Para que el automóvil con motor térmico inicie la marcha, suba pendientes, lleve carga o tenga que hacer esfuerzos adicionales a los necesarios para mantener la velocidad en llano, es preciso multiplicar el par generado por el motor, que además va aumentando desde ralentí al acelerar hasta más o menos medias RPM.
Para multiplicar el par motor se diseñó la caja de cambios, con varías secuencias de multiplicación que son las relaciones de transmisión o número de marchas.
Como al multiplicar el par se desmultiplica la velocidad de circulación, se han de ir insertando las diferentes relaciones para ir ganando velocidad hasta que el par motor en llano es capaz de mantenerla.
Para acoplar progresivamente el motor con la caja de cambios se utiliza en la caja de cambios manual el embrague, accionado por el conductor mediante su pedal.
En la conducción del automóvil una de las labores más repetitivas con tráfico denso es ir cambiando casi continuamente de relación de cambio, además de tener que reiniciar la marcha con frecuencia.
Estas acciones requieren pisar el pedal de embrague y tener tacto para evitar tirones y que no se cale el motor.
En vehículos con mucho par motor se añade que el esfuerzo que se ha de hacer sobre el pedal es elevado y llega a cansar si se ha de hacer con frecuencia, en automóviles también llega a ser pesado tener que ir actuando sobre el pedal de embrague.
Hay sistemas de accionamiento del embrague desde el pedal que reducen en parte el esfuerzo que se ha de hacer, pero si el par motor es elevado accionar el pedal seguirá necesitando fuerza que puede cansar en determinadas situaciones o conductores.
Con el fin de reducir el esfuerzo necesario para pisar el pedal de embrague se han ido diseñando tecnologías que desarrollan una fuerza adicional, son los sistemas de asistencia al pedal de embrague, que es el tema de este artículo.
No incluimos las cajas de cambios que permiten el paso automático las relaciones, sin pedal de embrague, hay diferentes tipos de los que hemos hablado en varios artículos.
Embrague monodisco en seco y accionamiento
Empezamos repasando esquemáticamente funcionamiento del embrague monodisco en seco.
Hay otros sistemas de embrague de los que ya ha hemos hablado:
- Vemos la imagen de un pickup con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera), esta implantación la seguiremos utilizando en los siguientes contenidos, en algunos con 4×4
- El cigüeñal mueve al volante motor, en este caso lo hemos representado bimasa, el más utilizado actualmente para absorber variaciones de par torsionales, que se generan por los elevados valores y el rápido ascenso del par motor al acelerar desde ralentí en los motores diésel (todos con turbocompresor), y también en los de gasolina sobrealimentados
- En la imagen se ve el volante motor bimasa como dos masas independientes unidas por sistemas de amortiguación torsional representados por muelles
- En la superficie opuesta al cigüeñal del volante motor asienta el disco de embrague cuando está el pedal libre, en su centro tiene un paso con acoplamiento estriado en el que engrana el árbol primario que lleva el par motor a la caja de cambios
- El disco de embrague tiene en sus dos lados cierto espesor de material de fricción para acoplar progresivamente con el volante motor, como se ha comentado por un lado, y por el otro lo vemos ahora
- Cuando los forros de fricción se desgastan el embrague patina y se ha de sustituir el disco antes de que provoque daños a los elementos sobre los que asienta
- Plato de presión; por el lado izquierdo (en la imagen) tiene una superficie plana y sobre esta asienta la otra parte del disco de embrague, la superficie de fricción, cuando está el pedal libre
- El plato de presión puede desplazarse al mover el pedal de embrague mediante el sistema de accionamiento
- El plato de presión cuenta con un sistema que con el pedal de embrague libre comprime con fuerza al disco de embrague, quedando acoplado al volante motor y transmitiendo el par a la caja de cambios, es la posición embragado (→), a la derecha de la imagen inferior
- Al pisar el pedal de embrague el sistema de accionamiento desplaza al plato de presión que hace separarse al disco de embrague del volante motor, no se transmite el par a la caja de cambios, es la posición desembragado (X), se ve en el centro de la imagen inferior
- La forma de generar la fuerza de empuje del plato de presión sobre el disco de embrague hace años que se hace por un resorte en forma de diafragma
- Cárter de embrague; está acoplado por un lado al motor y por el otro a la caja de cambios, en su interior están los componentes explicados del embrague, y al exterior sale el sistema de accionamiento que llega al pedal de embrague
Hemos explicado lo que será útil para lo que sigue sin entrar en detalles de otros complementos del embrague, si te interesa más información puedes ver el Módulo 8. Embrague y caja de cambios del curso “Introducción a la tecnología del automóvil” en el blog, además de los otros enlaces propuestos.
Asistencia al pedal de embrague neumática
Este sistema se basa en utilizar presión de aire, o depresión que es presión negativa, para complementar la fuerza que hace el conductor sobre el pedal de embrague:
- En la imagen de la izquierda está el pedal de embrague libre, desembragado, se ven estos elementos y así funciona
- En el sistema de accionamiento desde el pedal acopla otro elemento de empuje de asistencia que viene de un pistón en el interior de un cilindro
- En el lado opuesto a este hay una cámara de aire, con una válvula de paso que en este caso está cerrada
- En esta posición la presión de aire de la bomba no empuja al pistón mantenido en reposo por un muelle
- En la imagen de la derecha se ve este sistema con el pedal de embrague pisado, desembragado
- Cuando se pisa el pedal de embrague la válvula de presión de aire abre, haciendo que la presión empuje al pistón y este al elemento de empuje de asistencia que articula con el pedal
- El resultado es que se suma a la fuerza que hace el conductor sobre el pedal de embrague la del elemento de empuje de asistencia accionado por la presión de aire, que es superior a la fuerza del conductor, reduciendo la que este ha de hacer
En los camiones con circuito neumático de frenos (por presión de aire) se utiliza el aire a presión como asistencia el pedal de embrague si se necesita.
En vehículos con circuitos hidráulicos de frenos este sistema de asistencia funciona por depresión, presión negativa, es similar al servofreno habitual en estos vehículos.
Una bomba de vacío produce la depresión que se utiliza para mover el pedal de embrague al ser pisado, después se ve una implantación así.
Asistencia al pedal de embrague eléctrica
Vemos ahora otra forma de reducir el esfuerzo del conductor sobre el pedal de embrague:
- El sistema de accionamiento desde el pedal del embrague es también ayudado por un empujador de asistencia
- Este empujador forma parte de una “cremallera”, una barra o eje dentado, y se desplazan ambos conjuntamente
- En la imagen de la izquierda están en reposo al no haberse pisado el pedal de embrague
- En la cremallera engrana un piñón accionado por un motor eléctrico Me
- Este motor eléctrico Me está controlado por un calculador electrónico que recibe información de la posición del pedal de embrague por su sensor que lo analiza
- Además de la posición del pedal informa de como se desplaza, rápido, lento … es decir como lo acciona el conductor
- En la imagen de la derecha el conductor ha pisado el pedal de embrague y esto es lo que sucede
- El sensor de posición informa al control electrónico
- Este hace girar al motor eléctrico según la demanda de movimiento
- El engranaje del motor eléctrico desplaza la cremallera hacia la derecha a la vez que al empujador de asistencia
- El resultado es que se suman las fuerzas del empujador de asistencia y del conductor, necesitando bastante menos esfuerzo de este
- El objetivo es que la fuerza necesaria del conductor al pisar el embrague sea reducida, que puede aumentar si es necesario informarle de una actuación incorrecta o si hay fallo de funcionamiento, que podría ser indicado por un testigo en el cuadro, que no se incluye
Pedal de embrague electrónico eClutch
Es un paso más en el control electrónico, se mantiene el pedal pero no tiene sistema de accionamiento del embrague:
- Un sensor de posición y velocidad de actuación del pedal de embrague informa al control electrónico
- Este controla al funcionamiento de un motor eléctrico Me con un piñón que engrana con una cremallera
- La cremallera está asociada al empujador de accionamiento del embrague
- En la imagen de la izquierda está el pedal de embrague libre y está el sistema en reposo
- La imagen de la derecha le representa en funcionamiento
- Pisa el conductor el pedal de embrague
- El desplazamiento es detectado por el sensor de información del pedal y lo transmite al control electrónico …
- … que hace girar al motor eléctrico para que la cremallera y el empujador actúen sobre el plato de presión como ha demandado el movimiento del pedal
- Cuando actúa el sistema de pedal de embrague electrónico lo hace con la progresividad más adecuada, aunque el movimiento del pedal accionado por el conductor sea más brusca, para evitar tirones
- También evita que el motor se cale por falta de aceleración accionando la separación del plato de presión o acoplándolo más suavemente, aunque implique cierto patinamiento adicional
- Con este sistema se puede circular “a vela”, lo que reduce el consumo de combustible
- En llano a velocidad mantenida, y en determinadas condiciones de marcha, el sistema desembraga a la vez que el control electrónico del motor lo para
- En cuanto el conductor acelere, pise el embrague o frene pone en marcha el motor y acopla el embrague
- Este sistema colabora con el “stop & start” para reducir el consumo de combustible en tráfico denso
En frenada de emergencia se ha de pisar el pedal de embrague para reducir la distancia de parada y mantener en marcha el motor, este sistema lo hace en esta situación si no lo realiza el conductor.
El sistema que se ha representado es mediante motor eléctrico y control electrónico, manteniendo este el accionamiento puede ser electrohidráulico.
Sistemas de accionamiento asistido del pedal de embrague
Vamos a representar imágenes con posibles implantaciones de los sistemas de asistencia al pedal de embrague que se han explicado, en vehículos en los que más pueden aportar por la utilización y enfoques previstos.
Pedal de embrague sin asistencia
- Es el sistema tradicional y así comenzó a desarrollarse la transmisión del automóvil
Pedal de embrague con asistencia neumática
- Se ha explicado que la fuerza de asistencia se obtiene de presión de aire, que puede ser positiva o negativa, en este caso es depresión
- Lo vemos en un vehículo para todoterreno extremo en el que el accionamiento del embrague sin asistencia es muy duro
- Asistencia neumática del pedal de embrague por presión de aire (dos imágenes superiores a la derecha); se ven las dos posiciones de desembragado y embragado
- Este sistema es el adecuado si en este vehículo el sistema de frenos fuese neumático, por presión de aire, pues se basa en añadir una función más al sistema
- Asistencia neumática del pedal de embrague por depresión de aire (dos imágenes inferiores a la derecha); en este caso al ser depresión el sistema funciona a la inversa, tirando por succión del pistón mediante un diafragma para aumentar la fuerza de empuje, es similar a un servofreno por depresión
- Para el funcionamiento se requiere de una bomba de depresión o vacío, accionada por el motor
- Este sistema de asistencia al pedal de embrague se utiliza en vehículos con circuitos hidráulicos de frenos
- Hay otra aplicación de sistemas de asistencia del pedal de embrague como este por depresión en automóviles, es para facilitar el accionamiento del embrague a personas con alguna discapacidad funcional, incluso se puede hacer en vez de mediante el pedal de embrague, o además de por este, con una palanca adicional situada donde mejor se adapte a la persona
Pedal de embrague electrónico eClutch
Proponemos dos implantaciones para estas soluciones de accionamiento del pedal de embrague, que imaginamos aplicadas sobre un todoterreno y un pickup.
En ambos casos damos por hecho que su elevado par motor supone accionamiento duro del pedal de embrague y que vamos a tratar de aligerar.
Pedal de embrague con asistencia eléctrica
- Se representan los elementos que se han explicado en posición de pedal libre, embragado
- Cuando el conductor accione el pedal la fuerza requerida es reducida por la ayuda del motor eléctrico lo que le permite concentrase en la conducción, que puede ser por zonas difíciles en las que un pedal de embrague suave aporta ventajas de control y disminuye la fatiga y cansancio
- Este sistema puede ser equipo de serie o añadirse después. En este caso su función puede ser permanente o controlada por un mando
- Es un posible acoplamiento para adaptar vehículos y ser conducidos por personas con alguna discapacidad funcional
Pedal de embrague electrónico (eClutch)
- Ya lo hemos visto, se prescinde de conexión entre el pedal y el accionamiento directo del embrague
- El pedal informa de sus movimientos y posición para que el motor eléctrico haga las funciones de desembrague y embrague, gobernado por el control electrónico
- Cuenta con la aportaciones añadidas que se han citado; como que no se cale el motor, posibilidad de circular “a vela” con caja de cambios manual, aumenta la versatilidad del “stop & start” …
Ha habido algunos sistemas de embrague pilotado o automático en caja de cambios manual, hay embrague pero sin pedal, este es controlado electrónicamente al mover la palanca de cambios, acelerar o frenar.
No tuvieron mucho éxito; recuerdo el Saab Sensonic y el Renault Twingo Easy.
El embrague de accionamiento automático, sin pedal, se sigue utilizando en las cajas de cambio pilotadas (un embrague) o automatizadas (dos embrague en seco o multidisco en baño de aceite)
Recientemente Kia, también Hyundai su casa matriz, utilizan el sistema de pedal de embrague electrónico en caja de cambios manual, y funciona como se ha explicado.
Tiene la particularidad de que los modelos que lo montan disponen del sistema de asistencia híbrida (”mild hybrid”), un alterno–arranque ayuda al motor térmico al iniciar la marcha y en aceleraciones.
Le alimenta una batería específica de iones de litio de 48V y con la colaboración del pedal de embrague electrónico se logra reducir más el consumo.
Durante el tiempo que le quede al motor térmico, pues su inevitable emisión de CO2 le llevará a desaparecer, veremos cada vez más cajas de cambio automáticas, automatizadas o CVT, y evoluciones sobre las manuales como la que hemos comentado.
Pero hay algo interesante sobre las cajas de cambio, con propulsión eléctrica, ya sea con baterías o pila de combustible de hidrógeno, si se ha de mover un vehículo pesado puede ser conveniente contar con caja de cambios para reducir la fatiga de aportación de electricidad.
En automóviles probablemente no sea necesario al no requerir tanto para motor, pero también tendría su aplicación para poder disponer de más versatilidad de uso y prestaciones.
Sea lo que sea lo iremos viendo y contando.
