Overdrive

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Caja de cambios de 4 relaciones

La función de la caja de cambios es adaptar la energía (par) generado por el motor a las condiciones de la marcha, orografía y peso transportado.

Hace falta más energía (par) para iniciar la marcha y después es suficiente con menos.

Hará de nuevo falta más al subir cuestas.

Esta adaptación de la energía (par) del motor se logra con varias relaciones de cambio, que van multiplicando mediante diámetros diferentes de piñones la energía (par) del motor antes de que llegue a las ruedas.

En la siguiente animación se representa una caja de cambios de 4 relaciones (la 4ª es en este caso “directa” como luego se verá). No se contempla para este artículo la marcha atrás.

He elegido un Volvo 144 familiar como imagen base pues incorporaba el “overdrive” del que trata este artículo:

Motor + embrague + caja de cambios + árbol de transmisión + diferencial; se ven sobre el automóvil y después ampliados en la imagen inferior
El motor se pone en marcha
Se van insertando las cuatro relaciones; 1ª, 2ª, 3ª y 4ª
La rueda va girando más rápido según se suben las relaciones, es decir el efecto de multiplicar la energía (par) conlleva desmultiplicar la velocidad
Desde la palanca de cambios hay un varillaje hasta los desplazables que van insertando las relaciones; un desplazable es para 1ª y 2ª y otro para 3ª y 4ª

Se ve a continuación el detalle de relación entre las diferentes marchas.
Para entenderlo explico el efecto de multiplicación y desmultiplicación:
- Desde el embrague sale el eje primario que termina en su piñón Pºcc, ya dentro de la caja de cambios
- Este piñón Pºcc engrana con otro situado en el eje intermediario Iº, es el piñón receptor del movimiento en la caja de cambios IºCM
- En el eje intermediario Iº están acoplados de forma solidaria a este, es decir giran con él, los piñones de la tres primeras relaciones, respectivamente; Iº_1ª, Iº_2ª y Iº_3ª, cuyos diámetros van aumentando
- Estos piñones del eje intermediario están engranados respectivamente con sus correspondiente en el eje secundario Sº, girando libre sobre él; Sº_1ª, Sº_2ª y Sº_3ª. Se aprecia como sus diámetros van disminuyendo
- La 1ª se obtiene engranando el piñón Iº_1ª (pequeño) con el Sº_1ª (grande) y las diferencias de diámetros inducen la multiplicación de la energía (par) y el mismo valor de desmultiplicación de velocidad. Sucede igual con las demás relaciones
- La 4ª relación se obtiene acoplando directamente el piñón del eje primario Pºcc con el eje secundario Sº, por esta razón se la denomina técnicamente directa

Desarrollos de transmisión

Se ha representado en la anterior animación una caja de cambios de 4 velocidades, antes eran de tres y cuantas más sean más posibilidades de adaptar la energía (par) del motor a las condiciones de marcha.

Pero más relaciones supone un sobrecoste adicional.

Antes de continuar un repaso a los desarrollos de transmisión siguiendo con la caja de cuatro relaciones con la animación siguiente:

Se ve el cuadro de instrumentos, siendo el velocímetro y cuenta RPM los que vamos a implicar
El motor se pone en marcha
Se denominan desarrollos de transmisión las relaciones entre la velocidad del automóvil (km/h) y la del motor (RPM) en las diferentes marchas de la caja de cambios
Se dan los valores en km/h a 1.000 RPM y para este caso estas son las que he seleccionado:
- 1ª a 8 km/h a 1.000 RPM
- 2ª a 15 km/h a 1.000 RPM
- 3ª a 21 km/h a 1.000 RPM
- 4ª a 30 km/h a 1.000 RPM
Circulando por carretera en 4ª velocidad a 120 km/h el motor giraría a 4.000 RPM y a 160 km/h a 5.300 RPM
Al funcionar el motor a más RPM el consumo y contaminación aumentan, así como el ruido y su desgaste mecánico

En los años 1.950 y siguientes se construyeron las primeras autopistas y se mejoraron las demás carreteras, en algunos países
En estos se podía circular más rápido, pero en otros no era posible por la red de carreteras poco desarrollada
Para poder satisfacer a los que si podían ir más deprisa era necesario aumentar el número de relaciones de la caja de cambios, asumiendo un sobrecoste que no aportaría nada a los conductores de países con peor infraestructura vial
¿Había otra solución?, si el “overdrive” que se podía montar en los automóviles destinados a países con mejores carreteras, con el coste adicional correspondiente, manteniendo otras versiones sin este complemento

El overdrive

Esta palabra se puede traducir más o menos como “sobre conducción” pero la acepción más habitual es “sobre marcha” o “súper marcha”.

Consiste el overdrive en añadir otra caja de cambios a continuación de la habitual, con dos marchas, una que mantiene la relación de la última, en el caso que estamos tratando sería la 4ª (directa) y otra más larga, es decir menos RPM a la misma velocidad.

Mediante la animación que se ve a continuación explico el overdrive:

Se ve el cuadro de instrumentos con las RPM resaltadas en 4ª a 120 y 160 km/h correspondientes al desarrollo de esta marca de 30 km/h a 1.000 RPM
El overdrive tiene unos componentes mecánicos; tras el eje secundario de salida de la caja de cambios se acopla un piñón, ya dentro del overdrive (naranja superior)
Este piñón engrana con otro de igual diámetro unido a su eje (naranja inferior)
En este eje a continuación gira libre un piñón de mayor diámetro (rojo), que engrana con otro más pequeño situado en el eje de salida de la transmisión a las ruedas (azul)
El accionamiento del overdrive es eléctrico, desde un botón en el pomo de la palanca de cambios
Sin conectar el overdrive en 4ª, el piñón en la prolongación del eje secundario de salida de la caja (naranja superior) está unido por el desplazable al de salida de la transmisión (azul), funcionando en 4ª
Los piñones inferiores del overdrive están separados (naranja de la izquierda solidario a su eje y derecha rojo)
Al conectar el overdrive, pulsar el botón en el pomo, un motor eléctrico mueve los desplazables del overdrive hacia la derecha, desacoplando los dos piñones superiores (naranja y azul) y acoplado los dos inferiores (naranja solidario a su eje y rojo) produciendo este efecto; los dos piñones naranja dentro del overdrive son iguales, pero el piñón rojo tiene más diámetro que el azul, por lo que este girará más rápido y así lo harán las ruedas, o a igual velocidad a menos RPM
He elegido para el overdrive una relación de 42 km/h a 1.000 RPM, lo que supone que a 120 y 160 km/h las RPM del motor serán respectivamente 2.850 y 3.880, bastante menores que sin el overdrive

El accionamiento eléctrico del overdrive simplifica su actuación y solamente funciona en la última relación (o las dos últimas), pues si se mantuviese en 1ª haría falta patinar mucho el embrague para iniciar el movimiento, con el consiguiente desgaste.

En la caja de cambios unos captadores de posición anulan el overdrive si se circula en una relación no autorizada (4ª, y según modelos también 3ª).

Particularidades y variaciones del overdrive

En los dos grupos de imágenes siguientes se amplía la información sobre el overdrive:

A. Se ve el conjunto mecánico del overdrive tras la caja de cambios y el cableado eléctrico para su funcionamiento

B. Radiografía del overdrive:

Lo más habitual es que la desmultiplicación se haga mediante engranajes epicicloidales, una corona dentada por su interior engrana con un conjunto, generalmente tres, de piñones que a su vez engranan con otro en el interior
Frenando o asociando estos piñones se obtiene la relación de desmultiplicación

C. En este pomo de la palanca de cambios se ve la animación del mando del overdrive

D. Se resalta la actuación del testigo del overdrive en, este caso, el cuadro de instrumentos

E. Cuando el overdrive solamente actúa desde 4ª puede poner en el mando, como en este caso, 5ª pues se comporta como una relación más aunque con mando eléctrico

F. Algunos automóviles con caja de cambios manual han incorporado el overdrive con manejo mecánico no eléctrico, es el caso de esta imagen:

Se ha utilizado, entre otros posibles, en vehículos todoterreno para mejorar su utilización por carretera
La denominación más habitual en español es “súper marcha” o “súper directa”

G. En las cajas de cambio automáticas, con gestión electrónica, se ha utilizado el botón del overdrive y su denominación, aunque su funcionamiento no tiene nada que ver con lo explicado:

Se trata en realidad de un botón que permite “on” o anula “off” la inserción de la última relación
No hay un conjunto adicional de piñones.
En la imagen de la izquierda se ve el botón del overdrive al lado izquierdo del pomo, debajo del botón de seguridad para impedir desplazamientos indeseados de la palanca
Es una caja de cambios automática de “corredera” con cuatro velocidades
Con el botón del overdrive en “on” la caja automática utilizará sus cuatro relaciones de avance en “D”, si está en “off” no entrará la 3ª (en este caso o la última relación si tiene más de 4)
Circulando en “on” en 4ª (palanca en “D”) si se pasa a “off” se reduce a 3ª
Las posiciones del dial de relaciones de esta caja de cambios automática son estas:
- “P”; “Parking” aparcamiento, la caja queda bloqueada
- “R”; “Reverse” marcha atrás
- “N”; “Neutral” punto muerto
- “D”; “Drive” funcionamiento automático de las 4 relaciones con el overdrive en “on” y hasta 3ª en “off”
- “2”; automático hasta 2ª relación
- “1”; primera relación impuesta
En la imagen de la derecha se representa una palanca de cambios de caja automática de 4 relaciones sin overdrive; las posiciones “P”, “R”, “2” y “1” del dial son como en el caso anterior, pero con la presencia de la posición «3»
En “D” se circula en automático con las 4 relaciones y en “3” es automático hasta 3ª, no entra la 4ª y es cómo funciona la caja automática anterior de 4 relaciones con overdrive “off”

Tras estas explicaciones sobre el overdrive en la caja de cambios automática se entiende que se utiliza el concepto para la actuación de la última relación, sin contar con un sistema adicional como en la aplicación sobre la caja de cambios manual.

Con la mejora de las infraestructuras viales en gran parte de los países se incrementó el número de relaciones de la caja de cambios, lo que sustituyo al overdrive.

Actualmente las cajas manuales tienen habitualmente 6 relaciones y en automóviles prestacionales llegan a 7.

Las automáticas ya están en 9.

Con este aumento de número de relaciones se mejora el consumo y contaminación, pero con caja manual puede suponer un engorro para algunos conductores.

Efecto caja de cambios

Es un vídeo de atletismo de 100 metros lisos, observar como los primeros pasos son mas cortos para ir ampliando la zancada, es similar a lo que hace la caja de cambios: