A1, con la marcha larga y una velocidad V2 (Figura 10). El motor se ha dado cuenta de que tiene que proporcionar más par porque si se ha pasado a la marcha larga, se amplifica menos el par. El regulador, por tanto, reacciona y aumenta la inyección hasta proporcionar el par necesario para que llegue a las ruedas el mismo que antes. La potencia suministrada por el motor es mayor, puesto que en A’2 arrastra el mismo apero que en A1, pero a mayor velocidad. En cuanto al consumo, habría que hacer números. Y además, habría que considerar la capacidad de trabajo para llegar al consumo por hectárea, que es el que interesa.

Figura 10.- Respuesta a la acción de subir de marcha manteniendo el régimen.

La otra estrategia incompleta responde a la opinión generalizada de que, a menos régimen, menos consumo. Cierto… pero con condiciones. Sigamos pues con las preguntas.

Partiendo de nuevo del punto A1, ahora, el conductor baja el régimen sin cambiar de marcha.

El nuevo punto es…

No, no, el que haya caído en la tentación de decir el B3 que se arrepienta inmediatamente de su pecado. El B3 tiene menos régimen que el A1 y la misma marcha, así que la velocidad es V3, pero tampoco corresponde al mismo apero 1. ¿Por qué? Pues, precisamente, porque ambos puntos tienen la misma potencia y si el motor proporciona la misma potencia, pero la velocidad de avance es menor (V3), pues el apero tendrá que ser mayor (Apero 3). También se puede ver porque el par motor es mayor (MB > MA) y la relación de transmisión es la misma que en el punto A1, luego a las ruedas llega más par, así que el apero es mayor.

Entonces, si baja el régimen y no cambia de marcha con el apero 1 ¿a qué punto se va? Pues al B’3 (Figura 11), que manda a las ruedas el mismo par que A1, ya que en el motor es el mismo y se mantiene la marcha. No es un punto atractivo, porque baja la capacidad de trabajo, al ir más despacio y la utilización de la potencia es peor, ya que en B’3 la potencia es inferior, al llevar el mismo apero a menor velocidad.

Figura 11.- Respuesta a la acción de bajar el régimen manteniendo la marcha.

Como ejercicio práctico, en la Figura 12 se representan varios puntos posibles alrededor del A1 y en la tabla inferior las condiciones de trabajo en el motor y la transmisión.

Figura 12.- Puntos y condiciones de trabajo.

Si comparamos el punto A1 con el B4 en la Figura 12 se entiende perfectamente la estrategia CARABA (SUTB). Ambos desarrollan la misma potencia del motor, atienden al mismo apero y van a la misma velocidad. La capacidad de trabajo será la misma, pero no hace falta recurrir a datos numéricos para aceptar que el consumo específico del punto B4 será inferior al del A1. Como la potencia es la misma, el consumo horario de B4 será menor y el superficial, también.

Por tanto, la estrategia para conseguir una conducción eficiente, requiere de las dos acciones: Cambio arriba y régimen abajo (Figura 13).

Figura 13.- Respuesta a la acción conjunta de subir la marcha y bajar el régimen.

En la Figura 14 aparece un ejemplo de la metodología de ensayos SUTB-2 empleada en Nebraska, aplicada a una serie de ensayos realizados con un tractor Massey Ferguson 7616 Dyna-6. Los ensayos tuvieron lugar durante el verano de 2015 en la Estación de Mecánica Agrícola, del Ministerio de Agricultura, en el marco de la colaboración entre la Universidad y AGCO Iberia, que apoyaba la realización de la Tesis Doctoral del profesor Marcelo Farías, de la Universidad de Santa María (Rio Grande do Sur, Brasil). También se ensayó un tractor del mismo modelo, con transmisión continua Dyna-VT.

Con el tractor equipado con transmisión escalonada se hicieron ensayos en tres velocidades de avance, de 5,16; 7,29 y 10,48 km/h, con el acelerador a tope (FT) y otras dos posiciones del acelerador, aplicando la estrategia SUTB-1 y SUTB-2 (todavía no se había buscado un término en español), es decir, bajando una o dos marchas.

Con el acelerador a tope se consigue la velocidad V1 en la marcha 8(2B), la velocidad V2 en la marcha 10(2D) y la velocidad V3 en la marcha 14(3B).

En la estrategia SUTB-2, V1 se consigue a 1524 r/min en la marcha 10 (2D), V2 en la marcha 13(2F), a 1522 r/min y V3, en la marcha 16(3D), a 1524 r/min.

La estrategia STUB-1 sólo se aplicó a conseguir V2 en la marcha 11(2E), a 1824 r/min.

Figura 14.- Estrategias de conducción del tractor Massey Ferguson 7616 con transmisión Dyna-6. En la parte superior, diagrama n-Vt con las marchas correspondientes al intervalo 2-16 km/h, señalando las opciones para conseguir las 3 velocidades de ensayo establecidas con el acelerador a tope (FT) y en los valores que permiten aplicar la estrategia SUTB-2 y SUTB-1 (CARABA-2 Y CARABA-1).

Los ensayos con el carro dinamométrico de la Estación de Mecánica Agrícola fueron realizados con éxito y el doctorando —en la imagen junto a personal de la propia EMA y de la Universidad— sacó su título de doctor en Brasil.