Análisis Técnico – Par motor – Torque

torquemap

La potencia es la velocidad con la que un trabajo se realiza, es decir, la tasa de transferencia de energía por una fuerza. La fuerza de rotación generada por un motor (por el cual se transfiere la energía) se denomina par motor.

RPM es el acrónimo de “rotación por minuto”. Es la velocidad a la que el motor mueve el volante de inercia o el volante motor.

Los motores de combustión interna (ICE) no producen el mismo impulso a diferentes velocidades, por tanto, no habría unas revoluciones por minuto máximas a las que el motor generaría la potencia máxima. Ocurre lo mismo con el par.

Una de las características de los motores de combustión es que proporcionan la máxima potencia con un par menor, a diferencia de un par mucho más alto.

Es decir, la potencia es la cantidad de energía que un motor puede transferir en el tiempo, mientras que el par es la capacidad de carga. De este modo, todo depende de lo que el usuario necesite. Si se requiere mayor aceleración, se necesita mayor potencia. Sin embargo, a mayor carga, mayor par motor.

Las revoluciones por minuto señala a qué rpm el propulsor puede proporcionar mayor potencia o mayor par. Los coches de gasolina tienen una mayor entrega de potencia, mientras que, a su vez, los de gasoleo tienen un mejor par motor.

Para aceleraciones, se precisa de potencia y par. Esto se traduce en que el par es la velocidad a la que el motor produce energía. Cabe recordar que la aceleración es la tasa de cambios de velocidad, por lo que urge vencer la resistencia para lograr mantener una velocidad (la fricción de la carrertera, el drag, y la fricción de las partes móviles del coche).

Normalmente, las RPM entre el par máximo y la máxima potencia marca el límite entre conducir y pilotar.

El par de giro indica cuánta fuerza hace falta para hacer voltear un objeto que se opone a hacerlo. Este objeto rota alrededor de un eje, llamado punto de giro (punto ‘O’). La distancia entre este eje de giro y el punto donde la fuerza (‘F’) actúa, se denomina momento (‘r’). Este momento, que también es un vector, referencia al eje de rotación donde la actúa la fuerza.

Por ejemplo, se genera un par cada vez que se aplica una fuerza con una llave inglesa para apretar la tuerca de una rueda. Al usar esta llave, se aplica una fuerza al mango. Esta fuerza crea un par sobre la tuerca que obliga a girar a la tuerca.

torque

El momento depende de una distancia y una fuerza. Para calcular el par motor, habría que multiplicar la fuerza por la distancia desde el centro. En el caso de la tuerca de seguridad de una rueda, si la llave inglesa tiene una longitud de 30 centímetros y se ejercen 900 Newtons de fuerza, se producen 27,65 kilogramos por metro, es decir, como mover una masa de 27,65 kg sujeto a un eje cuyo centro está a un metro de distancia. Si se empleara una llave del doble de longitud, habría que generar una fuerza de 450 Newtons para generar el mismo par (esfuerzo), suponiendo que todo está en línea recta.

El propulsor de un coche origina un par de torsión que emplea para hacer rotar el cigüeñal. Este par se genera exactamente de la misma forma, es decir, una fuerza aplicada a distancia. Echémosle un vistazo a algunas partes del interior de un motor:

G_7ht3

La combustión de gas en el cilindro crea una presión contra el pistón. Esta presión forma una fuerza contra la cabeza del pistón que lo impulsa hacia abajo. La fuerza es transmitida desde el pistón hasta la biela, y de la biela al cigüeñal.

torque_motor

Cabe reseñar que existe una distancia entre la conexión del del cigüeñal con la biela y el centro del eje. La distancia horizontal varía cuando el cigüeñal gira, de manera que el par motor también varía, ya que el par es fuerza multiplicada por distancia.

A todo esto se genera la duda de por qué tiene importancia la distancia horizontal a la hora de determinar el par motor. Cuando el punto de conexión está en su punto álgido o más bajo con respecto al centro del eje del cigüeñal, no se produce par, ya que la fuerza únicamente actúa en una dirección perpendicular a la palanca.

De la misma forma funciona un motor de rotación Wankel (utiliza rotores en lugar de pistones). En la imagen se puede observar cómo la biela está conectado al eje central. A medida que el ángulo va permutando, el par también lo hace, pero rara vez ocurre que la biela apunte directamente hacia el centro del cigüeñal. En el motor Wankel se origina en la tercera rotación, mientras que en el motor de pistones cada dos. Por tanto el motor de rotores tiene mejor par que el propulsor de pistones.

wankel

En física, el par es un pseudovector que calcula la tendencia que tiene una fuerza de voltear un objeto sobre un eje.

Al par se le denomina momento o momento de una fuerza, el cual no debe ser malinterpretado con las distintas definiciones de ‘momento’ en física. En el contexto de la ingeniería mecánica, el término ‘momento’ y ‘par’ no son, necesariamente, intercambiables, es decir, cada uno se refiere a un campo específico.

El par se utiliza para describir la fuerza rotacional utilizada en una lleva inglesa, mientras que el momento se emplea para ilustrar la fuerza de flexión en una viga.

La magnitud del par de torsión depende de tres unidades: la fuerza aplicada, la longitud del brazo que conecta el eje con el punto de fuerza y el ángulo entre estos dos.

torque_f_2

Donde,

torque_vectores el vector del par, donde torque_1 es la magnitud del par de giro.
torque_lever_arm_vectores el vector de la longitud de la palanca, siendo ‘r’ la longitud de la palanca.
torque_force_vectores el vector de la fuerza, donde F es la fuerza aplicada.
torque_anglees el ángulo que forma la palanca con la fuerza.

La longitud del brazo de la palanca es particularmente importante, ya que elegir la distancia apropiadamente puede aportar una ventaja mecánica frente al mecanismo de poleas, engranaje y palancas en un motor.

La dirección de la fuerza del par de torsión se puede calcular simplemente gracias a la regla de la mano derecha:

image001Los 4 dedos que se van cerrando indican el sentido del giro, mientras que el pulgar señala el eje de rotación y la dirección hacia la que va la fuerza del par motor.

El par es una parte básica en las especificaciones de un propulsor: la potencia de salida de un motor expresado como la multiplicación de su par multiplicado por su velocidad de rotación del eje. Los motores de combustión interna producen par útil sólo en un intervalo limitado de velocidades de giro (típicamente alrededor de 2.000-5.000 rpm para un coche pequeño).

El par de salida que difiere dentro de ese intervalo se puede medir con un dinamómetro y se muestra en una curva de par. El pico de dicha curva se forma algo por debajo del pico de potencia total. El par máximo no puede, por definición, aparecer a más altas rpm que el pico de potencia.

Comprender la relación entre el par, la potencia y la velocidad del motor es un aspecto vital en la ingeniería de la automoción, ya que la transmisión de la energía generada por estas propiedades a las ruedas es esencial para aprovechar al máximo las características de cada propulsor.

Normalmente la curva del par de un motor turbo experimenta una fuerte subida quedando estable cerca del régimen máximo. Sin embargo, un motor atmosférico funciona de una forma bien diferente, así como comienza con un par bajo a bajas revoluciones ascendiendo al pico de máximo par a máximas revoluciones para luego caer drásticamente.

2014powercurve

Par motor en comparación con la potencia de un motor V6 híbrido de F1 2014

El área bajo de la curva del par de un turbo es mucho mayor que la de un atmosférico. De este modo, si se dobla el par motor, la aceleración también será el doble, no haciendo falta la caja de cambios. Por tanto, un mayor número de engranajes en la caja de cambios permite mantener el motor más tiempo dentro del pico de máximo par, mientras que el atmoférico necesita una mayor revolución para tener más potencia.

Si a la fuerza se le permite actuar a distancia, realiza un trabajo mecánico. Del mismo modo, si el par trabaja en una distancia rotacional (varía al rotar) también realiza un trabajo. La potencia es el trabajo por unidad de tiempo. No obstante, el tiempo y la distancia rotacional están relacionados por la velocidad angular donde cada revolución que resulta en la circunferencia del círculo está recorrida por la fuerza que genera el par de torsión.

Así pues, la potencia inyectada por la aplicación de un par puede ser calculada como:

Potencia = par x velocidad angular

De esto se puede deducir que el par de giro y la potencia están directamente relacionados. La potencia es aplicar durante cierto tiempo una cierta cantidad de par.

Para diferentes unidades de medida, el par o la velocidad angular, han de aplicarse factores de conversión en la ecuación. En el caso de la velocidad angular (radianes por un cierto tiempo) se puede cambiar por la velocidad de rotación (revolución durante un determinado tiempo) multiplicándolo simplemente por 2π.

Potencia = par x 2π x velocidad de rotación

En Fórmula 1, los ingenieros tienden a mapear el nivel del par motor para los diferentes circuitos, zonas o diferentes condiciones de pista. Los mapas motor son una de las artes oscuras de la Fórmula Uno. Por ejemplo, no existe un mapa motor con un par alto para condiciones de lluvia. Un mapa motor para el par, representa el par suministrado por el motor en función de la velocidad del propulsor y la posición del acelerador.

En la ECU, el mapa motor se emplea para colocar el acelerador del motor dependiendo de la demanda del piloto. La FIA introdujo limitaciones de cómo controlar el par mediante los mapas motor en los Artículos 5.5 y 5.6 de las regulaciones técnicas.

Salvo excepciones, gran parte de la responsabilidad de par motor debe ser controlado únicamente por el piloto. Cambios descendentes, limitador del pit-lane y la función anticalado son algunas de las restricciones que se ejecutan en un mapa motor, pero existen muchas más.

El piloto puede controlar la entrega de potencia mediante el pedal del acelerador. Sin pisar el pedal, la demanda de par debe ser menor o igual a cero, mientras que con el pie a fondo, la exigencia del motor ha de ser del 100% (Artículo 5.5.3).

Los mapas motor también se ajustan teniendo en cuenta las condiciones ambientales. Los propulsores entregarán más impulso en un día frío en Silverstone que en las bajas presiones de Interlagos o en Malasia, con su altísima humedad.Además, también depende de las salidas del tubo de escape y de las entradas de refrigeración.

Los propulsores de vapor y motores eléctricos (especialmente los motores de corriente continua) tienden a producir el par máximo cercanas las cero revoluciones, a medida que va aumentando la velocidad de rotación.

Fuente: formula1-dictionary, car bibles, google

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