La caja de cambios tiene mucha influencia en el consumo de combustible en un motor térmico, según el número de marchas y los desarrollos de transmisión, y por supuesto la forma de conducir.
La caja de cambios automática con su tecnología original de convertidor de par sustituyendo al embrague, ha tenido fama de consumir más que la manual; esto era verdad hace muchos años pero actualmente podemos asegurar que consume menos.
Para poder razonarlo vamos a explicar varios conceptos y temas antes; mínimo consumo y como se logra, par y potencia (con sus curvas), rendimiento y consumo específico (y su curva), además de los diferentes tipos de caja de cambios; manual, automática con convertidor de par, automatizada y transmisión de variador continuo CVT.
Si te quieres saltar estas introducciones e ir directamente a las conclusiones empieza por la diapositiva 5, podrás volver para aclarar algo que te interese o consultar con los enlaces propuestos.
Par, potencia, rendimiento (consumo específico) y mínimo consumo
Vemos en la imagen un motor térmico en fase de explosión, con la fuerza de esta incidiendo sobre el pistón, un cuenta RPM con tres zonas, bajas, medias y altas RPM, y un diagrama con tres curvas; par motor, potencia y rendimiento que se mide por el consumo específico:
- El par es la fuerza que desarrolla el motor; la fuerza de la explosión que empuja al pistón se transmite por la biela al codo del cigüeñal haciéndole girar, lo que genera el par motor y esta es la fórmula que da su valor:
- Par = F (Fuerza de la explosión) X D (Distancia que es la mitad de la carrera)
- La fuerza de mide en kilogramos (Kg) o newton (N)
- La distancia se mide en metros (m)
- El valor del par motor se da en kilogramos por metro (kgm) o newton por metro (Nm)
- El par es la “fuerza” de que dispone el automóvil para su desplazamiento; al acelerar a las RPM de par máximo se obtiene la mejor respuesta del motor
- La curva de par en el motor térmico aumenta al acelerar desde ralentí por la mejora del llenado, hasta llegar al valor máximo y comenzar a descender
- Ya cerca de altas RPM (según el motor) se produce una brusca caída del par
- La potencia aporta aceleración y velocidad, y depende del par motor y RPM, esta es su fórmula:
- Potencia = Par X RPM
- El par se da en kgm o Nm
- Las RPM son las revoluciones por minuto de giro del motor
- Hay un factor más para obtener la potencia en las unidades que se quiera, caballos de vapor (CV) o kilovatios (kW), en función de las que se han utilizado para el par, kgm o Nm
- En concepto la potencia es función del par y las RPM
- Mejor aceleración y velocidad cuanto más cerca de las RPM de potencia máxima funcione el motor térmico
- Al depender la potencia del par y las RPM va aumentado desde ralentí al acelerar, y lo sigue haciendo al superar las RPM de par máximo hasta llegar a las que el par cae bruscamente, estas son las RPM de potencia máxima
- Lo que se ha explicado de las curvas de par y potencia es referente al funcionamiento genérico del motor térmico, con sistemas electrónicos de control de diferentes sistemas de su funcionamiento intervienen otros factores, que alteran las formas y valores de las curvas de par y potencia, entre otros estos son algunos de estos sistemas; distribución de fase variable, admisión variable, inyección electrónica (y encendido en gasolina), sobrealimentación variable con control electrónico …
- El rendimiento del motor térmico relaciona el consumo con la potencia obtenida en función del tiempo y se representa por la curva del consumo específico Ce y esta es su fórmula:
- Ce = Grs X Unidad de potencia X H (tiempo)
- Grs son los gramos de combustible consumido
- Unidad de potencia es 1 CV o kW
- H es una hora transcurrida
- Las RPM de mejor rendimiento, menor consumo específico Ce, coinciden con las de par máximo
- Mínimo consumo de combustible, es cuando el valor obtenido es el menor posible:
- Se obtiene circulando en la relación de cambio más larga a las RPM más bajas que admita el motor térmico
- Es consumo es el menor posible pero el rendimiento (consumo específico) es peor, pues la potencia que se genera es escasa.
Motores térmicos con diferente rendimiento (consumo específico)
Vamos a ver tres motores térmicos diferentes en función de las RPM donde se obtienen los valores máximos de par y potencia resaltando las formas de sus curvas, y también se representa la curva de rendimiento con las RPM del mejor resultado del consumo específico Ce.
Para hacer más didácticas las comparaciones, se indican las RPM no por valores sino por zonas, bajas, medias y altas.
Los tres motores térmicos corresponden a los genéricos para tipos de utilizaciones determinadas.
En los tres casos el menor consumo específico Ce en la curva de rendimiento está en el entorno de las RPM de par máximo.
Motor térmico 1:
- Con los valores de par y potencia máximos están por debajo de las zonas medias y altas de RPM se diseña para ofrecer buenos valores de par desde bajas RPM y lograr menos consumo y más duración del motor, es el caso de automóviles de uso urbano, menos consumo sin elevadas prestaciones, y camiones o autobuses, con motores grandes (mucho par) que han de funcionar a bajas RPM para prolongar su duración debido a la gran carrera del pistón en los cilindros
Motor térmico 2:
- Los valores de par y potencia máximos coinciden con las zonas media y alta de RPM
- Como el par aporta la fuerza que se traduce en la mejor respuesta del motor al acelerar, al estar a medias RPM, que es como lleva más tiempo el motor un conductor medio, le ofrece un buen equilibrio entre prestaciones y consumo
Motor térmico 3:
- Los valores máximos de par y potencia superan en ambos casos respectivamente las RPM medias y altas
- El comportamiento de este motor térmico es que a bajas y medias RPM la respuesta no es contundente, pero al subir más de régimen es cuando empieza a empujar con energía.
- Es el motor térmico de un automóvil prestacional o deportivo
En los tres motores térmicos el menor consumo se obtiene las RPM más bajas que admita el motor en la relación de cambio más larga.
Como se ha comentado, antes, con las tecnologías que permiten hacer más plana la curva de par la respuesta desde bajas RPM en estos tres motores térmicos seria mejor, pero el menor consumo será tal como lo hemos explicado; menos RPM en la relación más larga.
Mínimo consumo de combustible en coche con motor térmico y caja de cambios manual
Hay tres estilos de conducir un mismo automóvil, aunque el par y potencia máximos estén en diferentes zonas de RPM; económica (bajo consumo), de alto rendimiento (equilibrio prestaciones y consumo) o prestacional (aceleración y velocidad).
Además de estas tres formas de utilización de un mismo motor térmico hay otra, que es circular en busca del mínimo consumo posible, lo que implica ciertas particularidades, pues esta forma de conducir exige mucha atención y cambios de relación de caja de cambios, además de no ser adecuada por carretera o autopista, se explica en la diapositiva.
En este enlace puedes ver con más detalle como identificar las mínimas RPM utilizables del motor térmico según sus desarrollos de transmisión.
Conducción de mínimo consumo con caja manual (seis relaciones); conductor experto y medio
Vemos en las imágenes el puesto del conductor con el cuadro de instrumentos resaltando el velocímetro y cuenta RPM, también está la palanca de cambios:
- Se incluyen los desarrollos de transmisión; velocidad en km/h a 1.000 RPM en cada una de las seis relaciones; se representan seis situaciones
- Las RPM mínimas utilizable en este motor térmico son 1.300, y se indican los km/h en cada relación a estas RPM
- 1ª relación; se circula a 10 km/h (1.300 RPM) y se sube a 21 km/h antes de pasar a 2ª para que entre a las 1.300 RPM mínimas
- 2ª relación; se circula a 21 km/h (1.300 RPM) y se sube a 32 km/h antes de pasar a 3ª para que entre a las 1.300 RPM mínimas
- 3ª relación; se circula a 32 km/h (1.300 RPM) y se sube a 42 km/h antes de pasar a 4ª para que entre a las 1.300 RPM mínimas
- 4ª relación; se circula a 42 km/h (1.300 RPM) y se sube a 52 km/h antes de pasar a 5ª para que entre a las 1.300 RPM mínimas
- 5ª relación; se circula a 52 km/h (1.300 RPM) y se sube a 63 km/h antes de pasar a 6ª para que entre a las 1.300 RPM mínimas
- 6ª relación; se circula a 63 km/h (1.300 RPM) y al ser la última relación se mantiene esta velocidad para circular con el mínimo consumo. Es una velocidad demasiado baja para carretera o autopista
- Para un conductor experto esta forma de conducir le es posible, aunque exige mucha atención y frecuentes cambios de relación si la velocidad de marcha es variable
- En carretera o autopista irá más rápido para no estorbar en el tráfico
- En el caso de un conductor medio, puede que tanta atención y maniobras de cambio de marcha le suponga esfuerzo, cierta ansiedad y aprecie menos lo que sucede en el entorno, lo que puede afectar a la seguridad de circulación
- Además, ha de ser consciente de que esta forma de conducir no es válida en recorridos interurbanos en los que se va a más velocidad
Cajas de cambios manual y automática de los años 1960
Si has tenido interés en leer lo anterior, o ya lo sabías, estás en buena situación para seguir, pues ahora entramos en el contenido central del artículo, y empezamos por cajas de cambio de hace muchos años; manual de cuatro relaciones y automática con convertidor de par de tres y engranajes epicicloidales e inserción de las relaciones con discos en baño de aceite mediante “embragues” y “frenos”.
Al principio incluimos un enlace para ver los tipos de caja de cambios.
Vemos el coche con caja de cambios manual de cuatro relaciones (y marcha atrás) y embrague (es la silueta de un Mercedes 180):
- Si el conductor busca el mínimo consumo ha de haber identificado las RPM mínimas utilizables del motor térmico, y conducir como ya se ha explicado, menos en carretera o autopista por la baja velocidad
Coche con caja de cambios automática de tres relaciones con convertidor de par (es la silueta de un Cadillc Fleetwood):
- Las posiciones de la palanca de esta caja automática son estas;
- P “parking”; aparcamiento, las ruedas motrices quedan bloqueadas
- R “reverse”; marcha atrás
- N “neutral”; punto muerto
- D “drive”; automático hacia adelante, se van insertando sin que intervenga el conductor las tres relaciones según como actúe sobre el acelerador y velocidad de marcha
- 2; el funcionamiento es automático hasta 2ª, no interviene la 3ª
- 1 es “1ª impuesta”; se circula en 1ª solamente
- 2 y 1 son posiciones para contar principalmente con retención motor térmico en descensos
- Incluimos el convertidor de par al ser el primer sistema utilizado en caja de cambios con paso de relaciones sin que lo haga el conductor, luego ha habido otras que citaremos
- El convertidor de par sustituye al embrague, y consiste en dos turbinas en un cárter con aceite a presión, una turbina es movida por el motor térmico que arrastra a la otra y que hace girar a la caja de cambios
- Entre ambas turbinas hay otra cuya función es guiar los flujos de aceite con el objetivo de multiplicar el par motor térmico a bajas RPM
- Esta multiplicación del par a bajas RPM permite que sea como una primera relación, conceptualmente, de forma que la 1ª real es más larga
- Al trabajar el convertidor de par hay un patinamiento, gira a más RPM la turbina motor térmico que la de caja de cambios, lo que implica un incremento de consumo, más apreciable a bajas RPM al ser cuando el patinamiento del convertidor es mayor
- Además, al estar el automóvil parado con la palanca en D, el convertidor arrastra al automóvil para que avance, y se evita pisando el pedal de freno, más consumo
Las dos principales causas del mayor consumo de combustible de esta caja automática comparada con la manual son; patinamiento del convertidor, sobre toda bajas RPM, que es cuando se podría obtener menos consumo, y el efecto arrastre en parado que obliga a pisar el freno para que no se mueva el coche.
Hay otra razón más, el control hidráulico del paso de relaciones en D es lento de respuesta lo que demora los cambios de marcha, y la respuesta ante actuaciones sobre le acelerador.
Por seguridad se incluye un sistema que actúa si se acelera a fondo, “kick down” que reduce de relación para aportar mejor respuesta del motor térmico.
Por todo esto no será posible circular a las RPM más bajas que admita el motor térmico.
Cajas de cambios manual y automática actuales
Vemos un coche con caja manual y embrague de seis relaciones, lo más habitual, pues las hay de siete en automóviles con enfoques prestacionales o deportivos en formato coupé o cabrio.
Con caja de cambios automática, tiene ocho relaciones y convertidor de par.
Veamos porque con estas cajas de cambio puede consumir menos la caja automática que la manual.
Caja de cambios manual de seis relaciones (es la silueta de un Mercedes clase C):
- Con más número de relaciones se puede mantener mejor el motor térmico a las RPM de mínimo consumo, pero requiere continua atención del conductor y frecuentes cambios de marcha si el trafico es variable
- En carretera o autopista se ha de circular de forma que no se estorbe a los demás vehículos por lo que habrá que ir a RPM algo más altas, en el entorno de mejor rendimiento
Caja de cambios automática con convertidor de par de ocho relaciones (es la silueta de un BMW serie 3):
- Las posiciones de la palanca de cambios son, además de las ya explicadas; P aparcamiento, R marcha atrás, N punto muerto y D automático hacia adelante
- S “sport” se hacen los cambios automáticos a más RPM en subida y bajada de relaciones
- + y – son para subir o bajar una relación. Se puede disponer de estos mandos también junto al volante de dirección
Hay varias razones para que el consumo de combustible sea menor que con caja manual, si no es conducido este coche por un experto, son estas:
- El control electrónico de los sistemas hidráulicos tienen extrema precisión y rapidez en los cambios de marcha y detección de las actuaciones sobre los pedales y palanca
- También conoce las RPM de par, potencia, consumo específico y mínimo utilizable del motor térmico
- Además, en función de la posición del acelerador y respuesta del motor térmico deduce si hace falta más par, potencia o se está en subida, bajada o el peso del automóvil
- Con estos datos complementa sus respuestas para seguir fielmente los movimientos del acelerador
- Con ocho relaciones es más fácil que en todas las situaciones de circulación sea posible mantener al motor térmico a las RPM más adecuadas, según la actuación del conductor sobre el acelerador, que no tiene que hacer los cambios por lo que no afecta a su atención ni cansancio
- Tras cambiar de relación hay un sistema que bloquea el patinamiento del convertidor lo que reduce el consumo
- En paradas con el motor térmico en marcha y la palanca en D otro sistema evita el efecto arrastre, lo que también reduce el consumo
- Estas cajas automáticas evolucionadas van a actuar siguiendo con extrema precisión lo que hace el conductor con el pedal del acelerador, sí lo acciona suavemente y con poco recorrido interpretará que se busca el menor consumo posible e irá insertando las relaciones para mantener las RPM del motor térmico lo más próximas al mínimo utilizable
Incluso para un conductor experto le será más fácil lograr mejores consumos de combustible con este coche automático al no requerir tanto esfuerzo de atención y cambios de marcha.
Se puede lograr reducir más el consumo con “conducción a vela”, separando el motor térmico de la caja automática en determinadas condiciones de circulación, pudiendo incluso parar el motor, para arrancarle de nuevo y conectarle con la caja sin intervención del conductor.
Como curiosidad adicional puedes ver este enlace, marcas en el velocímetro y caja automática.
Otras cajas de cambio con paso automático de las relaciones
Hay otras tecnologías de caja de cambios con paso automático de las relaciones hacia adelante, incluso con bastantes años, pero sin haber tenido en sus inicios tanta difusión como la caja automática con convertidor, engranajes epicicloidales e inserción de las marchas por “embragues” y “frenos” mediante discos en aceite.
Vamos a ver dos que han tenido continuidad y evolución; automatizada y transmisión de variación continua CVT.
Caja de cambios automatizada (es la silueta de un Porsche Panamera):
- Con la tecnología de la caja manual de inserción de relaciones mediante sincronizadores, se hace que el mando para los cambios sea automatizado con sistemas electrohidráulicos y control electrónico
- Las posiciones de la palanca de cambios ya las conocemos; P aparcamiento, R marcha atrás, N punto muerto, D automático, S programa deportivo o prestacional, + y – para subir o bajar de relación
- Se utilizan dos embragues, en seco o baño de aceite, uno para las relaciones impares y otro para las pares y marcha atrás, estos embragues son accionados por el control electrónico y no hay pedal
- El coche que vemos tiene caja automatizada de dos embragues en baño de aceite y seis relaciones. Las hay de siete e incluso ocho
- El control electrónico permite adaptar con máxima precisión las secuencias de paso de las relaciones con la palanca en D, según actuaciones del acelerador, además los embragues no tiene patinamiento adicional por lo que se logrará con cualquier conductor buenos valores de consumo, incluso mínimos si se acelera muy suavemente, sabiendo que en carretera o autopista la velocidad sería demasiado baja
Ha habido cajas de cambios pilotadas, similares a la explicada pero con un embrague en seco y sin pedal, su funcionamiento es más lento y menos eficiente para el consumo.
Transmisión de variador continuo CVT (es la silueta de un Subaru Outlook):
- Como su nombre indica no hay cambio de relación, sino un paso de la más corta a la más larga de forma continua
- Se hace al variar el diámetro de asentamiento de una (o más) correa de transmisión en dos conjuntos de poleas, unas movidas por el motor y otras que van a las ruedas motrices
- Al acercarse unas poleas y separarse las otras, los diámetros donde apoya la correa van variando de forma continua, y lo hace la relación de transmisión
- En teoría hay infinitas posibles posiciones de las poleas que derivan en infinitas relaciones
- Como la percepción del conductor es algo extraña pues da sensación de que patina el embrague, en las evoluciones se han incluido posiciones prefijadas de las poleas que simulan el paso escalonado de las relaciones, por eso se incluyen las posiciones secuencias + y – de la palanca de cambios, además de las demás, P, R, N y D
- La conexión de la caja CVT con el motor se puede hacer mediante convertidor de par bloqueable, es el representado, o embrague multidisco en baño de aceite
- Al disponer de control electrónico se pueden lograr consumos mínimos acelerando con suavidad y teniendo en cuenta que este estilo de conducción no es adecuado para carretera o autopista
Esta tecnología fue utilizada en los Daf Variomatic, con una o dos correas, sin o con diferencial, y también una CVT muy curiosa sin correa o cadenas denominada “Extroid” que utilizó Nissan en algunos de sus modelos.
