Los 4 tipos de caja de cambios (II)

EVOLUCION EN ORGANOS Y ELEMENTOS

El artículo más visto en el blog es Los 4 tipos de caja de cambios (I) publicado el 22.01.2013 por lo que nos ha parecido que será de interés esta segunda parte.

Además de comentar más a fondo los cuatro tipos de caja de cambios vamos a ver variaciones de algunos de estos, incluyendo un quinto tipo de caja de cambios y aplicaciones de estas en automóviles.

Se inicia la explicación de cada tipo de caja de cambios con la imagen que se utilizó en la primera parte, para ir ampliando el contenido.

Caja de cambios manual

Tomando como referencia el modelo del anterior artículo se explica la caja manual.

  • Se ve en imagen ampliada la caja de cambios manual con el embrague.
  • Pomo de la palanca de cambios con la indicación de las cinco relaciones hacia adelante más la marcha atrás (MA).
  • Desde la palanca de cambios se transmite el movimiento mediante un varillaje para insertar las relaciones.
  • Los piñones está engranados, pero los del primario en la imagen que vienen desde el embrague (rojos) no giran con su eje. Hay unos desplazables donde encaja el varillaje de la palanca (horquillas) con sincronizadores que van a ir acoplando las relaciones como veremos después.
  • El pedal de embrague dispone de un sistema de accionamiento para desembragar al pisar el pedal, como se ve en la animación.
  • Se insertan las cinco relaciones, se observa que con movimientos en línea se pueden insertar dos relaciones y al mover la palanca transversalmente se selecciona otro pasillo para insertar otras dos. Cada desplazable cuenta con dos sincronizadores, uno para cada relación que controla, en la imagen 1ª – 2ª, 3 – 4ª y 5ª – MA, para la inserción de esta última se incorpora algún sistema de seguridad que impida introducirla por error circulando hacia adelante.
  • Los pasillos de selección de cada dos relaciones y los recorridos transversales conforman un diagrama en forma de H.
  • A continuación se representa el funcionamiento de la inserción de las relaciones; a la izquierda del detalle está el piñón con un dentado exterior y una superficie cónica, sobre esta superficie apoya el sincronizador cuando es empujado por el desplazable al insertar la relación, el sincronizador es cónico en su interior y exterior y embraga con la parte cónica del piñón e interior del desplazable igualando las velocidades, al seguir empujando el varillaje con la palanca engrana el dentado interior del desplazable con el exterior del piñón quedando la relación insertada.

Los cambios de relación se realizan pisando el embrague y seleccionado las diferentes relaciones, soltándolo después para seguir circulando.

Un detalle interesante para comparar la caja manual con las demás es recordar como se hacen las maniobras de aparcamiento; con la 1ª o MA insertada se acelera lo necesario, según esté el automóvil en llano o rampa, y con el embrague patinando se ajusta la velocidad de desplazamiento.

El conductor hace esta maniobra habitualmente con naturalidad y sin dificultades.

Caja de cambios pilotada o robotizada

La base para la caja de cambios pilotada es una caja manual con sincronizadores y embrague, como se ve en la imagen y se explica con las animaciones:

  • La imagen ampliada representa el embrague y la caja de cambios con sus desplazables y sincronizadores, como se ha explicado en la caja manual en H.
  • Se ve la palanca de cambios y las posiciones que se explican más adelante.
  • El control es electrónico, para la inserción de las relaciones y accionamiento del embrague, que es pilotado y vemos funcionar.
  • Se ve como en el automóvil desaparece el pedal de embrague quedando dos pedales, acelerador y freno.
  • Las posiciones de la palanca que se indican en la animación son estas;
    • P (Parking) aparcamiento; la caja de cambios bloquea las ruedas motrices.
    • R (Reverse) marcha atrás
    • N (neutral); es punto muerto.
    • D (Drive) automático; se van insertando las relaciones automáticamente sin intervención del conductor.
    • Manual secuencial; moviendo la palanca en sentido longitudinal hacia el + o el – se sube o baja una marcha respectivamente y la palanca vuele a su posición. El + y – no están en todas las marcas en la misma posición. Se puede contar con mandos en el volante para este accionamiento manual secuencial.
  • Seguidamente se ve el funcionamiento ya conocido de un sincronizador, pues es como se insertan las relaciones.

La caja pilotada utiliza el control electrónico para determinar la inserción de las relaciones y un sistema de accionamiento, eléctrico o más frecuentemente electrohidráulico, para accionar el embrague y hacer las “H” necesarias para insertar las relaciones.

Hay cajas de cambios pilotadas con un embrague monodisco en seco, pero más frecuentemente utilizan dos embragues, en seco o multidisco en baño de aceite, para mejorar la calidad de funcionamiento y agilizar el paso de las marchas.

La idea base para utilizar dos embragues, uno para las relaciones pares y otro para las impares, es que siempre esté insertada la relación que se va a solicitar, acelerando será la superior y decelerando será la inferior, con su embrague abierto, al realizarse el cambio de relación solamente se han de cambiar las posiciones de los embragues lo que hace más rápida la operación.

Para maniobras hay dos posibilidades de utilización:

  • Sin efecto arrastre; en D o R se ha de acelerar para hacer dos cosas, adaptar las RPM del motor según sea llano o rampa y mantener el embrague patinando para ajustar con precisión la velocidad de desplazamiento, y ambas con el pedal del acelerador lo que puede provocar ciertos tirones hasta que se va tomando habilidad.
  • Con efecto arrastre; en D o R se auto-aproxima el embrague patinando para que se desplace ligeramente el automóvil y con el freno se controla la velocidad. Si se está en rampa será necesario acelerar para facilitar la maniobra. Este efecto arrastre es el que se produce en la caja automática con convertidor de par que se explica a continuación.

La caja pilotada se diseñó para competición reduciendo los tiempos de cambios de marcha.

Cuando pasó a automóviles de calle se incorporó el programa de utilización en automático.

Caja de cambios automática con convertidor de par

Este artículo no tiene el objetivo de explicar con detalle el funcionamiento de la caja automática con convertidor de par, se busca resaltar las diferencias con la caja pilotada, que también tiene un programa de uso automático con las mismas posiciones de la palanca de cambios, lo que puede generar confusión entre ambas cajas de cambios y la idea es exponer las diferencias técnicas.

Partiendo de la imagen del automóvil con caja automática con convertidor……

  • Se representa el detalle ampliado.
  • Se sustituye el embrague por un convertidor de par, consiste en enfrentar sin tocarse a dos turbinas con aceite a presión, una gira con el motor y otra mueve la caja de cambios. Al girar la turbina del motor arrasta, con cierto deslizamiento, a la de la caja por lo que no hay rozamiento mecánico. Entre ambas turbinas se coloca el rotor, que es un elemento con álabes helicoidales que modifican la dirección de los torbellinos de aceite logrando aumentar el par desde ralentí hasta más o menos medio régimen. Este hecho de variación del par motor, da el nombre de convertidor de par al conjunto que une el motor con la caja de cambios.
  • El efecto arrastre del acoplamiento del convertidor provoca que el automóvil tienda a desplazarse con la palanca de cambios en cualquier posición de movimiento (R, D, + y –), sin que haya desgaste mecánico.
  • Los engranajes son trenes epiciclodales, conjuntos de coronas dentadas por su interior en donde engranan grupos de piñones que a su vez engranan con otros centrales.
  • Para obtener las relaciones se incorporan embragues y frenos con discos en baño de aceite, los embragues acoplan la corona con los grupos de engranajes o estos entre sí, y los frenos los acoplan con la carcasa de la caja de cambios, es decir los paran.
  • Para lograr las relaciones se acoplan varios embragues y frenos siguiendo la órdenes del calculador electrónico a traves de un conjunto electrohidráulico con válvulas de paso.
  • Tras esta presentación de la tecnología de la caja de cambios automática con convertidor queda claro que es muy diferente a la caja de cambios pilotada.

La caja automática con convertidor se creó para funcionar automáticamente facilitando la labor de conducción, contando siempre con posiciones para poder disponer con la retención del motor en las bajadas prolongadas, y que posteriormente ha desembocado el accionamiento manual – secuencial.

La caja automática con convertidor ha ido evolucionando con más intervención de la electrónica e incremento del número de relaciones.

En principio, el patinamiento del convertidor de par implica más consumo de combustible, pero se ha logrado reducir hasta que no se produzca más que al iniciar la marcha y durante los cambios de relación, como con embrague tradicional o pilotado, pero hay bastantes detalles más y dan para más artículos.

Caja de cambios de variación continua CVT

Si se aumenta el número de relaciones se podrá lograr que el motor pueda funcionar la mayor parte de las veces en las condiciones ideales de RPM y aceleración para reducir el consumo y la contaminación.

Con caja de cambios manual se requiere una muy frecuente utilización de las relaciones y por tanto del accionamiento del embrague, además de saber cuál es la mejor relación en cada circunstancia.

Con caja automática o pilotada en posición D, es el control electrónico el encargado de adecuar las relaciones a las condiciones de marcha.

La caja de cambios de variación continua (CVT) da un paso más y ofrece infinitas relaciones, esta es la tecnología más utilizada en este tipo de cajas;

  • Se ve el detalle ampliado de la CVT (Continuosly Variable Transsmision).
  • La conexión con el motor es frecuentemente mediante convertidor de par o embrague pilotado.
  • Las relaciones se obtienen mediante dos conjuntos de poleas cónicas, dos unidas al motor y otras dos a las ruedas motrices.
  • Las poleas están unidas por una correa o cadena.
  • El calculador electrónico desplaza simultáneamente los dos conjuntos de poleas acercándolas y separándolas a la vez.
  • La relación entre los diámetros de las poleas de motor y de ruedas donde asienta la correa o cadena es la relación de transmisión, si el diámetro de las poleas motor es pequeño y cuatro veces mayor el de las poleas de las ruedas está será la relación, multiplicando el par por cuatro y dividiendo la velocidad entre cuatro.
  • Al irse aproximando las poleas motor y separando las poleas de las ruedas se van modificando continuamente los diámetros de asentamiento de la correa o cadena, dando una variación continua de la relación de transmisión con, al menos teóricamente, infinitas relaciones.
  • Para simular el funcionamiento manual – secuencial, se suele contar con las posiciones + y – de la palanca de cambios, que implican posiciones predeterminadas de las poleas simulando relaciones fijas como en una caja pilotada o automática con convertidor.

El mayor desgaste de la caja CVT es el que se produce por el rozamiento entre la correa o cadena y las poleas cónicas.

Una forma de reducir este desgaste es contar con dos relaciones mediante un tren epicicloidal, de esta forma los desplazamientos de las poleas son menores y proporcionalmente también el desgaste.

Esta caja, que se denomina CVT es en realidad una combinación de dos tipos de caja de cambios.

Aplicaciones de caja de cambios

A continuación se van a ver diversas aplicaciones de las cajas de cambios que se han explicado para presentar al final un nuevo tipo.

  • Imagen 1; con la implantación de motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera). La caja de cambios es manual en H y el embrague monodisco en seco con su pedal, se ve el disco de embrague y el plato de presión con diafragma. Se representa el diferencial situado en el eje trasero motriz.
  • Imagen 2; implantación de motor delantero transversal y tracción (delantera). La caja de cambios es pilotada con un embrague monodisco en seco sobre el que se resalta el control electrónico, embrague pilotado y no hay pedal de embrague. El diferencial está integrado en la caja de cambios.
  • Imagen 3; motor delantero transversal y tracción (delantera). Caja de cambios pilotada con dos embragues monodisco en seco accionados por el control electrónico, embragues pilotados, sin pedal. El diferencial está dentro de la caja de cambios.
  • Imagen 4; motor longitudinal trasero (por detrás del eje) y propulsión (tracción trasera). Caja de cambios pilotada con dos embragues multidisco en aceite. Se resalta el control de los dos embragues pilotados sin pedal. El diferencial está a la izquierda de la caja de cambios, integrado en esta.
  • Imagen 5; motor delantero longitudinal y caja de cambios automática con convertidor en el eje trasero, esta implantación es transaxle. Son motrices las ruedas traseras y el diferencial está integrado al final de la caja de cambios. Se aprecia que el convertidor de par se ubica en la entrada de la caja de cambios tras el árbol de transmisión.
  • Imagen 6; motor delantero transversal y tracción (delantera). Caja de cambios CVT. La conexión con el motor es mediante un convertidor de par. El diferencial está en la caja de cambios.
  • Imagen 7; motor delantero transversal y tracción (delantera). La caja de cambios que contiene el diferencial es manual y está agrupada al motor con el que comparte la lubricación. Se ve el embrague monodisco en seco y su pedal.
  • Imagen 8; motor delantero longitudinal y 4×4. La caja de cambios es manual y está a continuación la caja de transferencia con un diferencial central y reductora, es un todoterreno. Se ven los tres diferenciales, central, trasero y delantero así como el embrague monodisco en seco y el pedal.
  • Imagen 9; motor delantero longitudinal (por delante del eje) y tracción (delantera). La caja de cambios es manual y contiene el diferencial. Se resalta este último y el embrague monodisco en seco con su pedal.
  • Imagen 10; motor delantero transversal y tracción (delantera). Caja de cambios manual con el diferencial integrado, que se ve en detalle y también el embrague monodisco en seco que cuenta con su pedal.
  • Imagen 11; motor delantero transversal y 4×4. La caja de cambios que contiene el diferencial delantero es manual. Desde el diferencial delantero sale un árbol de transmisión al diferencial trasero, pasando por su sistema de acoplamiento automático del 4×4, en condiciones de buena adherencia es un automóvil de tracción (delantera) y cuando estas ruedas deslizan se acoplan las traseras automáticamente. Se ve el detalle del diferencial delantero con la salida de transmisión trasera y también el embrague monodisco en seco con su pedal.
  • Imagen 12; el motor es delantero longitudinal y de este sale el árbol de transmisión hasta dos conjuntos de poleas cónicas, estas poleas están unidas a otros dos conjuntos que van a las ruedas traseras motrices mediante correas de transmisión, es un transmisión CVT. Hay dos embragues centrífugos en la poleas del motor.  En algunos modelos se prescinde del diferencial siendo la elasticidad de las correas las que asumen en cierta forma su función.

Caja de cambios automática con engranajes epicicloidales y embrague multidisco en baño de aceite

Para mantener la calidad de funcionamiento de la caja de cambios automática con trenes epicicloidales se sustituye el convertidor de par por un embrague multidisco en aceite, lo que permite reducir el deslizamiento para favorecer las prestaciones.

Lo vemos sobre un automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera), resaltando la caja automática con trenes epicicloidales, embragues y frenos, el embrague en aceite que conecta con el motor y el diferencial.

Video resumen Los 4 tipos de caja de cambios (II)

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