Marcas en el velocímetro y la caja de cambios automática

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Antes de que sigas leyendo te anticipo que este artículo tiene bastante contenido técnico en diferentes aspectos inter relacionados.

Si te gustan los coches y sabes como funcionan espero aportar información interesante.

Hace unos días, hablando sobre las técnicas de conducción eficiente, entendida para reducir el consumo y emisión de CO2 pues es equivalente, recordé lo que hacía en mis coches con caja de cambios manual desde que era joven.

Como siempre he estado estudiando y aprendiendo tecnología del automóvil entendí enseguida lo que suponía el par máximo y su relación con los desarrollos de transmisión.

Busqué la forma de utilizar estos datos para disponer de información en el velocímetro de las RPM de par y potencia, entonces solamente tenían cuentavueltas los coches con cierto enfoque deportivo.

Lo primero es medir el error medio del velocímetro en una autopista fiable, y después calcular los desarrollos de transmisión en cada relación de caja de cambios, ahora suelen indicarse en las características técnicas de los coches, antes solamente se daban las relaciones de transmisión.

Los desarrollos de transmisión son la relación entre la velocidad del coche km/h y las RPM del motor en cada relación de caja de cambios.

Con el recorrido en el suelo de una rueda motriz por vuelta y los datos de las relaciones de transmisión y del diferencial se calculan los desarrollos de transmisión.

Una vez conocidos los desarrollos de transmisión se determina la velocidad del coche a las RPM de par y potencia en cada relación de cambio.

Bueno todavía hacia algo más, buscaba el mínimo régimen de motor utilizable, se hace en la relación de cambio en la que se logra la velocidad máxima, con seis relaciones suele ser la quinta, se inserta esta relación a unos 20 km/h y se acelera con suavidad para identificar las RPM a que recupera el motor sin fallos ni tirones, este es el mínimo régimen utilizable.

Si no se dispone de cuenta RPM se calcula después en las demás relaciones con los desarrollos de transmisión, sabiendo que en las marchas más cortas las RPM mínimas son inferiores.

Los resultados de RPM mínimas, de par y potencia máximos los marcaba en el velocímetro, lo que me permitía conducir buscando el mínimo consumo, obtener el mejor rendimiento del motor, o aprovechar la potencia máxima si lo requería la situación.

Por supuesto se puede hacer mirando el cuenta RPM, pero hay que tenerlo y saber a qué regímenes de giro está el par y potencia máximos, además del mínimo régimen del motor utilizable, con este último dato se complica más colocar las marcas en el velocímetro.

Todo esto es una introducción para llegar a lo que hacen actualmente las cajas de cambios con programa de paso automático de las relaciones, posición D de la palanca.

Estas cajas son; pilotada/robotizada (tiene un embrague accionado por el sistema de control de la caja, sin pedal), automatizadas (cuentan con dos embragues en seco o multidisco en baño de aceite sin pedal), automática con convertidor de par (diseñada para funcionar como automática, sin embrague ni pedal) y transmisión de variación continua (CVT) con funcionamiento peculiar que se está adaptando para que tenga reacciones similares a las cajas anteriores, relacionando la velocidad del coche con las RPM simulando cambio de relaciones (sin pedal de embrague).

Estas cajas con programas de paso automático de las relaciones, posición D de la palanca, actualmente modifican sus actuaciones tal como lo haría un muy buen conductor para lograr mejor consumo, rendimiento o prestaciones, esto es lo que buscaba en mis coches con caja de cambios manual utilizando las marcas en el velocímetro.

La idea de este artículo es explicar la relación entre las marcas en el velocímetro y la caja de cambios con programa automático D.

Para quienes tengan interés en ampliar la información sobre los temas técnicos que se van a citar, son bastantes, al final del artículo se indican otros del blog relacionados.

Si has llegado hasta aquí leyendo, sin haber comentado aún ninguna imagen, probablemente te interese seguir haciéndolo.

Curvas de par y potencia del motor (con distribución fija)

Los desarrollos de transmisión del automóvil indican la relación entre la velocidad del coche km/h y RPM del motor en cada marcha de la caja de cambios.

Su elección se basa en diversos aspectos; par y potencia del motor, peso del automóvil, aerodinámica, número de plazas disponibles y capacidad prevista del maletero en peso.

Con estos datos se pasa a estudiar la curva de par motor, que determina la respuesta del motor al acelerar.

El par del motor depende del llenado de los cilindros, más par cuanto mejor es el llenado.

El motor a ralentí se llena poco de mezcla aire – combustible, pues los gases en los colectores van lentos, al ir acelerando y subiendo de RPM la velocidad de los gases en los colectores se incrementa sensiblemente, provocando, por sus inercias al abrir y cerrar las válvulas, cambios de dirección de mínima duración, es la resonancia.

La resonancia al aumentar de frecuencia induce mejor llenado y vaciado de los cilindros, más par y respuesta del motor.

La distribución, que gestiona la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape mediante el árbol de levas (puede haber más de uno), se diseña para que se obtenga el mejor llenado (y vaciado) a medias RPM en un coche de turismo, determinando las secuencias de actuación de las válvulas para favorecer la resonancia y el llenado a esas RPM.

Como a estas RPM es cuando hay más llenado, la fuerza generada por la explosión o combustión es más fuerte empujando con más energía a cada pistón, es el par máximo.

Es cuando mejor responde el motor al acelerar y es un dato trascendental para determinar los desarrollos de transmisión en cada marcha de caja de cambios.

Lo vemos en esta diapositiva que incluye más detalles:

A la izquierda se ve un motor con dos árboles de levas en culata o cabeza (DOHC)
Cada árbol de levas gira solidario a su piñón de distribución y las secuencias de accionamiento de las válvulas se producen en posiciones angulares constantes, por lo que se aprovecha la resonancia a unas RPM determinadas
A la derecha se representan las curvas de par y potencia
La mejor respuesta del motor es a las RPM de par máximo, zona media en este coche, es el régimen más utilizado habitualmente por un conductor medio
Por debajo o por encima de las RPM de par máximo este es menor, pues ya no coincide la resonancia con las secuencias de actuación de las válvulas y hay menos llenado
La potencia desde las RPM de par máximo sigue aumentando, pues depende del valor del par y las RPM, llega la potencia a su máximo a las RPM en que el par decae claramente

En un motor con distribución fija cada árbol de levas gira con su piñón o engranaje, accionado por cadena o correa desde el cigüeñal.

También se pueden mover los engranajes del árbol o árboles de levas mediante cascada de piñones, pero es costoso y hace bastante ruido, se utiliza si acaso en motores para usos muy específicos.

Si se incorpora a este motor sobrealimentación, las curvas de par y potencia aumentan de valor manteniendo su forma actualmente.

Antes de la evolución técnica de la sobrealimentación, especialmente por turbocompresor, se producía un retraso en el tiempo de respuesta al acelerar desde bajas vueltas, es decir la curva de par subía menos a bajas RPM para ascender después rápidamente, pero esto ya es historia.

Los desarrollos de transmisión son más largos con sobrealimentación, más km/h a menos RPM en cada relación, más en las últimas para mejorar el consumo en autopista, y así aprovechar el mayor par y potencia.

Desarrollos de transmisión y marcas de par y potencia en el velocímetro 1 y 2

Se ve en las imágenes a la izquierda de las dos diapositivas los velocímetros con marcas azules, verdes y rojas en el diagrama de velocidad.

En las imágenes de la derecha están los desarrollos de transmisión.

Vamos a explicar todo esto; las marcas azules en los cuadros indican la velocidad del coche en cada marcha al régimen mínimo utilizable, las verdes la velocidad en cada marcha a las RPM de par máximo, y las rojas la velocidad a las RPM de potencia máxima en cada relación.

Los cuatro ejemplos que se proponen son estimativos:

Datos coche 1.1; motor de gasolina con carburador de doble cuerpo de 1,4 litros. Potencia (CV) y par (kg/m) máximos/RPM; 75/5.500 y 12/2.500. Caja de cambios manual de 4 velocidades
Datos coche 1.2; motor de gasolina de 1,9 litros con dos carburadores de doble cuerpo. Potencia (CV) y par (kg/m) máximos/RPM; 140/6.500 y 18/4000. Caja de cambios manual de 6 velocidades
Datos coche 2.1; motor de 2.8 litros turbodiésel. Potencia (CV) y par (kg/m) máximos/RPM; 150/4.000 y 32/2000. Caja de cambios manual de 5 velocidades
Datos coche 2.2; motor de 2,2 litros de gasolina con inyección multipunto. Potencia (CV) y par (kg/m) máximos/RPM; 220/7.250 y 24/5.500. Caja de cambios manual de 7 velocidades

Conducción económica:

Subir cada relación a la marca de mínimo régimen utilizable de la siguiente (azul), 2 azul de primera a segunda, 3 azul de segunda a tercera, 4 azul de tercera a cuarta y así sucesivamente según el número de relaciones de la caja.
El 1 azul de la primera marcha es indicativo, pues se puede recuperar prácticamente desde ralentí acelerando suavemente.
Se puede recuperar velocidad, si ha sido necesario disminuirla, sin reducir de relación si la marcha en que se circula está en la marca azul de su velocidad, o por encima
Si se conduce así se ha de acelerar con suavidad y progresivamente para disminuir fatigas en ciertos elementos de transmisión, amortiguación de torsión del disco de embrague y volante motor bimasa si el coche lo equipa son los más afectados.
Esta forma de conducir reduce el consumo y es útil en tráfico urbano especialmente, pero requiere mucha atención y uso frecuente del cambio.

Conducción de alto rendimiento:

Se mantiene cada relación hasta la marca de RPM de par de su número (verde). Al llegar en cada relación hasta su par máximo permite conjugar suficiente respuesta del motor manteniendo cifras medias de consumo

Conducción de mejor respuesta al acelerador:

Cada relación se sube hasta la marca de RPM de par máximo (verde) de la siguiente o sus proximidades, al entrar esta relación a las RPM de par máximo se dispone de la mejor respuesta, el consumo ya es más alto

Conducción prestacional:

Se sube cada relación hasta su marca de RPM de potencia máxima (rojo); se logran las mejores prestaciones y el mayor consumo de combustible
Es una buena actuación puntual en caso de necesitar aceleración, adelantamiento u otra situación que requiere velocidad para solventarla
En el velocímetro del coche 1.2 se aprecia que a las RPM de potencia máxima en sexta marcha implicaría ir a 260 km/h, velocidad superior al diagrama, esto indica que esta relación tan larga es para reducir el consumo circulando en autopista

Como se aprecia no es fácil lograr el menor consumo posible conduciendo un coche con caja manual, los profesionales si lo hacen, pero son eso profesionales.

Para un conductor medio es más complicado, pues requiere su atención e ir cambiando de relación en condiciones de velocidad variable del tráfico casi continuamente.

Cuantas más relaciones tenga la caja de cambios manual más posibilidades de aprovechar la curva de par del motor, pero se hace bastante más laboriosa la conducción en busca del menor consumo.

Con caja de cambios que dispone de programa automático de paso de relaciones, posición D de la palanca, como veremos no pasa esto, pues no tiene que ser el conductor quien decida que relación insertar en cada momento, bueno no es necesario que lo haga con la palanca manualmente, pero lo induce de otra forma.

Curvas de par y potencia del motor con distribución de fase variable

En esta diapositiva se representan los resultados de la distribución de fase variable en las curvas de par y potencia:

A la izquierda se ve un motor con distribución DOHC en el que los árboles de levas son accionados por sus respectivos piñones, pero no son solidarios los árboles de levas a los piñones
Hay cierto ángulo de variación que puede adelantar o retrasar las secuencias de actuación de los árboles de levas sobre las válvulas, abren y cierran antes o más tarde
Esta posibilidad permite que a bajas RPM las secuencias de actuación de las válvulas se retrasen y se adelanten al subir de RPM
Al coincidir las secuencias de las válvulas con la resonancia, por la variación de fase de los árboles de levas, se aprovecha su ayuda en el llenado y vaciado de los cilindros en un amplio margen de RPM
Los resultados se aprecian en las curvas de par y potencia de la derecha; el par máximo se mantiene “plano” desde la zona media en un abanico de RPM con buena respuesta del motor
Como la potencia depende del par y RPM, también tiene valores más altos que se pueden mantener en cierto margen de RPM
Al disponer de buena respuesta del motor en un amplio margen de RPM, las marcas en el velocímetro deberían resaltar el tramo de par plano de cada relación, igualmente con la potencia, no habría sitio y quedaría muy recargado
Se pueden poner en el punto medio de valor mantenido de par y potencia, pero la información es incompleta
Si además hay seis relaciones se complica todavía más disponer de informaciones en el velocímetro
Y aún más si se quieren añadir las RPM mínimas utilizables
Se podrían indicar en el cuenta RPM estas informaciones, ya que actualmente todos los coches disponen de este elemento, lo vemos enseguida
La distribución de fase variable funciona con accionamiento electrohidráulico (presión de aceite y control electrónico) o exclusivamente electrónico
Si este motor dispusiese de sobrealimentación y distribución de fase variable las curvas serian de la misma forma con valores más altos, entonces los desarrollos de transmisión son también más largos, más velocidad a las mismas RPM, en cada relación que se va incrementando en últimas marchas para reducir el consumo en autopista

Marcas en el cuenta RPM con distribución de fase variable

Se representa a la derecha un cuadro de instrumentos con el velocímetro y cuenta RPM; también están los indicadores de nivel de combustible, temperatura del motor, la ubicación de algunos testigos e informaciones del ordenador de a bordo.

A la izquierda se ven las curvas de par y potencia con distribución de fase variable, con un cuenta RPM que indica las zonas de utilización, son como las del que está en el cuadro de instrumentos:

En el cuenta RPM se marca en azul el mínimo régimen del motor utilizable M, se ha tenido que hacer la prueba para su localización como antes se explicó. Se estima su valor en 1.600 RPM para este motor, caja de cambios y coche
En verde se resalta el margen de RPM en que se mantiene el par motor Pr. Se estima que está entre 2.500 y 4.500 RPM
El margen de mantenimiento de la potencia está marcado en rojo Pt, estimado entre 4.800 y 6.250 RPM
Esta información puede resultar compleja a quienes no les gusten los coches, y más tenerla en cuenta al conducir, pero es muy útil si se quiere aprovechar las posibilidades de obtener los bajos consumos que se han buscado en el diseño del coche
Lo habitual es que un conductor medio no sepa las RPM de par y potencia máximos del motor de su coche, mucho menos el régimen mínimo utilizable, así que no obtendrá las ventajas que podría lograr, más con las seis marchas habituales actualmente con caja manual
Para que se aprovechen todas las aportaciones de las relaciones entre el par motor, potencia, mínimo utilizable y actuación sobre el pedal del acelerador hay que estar con atención permanente para ir cambiado de relación además de contar con la información, y el conductor ha de estar atento a lo que va sucediendo en su entorno …
Si hubiese “algo” que lo hiciese por el conductor sería una excelente solución, es lo que vamos a ver a continuación, pues lo hacen actualmente los controles electrónicos de las cajas de cambio con programa automático de paso de relaciones, posición D de la palanca, bueno hace ya algunos años que lo realizan y cada vez con más eficiencia y precisión

Evolución de las cajas de cambio con programa automático de paso de relaciones

En esta diapositiva de ven dos cuadros de instrumentos y tres palancas de cajas de cambio con programa automático de paso de relaciones, posición D de la palanca, son cajas de cambio de diferentes épocas.

Caja de cambios automática anterior al control electrónico avanzado 1:

Las posiciones de la palanca de cambios son; P aparcamiento; quedan las ruedas motrices bloqueadas. R marcha atrás. N punto muerto, equivalente a esta posición en la caja manual, las ruedas motrices están desconectadas de la caja de cambios
D automática; se van insertando las marchas al acelerar o decelerar. En este automóvil la caja automática tiene tres velocidades hacia adelante, en D intervienen las tres. El número de relaciones suele ser uno más de lo que indica el siguiente número tras la D (hay cajas automáticas en las que la última relación se controla con un botón, es el over drive, entonces hay dos marchas más que el número tras la D)
2; solamente intervienen la primera y segunda relación, no entra la tercera. Es principalmente para contar con retención del motor en descensos
1 primera impuesta; no hay funcionamiento automático, solamente se circula en primera relación. Aporta más retención motor en descensos inclinados que requieren baja velocidad.
En la posición automática D al ir acelerando las relaciones se van insertando a velocidades predeterminadas, siempre las mismas, que son distintas a las que entra la misma relación al decelerar. Es para que circulando en subidas o con variaciones de velocidad por tráfico no se produzcan continuas bajadas y subidas de marcha, lo que sucedería si las velocidades de cambio de marcha al acelerar y decelerar fuesen las mismas para cada relación
Circulando en D, si se acelera a fondo la caja automática reduce de relación si no supone superar las RPM admitidas por el motor, para aportar la mejor respuesta. Al recuperar la posición del acelerador se pasa de nuevo a la relación más adecuada
Esta caja automática con convertidor se utilizó con motores de distribución fija, son tecnologías contemporáneas

Caja de cambios automática con tecnología intermedia 2:

Posiciones de la palanca P, R, N, D, 4, 3, 2 y 1
Para mejorar el rendimiento de la caja de cambios automática con convertidor y que resultase más atractiva para conductores reacios, se han ido dando varios pasos, entre estos; más número de relaciones y posibilidad de mayor intervención del conductor
Esta caja automática tiene cinco relaciones, y funcionan todas en posición D
El conductor puede limitar las relaciones que intervienen con las pociones 4, 3, 2 y 1. incluso ir insertándolas accionando la palanca para tener control manual. Lo habitual es que incluso los conductores más reacios a las cajas automáticas, si la utilizan suficiente tiempo, terminan dejando la palanca en D circulando y solamente cambian de posición en descensos o situaciones particulares

Caja de cambios automática con control electrónico avanzado 3:

Esta caja automática tiene convertidor de par. A las posiciones de la palanca P, R, N y D se añaden dos más; + y – para subir o bajar una marcha. Es la utilización secuencial y se accede pasando la palanca desde D a un pasillo, a la derecha (como en este caso), izquierda o debajo. También suele haber botones junto al volante para hacer las mismas funciones sin tener que accionar la palanca. En fase secuencial la relación seleccionada aparece en la pantalla en lugar de la posición del la palanca, en este momento el coche va en cuarta relación
Una excelente aportación técnica es que el control electrónico lee las actuaciones del conductor en los mandos relacionados con la velocidad, acelerador, freno, dirección y palanca de cambios, adaptando las RPM y velocidad de paso de relaciones, tanto para subir como bajar, al estilo de conducción, respuesta del motor (carga y ascenso de pendientes) y orografía del terreno, trazado de la carretera según se va girando el volante
Con el uso el control electrónico aprende de los hábitos del conductor, para que la caja automática haga lo que haría un conductor ideal según la actuación sobre los mandos con caja manual, sin que se tenga que cambiar de marcha ni pisar el embrague
Se pueden lograr consumos mejores que con caja manual, sobre todo con conductores medios, pues el control electrónico “sabe” aprovechar la curva de par adaptando con extrema precisión los cambios de relación. Los datos base que utiliza es la actuación del conductor sobre el acelerador, es la información de como quiere conducir
Las evoluciones de la distribución de fase variable y la caja automática auto adaptativa han ido de la mano, lo que permite mejoras excepcionales en consumo, rendimiento y prestaciones. Otras tecnologías relacionadas para lograr que la curva de par sea lo más plana posible son la admisión variable y el alzado variable de las válvulas, se indican otros artículos del blog donde se explican al final
La mayor difusión de la caja automática comenzó cuando tenía tres relaciones (más marcha atrás), actualmente se dispone de entre seis y diez relaciones en la caja automática con convertidor, algunas menos en las pilotadas/robotizadas y automatizadas, en la transmisión de variación continua CVT son, al menos en teoría infinitas relaciones

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