HISTORIA
El primer antecedente de una caja automática fue un dispositivo hidráulico para uso marino inventado en 1908; casi 20 años después, la fábrica inglesa Leyland mejoró ese sistema y lo adaptó a los colectivos de Londres. El Ford T, de las décadas del 10 y del 20, ya usaba una caja con un sistema de engranajes epicicloidal, similar al de las cajas automáticas. . La firma Daimler, en 1930, produjo una caja semi automática formada por un par hidráulico unido a una caja epicicloidal electromagnética. Cinco años más tarde, el italiano Ugo Pavesa desarrolló una caja con tren epicicloidal que funcionaba con aceite a presión; si bien este sistema no pasó del prototipo, mostró que la mejor solución para las cajas automáticas eran los engranajes epicicloidales. General Motors, el fabricante norteamericano, dotó a sus Oldsmobile de 1937 de una caja semi automática, y en 1939 presentó la Hydro Matic Drive, que reunía un par hidráulico y una caja epicicloidal con cuatro relaciones. Tras la Segunda Guerra Mundial, estos sistemas siguieron evolucionando y el convertidor de par reemplazó al par hidráulico. Desde entonces, las cajas automáticas se perfeccionaron y los fabricantes norteamericanos los utilizaron en la mayoría de los vehículos.
CAJA DE CAMBIOS AUTOMATICA
CAMBIO AUTOMATICO
Clasificación de las cajas de cambios
La clasificación de las cajas de cambio en «manuales» y «automáticas» puede resultar bastante ambigua. Mientras no existía el control electrónico, la distinción entre automáticas y manuales servía para describir tanto su funcionamiento como su construcción.
Una caja manual estaba formada por pares de engranajes, que el conductor seleccionaba (a través de varillas o cables) con una palanca «en H». Una caja automática tenía engranajes epicicloidales, seleccionados por un sistema hidráulico a través de embragues, en función de la velocidad del coche, el régimen del motor y la posición del acelerador. En este tipo de cambio automático, el conductor normalmente disponía de una palanca para eliminar marchas, con objeto de que el cambio no engranara las más largas en pendientes o al arrastrar un peso.
Desde la perspectiva anterior, ahora hay cambios manuales que pueden funcionar automáticamente y cambios automáticos que admiten un manejo manual. Esta ambigüedad surge de considerar que, si un cambio es automático o manual funcionalmente, también lo es estructuralmente.
Actualmente la distinción entre manual y automático es sólo funcional:
- Manual es el cambio en el que el conductor engrana las relaciones por un procedimiento mecánico, sin ningún otro sistema de control.
- Automático es aquél capaz de variar las relaciones de cambio sin intervención del conductor, aunque en alguno de sus modos de funcionamiento sea posible que el conductor las seleccione. Es decir, el cambio automático si puede cambiar solo, y manual si puede.
Dentro de la división funcional, cabe considerar diferentes tipos de cambio según criterios:
- Tipo de mecanismo para variar las relaciones.
- Tipo de mando para seleccionarlas.
- Tipo de conexión entre el motor y el cambio.
Referente al número de marchas no se puede considerar criterio de clasificación. Actualmente las manuales son de 5 o 6 normalmente; las automáticas epicicloidales de cuatro o cinco como norma, y 6 o 7 para casos específicos; y las de variador llegan también a 6 o7 relaciones fijas; recordamos que éste tipo desarrolla infinitas relaciones.
Clasificación por variación de la relación de cambio
Actualmente se usan tres mecanismos para variar la relación de cambio:
- El más extendido es el par de engranajes de todas las cajas manuales y algunas automáticas. Lo normal es que se trate de engranajes helicoidales, de toma constante y con sincronizadores incluso para la marcha atrás.
- El engranaje epicicloidal es aún común en cajas automáticas. Su principal ventaja es la suavidad, ya que la selección de las distintas relaciones se hace mediante frenos y embragues, no engranando piezas.
- El cambio de variador, Actualmente hay dos clases, con correa metálica (la que usan todos los cambios de variador) o con cadena (Multitronic de Audi). Normalmente la mayor parte de la reducción en una caja de variador se hace en el grupo, más que en la caja, y el tipo de conexión no es igual en todas; el Speedgear de Fiat tiene un convertidor hidráulico y el Multitronic un embrague multidisco. sobre todo después de que Audi y LUK tengan un cambio así en un motor con 300 Nm de par máximo.
Clasificación por tipos de conexión entre el motor y cambio
Actualmente hay tres tipos de conexión entre el motor y el cambio:
- Embrague monodisco seco.
- Embrague multidisco húmedo.
- Convertidor hidráulico de par.
Sistemas en desuso:
- El electromagnético que han llevado anteriormente algunos modelos con variador.
- Embragues bidisco en seco, que llevaban antes algunos coches deportivos.
- Para cajas manuales, los hay que eliminan el pedal mediante un sistema hidráulico con control electrónico. Este mismo sistema es el que se utiliza normalmente en las cajas automáticas que tienen pares de engranajes en lugar de epicicloidales.
Las cajas automáticas con engranajes epicicloidales normalmente tienen convertidor hidráulico de par, lo que permite alargar los desarrollos.
Clasificación por tipo de mando
Comparando tipos de mando quizás sea la forma más compleja de catalogar una caja de cambios, especialmente en la caja automática. Para una caja manual sólo existe la palanca «en H», ya que los mecanismos secuenciales sólo se usan en competición, no en coches de serie.
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Para una caja automática, en cambio, hay distintas posibilidades, que resultan de combinar dos variables:
- Por una parte, si se trata de un mando analógico o secuencial.
- Por otra, si ese mando sirve para seleccionar marchas o para eliminarlas.
El término analógico se entiende aquél en el que hay una posición del mando para cada una de las relaciones de cambio.
Para secuencial, nos referimos a aquél en el que hay una secuencia para variar las relaciones, mover una palanca o pulsar un botón, pero no una posición de esa palanca o ese botón distinta para cada marcha.
Con estos dos tipos de mando hay también dos tipos de funciones:
- Una es la que llamamos "de selección", en la que el movimiento del mando sirve para engranar marchas. En el caso de las cajas automáticas, el mando de selección está supeditado al control electrónico, que evita la inserción de marchas que provocarían un régimen demasiado alto o demasiado bajo en un momento dado.
- Opuesto al mando de selección está el "de bloqueo". Con este tipo de mando, que es propio de la caja automática, lo que se hace es eliminar la posibilidad de que el cambio engrane ciertas marchas. Se dice que un cambio de cinco marchas está "bloqueado" en tercera si sólo pueden entrar las tres primeras.
Con la aparición de la caja que estrenó el Clase S de 1998 (y que no tiene ningún nombre específico), Mercedes ha aumentado la confusión, ya que tiene un mando secuencial de bloqueo. A diferencia de los mandos secuenciales de selección, el de Mercedes sirve para eliminar marchas, no para engranarlas.
Cambio automático con tren epicicloidal
El sistema está compuesto por 4 conjuntos principalmente:
- Un convertidor de par.
- Bomba hidráulica.
- Árbol primario.
- Árbol secundario.
- Caja de correderas.
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El convertidor de par acciona directamente la bomba de aceite que genera la presión de trabajo necesaria para las piezas internas del cambio.
Tiene dos fases de funcionamiento:
- Una primera en la que existe una velocidad relativa entre la bomba que siempre es solidaria al cigüeñal y la turbina que nos transmite el par a la transmisión. En este instante se produce una multiplicación de par acotada entorno 2.5 a 3.5 pero no de potencia. El símil a un embrague convencional es el momento de iniciar la marcha. El rotor gira de forma inversa a la bomba y turbina.
- La segunda fase es la de acoplamiento, la velocidad entre los elementos del convertidor es idéntica y de igual sentido.
El conjunto primario es accionado por el convertidor y consta de dos trenes epicicloidales intercomunicados.
El conjunto secundario compuesto por un planetario complementa las relaciones y trasmite el movimiento al diferencial.
El número de trenes epicicloidales es totalmente proporcional al número de relaciones, siendo 2 para cambios de 3 (obsoletos) ó 4 marchas y de 3 planetarios para 5 ó 6 relaciones. De la combinación de los mismos a través de los frenos embragues y ruedas libres conseguimos diferentes marchas.
También mencionar la existencia de un piñón de bloqueo de aparcamiento, donde se enclava el trinquete de bloqueo cuando la palanca selectora se posiciona en "P".
El cambio automático dispone de diversos embragues de tipo multidisco (normalmente) que actúan para las distintas marchas.
Los frenos son también de tipo multidiscoaccionados por un émbolo y cintas de fricción.
En combinación con los frenos obtenemos las diferentes relaciones de cambio.
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Ejemplos de selección:
- Para la 4 relación observamos que el giro del árbol de la turbina se transmite al portasatélites 2 a través el embrague K3, estando frenado el planetario 2. Los satélites transmiten el movimiento a la corona 2 y ésta al portasatélites 1. Este último pasa el movimiento al piñón de salida. Para el conjunto secundario el planeta 3 es frenado por el freno B3 , pasando el movimiento del piñón conducido por la corona 3 a los satélites que mueven el portasatélites 3, el cual transmite el movimiento al diferencial.
- Para la marcha atrás el movimiento de la turbina se transmite al planeta 2 mediante el embrague K2, mientras elportasatélites 2 es frenado por B1. Los satélites que giran sobre el planeta 2 transmite el movimiento a la corona 2 solidaria al portasatélites 1 y éste al piñón de salida. El piñón conducido transmite el movimiento a través de la corona 3 a los satélites, en este caso el planeta 3 es frenado por el B3. El movimiento se transmite al portasatélites y de aquí al piñón de ataque.
Bomba de aceite ATF
La bomba es solidaria al eje motor mediante la carcasa del convertidor, su función es generar presión de aceite para:
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La caja de correderas se encarga de distribuirla presión de aceite a los diferentes frenos, embragues y bloqueo del convertidor.
Cuadro Sinóptico
El cambio automático está gobernado por la unidad de mando, que dependiendo de la información del conjunto de sensores (tanto propios como compartidos) es capaz de asumir las siguientes funciones:
- Inserción de marcha.
- Control de válvulas electromagnéticas.
- Bloqueo convertidor de par.
- Bloqueo motor de arranque.
- Bloqueo palanca selectora
- Desacoplamiento en parado.
- Función de emergencia.
- Autodiagnosis
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CVT (Continuosly Variable Transmisión)
 | El cambio variable continuo está basado en el principio de la transmisión por ceñimiento, que con la ayuda de un variador es capaz de regular la transmisión sin escalonamientos entre la relación más corta y la más larga. Este sistema es conocido desde hace tiempo, pero siempre han estado limitados a potencias pequeñas, debido a su dificultad de transmitir pares elevados. |
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A nivel dinámico es posible alcanzar un óptimo aprovechamiento energético del combustible y un alto grado de confort en tracción.
El cambio escalonado (tanto manual como automático) están limitados por un número de relaciones con desmultiplicación fija, siendo siempre un consenso entre el dinamismo de la conducción, el consumo y el confort de marcha predeterminado durante la concepción del vehículo.
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Si observamos el par suministrado por un motor de combustión se divisa que tiene una forma continua y no escalonada, siendo por tanto ideal una transmisión careciente de escalones.
En las gráficas de tracción máxima podemos observar los diferentes saltos de marcha como influyen en la velocidad final y en pendiente máxima superable.
En línea discontinua tenemos la curva de máxima potencia que sólo podemos conseguir puntualmente en cada relación, sin embargo una CVT intenta desviarse lo menos posible de la curva óptima. Esta es la consecuencia directa de un aprovechamiento energético más ventajoso.
Técnicamente el concepto básico es sencillo, consiste en la acción de un variador que modifica sin escalonamientos las relaciones de transmisión, disponiendo siempre la relación adecuada.
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El variador consta de dos poleas biplato de garganta variable y unidas entre si por una cadena especial que las une y trabaja en modo ceñido. Cada conjunto de poleas consta de un plato cónico desplazable axialmente en su árbol correspondiente; permitiendo modificar sin escalonamientos el diámetro de ataque para la cadena y en consecuencia la relación de transmisión, que se realiza entre correa y juego de poleas; la presión (entorno a 60 bar) y por tanto la fuerza de apriete debe de ser regulada con mucha precisión para evitar deslizamiento o apriete excesivo. Las poleas trabajan inversamente proporcional para un correcto tensado de la correa.
El punto débil de estas transmisiones han sido las frágiles correas de goma reforzada que no soportan grandes dosis de par, la evolución ha migrado hacia correas metálicas, cadenas o incluso contacto directo entre las poleas por sendos toroides con la finalidad de alargar la vida útil de las mismas, aumentar el par soportado y reducir al máximo el ruido.
Como ya se ha comentado la regulación de la relación de transmisión se realiza con una carencia absoluta de tirones y sin interrupción de la fuerza de tracción, manteniendo así la potencia del motor al máximo nivel y con un resultado óptimo en el poder de aceleración, tanto para conducciones orientadas hacia la entrega de potencia o hacia la economía de consumo.
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Para el accionamiento de cada conjunto de poleas necesitamos una presión hidráulica generada por una bomba y una gestión electrónica de todo el conjunto.
El mando electrohidráulico permite dosificar con precisión los volúmenes de aceite necesarios para el mando y un control preciso y casi instantáneo de las poleas móviles del variador. También gracias a la gestión electrónica podemos disponer de posiciones prefijadas que simularán el comportamiento a una caja de cambios tradicional imponiendo una relación previamente programada, dotando al conductor de una elección normalmente por impulsión (tipo secuencial) que por ejemplo para bajadas de puertos de montaña pueda especificar la cantidad de freno motor que desea.
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La gama de potencias soportada actualmente es entorno a los 150 Kw. y 300 Nm (200 CV y 30 kgm). Audi (de la mano de LUK) confirma que ha convencido más del 60% de la clientela de los modelos con trasmisión multitronic, y que están en desarrollo de nuevas versiones capaces de llegar a los 500 Nm. Por otro lado, la casa ZF ha implantado en FORD la primera CVT con convertidor de par hidrodinámico; con la introducción de dos embragues multidiscos que compensa el deslizamiento relativo de poleas y correa optimizando aún más el consumo. También la caja posee un programa electrónico inteligente que se auto adapta a las condiciones de circulación y al estilo de conducción del momento.
Los beneficios de las CVT no admiten réplicas:
- al observar la gráfica comparativa destaca la reducción de consumo (entorno a 1 L/100 Km) debida a la infinidad de relaciones posibles, existe una adaptación perfecta de la desmultiplicación a la velocidad del vehículo ya la demanda de potencia. Las CVT explotan al máximo el motor en la mayoría de los casos, girando constantemente al régimen en que consume menos.
- El confort es también un punto muy fuerte a su favor.
Otras ventajas adicionales se las CVT es que son ligeras, compactas y de costes reducidos. Las CVT oscilan en un sobreprecio de 2000 ? respecto a las manuales en vehículos de gama alta.
