martes, 29 de enero de 2019

Cajas de cambios


¿Qué tipos de cajas de cambio existen?
Hay cajas de cambio automáticas y manuales. Sin embargo, dentro de cada una de ellas existen diferentes versiones que te describimos a continuación.
La respuesta en este caso puede ser todo lo complicada que uno quiera. Hay publicaciones de varios tomos al respecto, por lo que trataré de ser lo más esquemático y claro posible.
Existen dos motivos por los que no puede haber una conexión directa entre el giro del motor y el de las ruedas:
El primero es poder encender el motor con el coche parado. Para ello, necesitamos un sistema que desacople el propulsor de la transmisión. Este mecanismo es el embrague (o el convertidor de par).
El otro motivo es que la mecánica funciona en un rango de revoluciones (normalmente, entre 750 rpm del ralentí y 6.000 rpm). Así, las ruedas de nuestro coche sólo podrían girar en ese intervalo de vueltas, lo cual limitaría las velocidades a las que podríamos circular. Además, el motor únicamente entrega fuerza en un campo de revoluciones, por lo que, para iniciar la marcha en una cuesta -por ejemplo-, no tendríamos par suficiente. Con la caja de cambios podemos adaptar dicho par del motor a las necesidades de velocidad o fuerza que tengamos.
En contra de lo que podamos pensar, la esencia de los cambios actuales existe casi desde el inicio de los artilugios mecánicos. En mi opinión, la primera caja de cambios surge con el invento del reloj. Si lo analizas, un reloj analógico hace que un movimiento repetido a velocidad constante (ya sea el péndulo, un muelle al destensarse, un piezoeléctrico vibrando…) se transforme, como mínimo, en otros 3 movimientos que giran a diferentes velocidades: la del segundero, el minutero y las horas. El reloj mecánico se cree que se inventó a finales del siglo X, así que es fácil comprender que el primer automóvil (aparecido en el siglo XIX), ya tenía una caja de cambios muy parecida a las manuales que existen hoy en día.
Lo que sí que ha variado es el embrague y la forma en que se acciona. Los primeros funcionaban simplemente destensando y tensando una correa que unía el eje de la rueda con el volante motor. Con el aumento de potencia de los propulsores, se hizo patente que no era suficiente, así que más o menos en 1900 empezaron a emplearse embragues cónicos. El conductor accionaba una palanca que movía un cono forrado de cuero (para aumentar la fricción y que fuese reparable: es más barato cambiar un forro de cuero que hacer un cono metálico nuevo) que entraba en otro cono hueco.
Éstos eran muy bruscos y pesados de manejar, así que allá por los años 20, se cree que fue en Francia, se inventó un embrague de disco que era, básicamente, como el actual. En realidad son dos discos: uno gira solidario a la transmisión y el otro está atornillado al motor (maza de embrague o plato de presión) y tiene unos muelles que son los que hacen de “prensa” contra el disco de la caja de cambios, de forma que giren solidarios o, si pisamos el pedal y vencemos esos muelles, desacopla el motor de la caja de cambios.

Dependiendo del mando que accione estos muelles, tendremos los siguientes embragues:
·        Mecánicos: una varilla o un cable tira de la palanca que comprime los muelles para liberar el disco de embrague.
·        Electromagnéticos: el disco y la maza están fabricados en material ferromagnético. Haciendo pasar una corriente eléctrica por una bobina, se imantan y giran solidarios (o se separan, si cortamos el paso de corriente).
·        Hidráulicos: en este caso es un émbolo (cilindro esclavo) el que acciona la palanca del embrague. La presión hidráulica la generamos con otro émbolo que está en el pedal que pisamos (cilindro maestro).
·        Neumáticos: igual que los hidráulicos, pero funcionan por vacío o por aire comprimido. Normalmente aparecen en camiones o maquinaria pesada.
·        Robotizados: en realidad son embragues hidráulicos o neumáticos, pero, en lugar de pisar un pedal, es un circuito hidráulico con electroválvulas el que acciona el mecanismo.
Según el tipo de disco, tenemos:

Monodisco: ya sea en seco o en baño de aceite, un sólo disco de embrague.
Multidisco: también en seco o en baño de aceite, pueden ser dos (como en los famosos DSG) o varios (como en las motos)
A mediados de los años 30 del siglo XX surge un nuevo tipo de embrague denominado “convertidor hidráulico de par“, gracias al que nacen las cajas de cambio automáticas.

Este dispositivo es simplemente un “ventilador” acoplado al motor y, frente a él, otro asociado a la caja de cambios. Se basa en el molinillo de viento. Si tu soplas en un molinillo, lo haces girar. Pues bien, al girar la turbina acoplada al motor, mueve un aceite (de ahí lo de hidráulico) que arrastra a la turbina de la caja de cambios. Cuanto más rápido gira el motor, con más fuerza y velocidad hace moverse a la caja de cambios, de ahí lo de convertidor de par.

A medio camino entre el embrague de disco y el convertidor de par hay un tipo de embrague que funciona gracias a la fuerza centrífuga. La caja de cambios está acoplada a una especie de campana, mientras el motor lo está a un tambor con unas mazas contraídas por unos muelles. Al aumentar la velocidad de giro del propulsor, la fuerza centrífuga abre las mazas que, al rozar con la campana de la caja de cambios, hacen girar solidario el motor y el cambio. Este tipo de embragues centrífugos tuvieron cierto éxito en las primeras unidades del carismático Citroën 2 CV por su bajo precio y sencillo manejo.


Tipos de cajas de cambio: Manuales
En realidad, los distintos tipos de cajas de cambio dependen más de cómo es el mecanismo que acopla y desacopla el motor a la transmisión, de ahí que nos hayamos detenido tanto en el apartado anterior. La caja de cambios en sí tiene muchas menos variedades; básicamente hay tres, según los engranajes que conforman las distintas relaciones de cambio:

·        De dientes rectos: tienen la ventaja de ser muy robustas y permiten cambiar de marcha sin utilizar el embrague. Suelen utilizarse en competición. Son muy ruidosas y de accionamiento tosco, al carecer de mecanismos de sincronizado.
·        De dientes helicoidales: los engranajes tienen el dentado inclinado, siguiendo una curva helicoide. Son menos ruidosas y su accionamiento es más sencillo gracias al trabajo de unos discos intermedios llamados sincros. Son las llamadas cajas de cambio sincronizadas. Esos discos evitan que, al cambiar de marcha, coincidan dos dientes enfrentados. Asimismo, igualan las velocidades de giro para hacer más fácil el accionamiento y que las marchas “no rasquen”.
·        De trenes epicicloidales: las distintas relaciones de cambio se consiguen variando las velocidades de rotación relativas en un juego de piñones epicicloidales. Son las más empleadas en los cambios automáticos tradicionales con convertidor de par. Para frenar uno u otro elemento del tren epicicloidal se aplica presión hidráulica a unos discos que los bloquean o bien se utilizan embragues electromagnéticos.
Cajas de cambio CVT o de variador contínuo: un cambio infinito
Daf, (no confundir con la cerveza de los Simpson) es un fabricante holandés de camiones, pero, a mediados de los años 50 y 60, manufacturaba pequeños utilitarios que empleaban una transmisión sencillamente genial. Su inventor fue Huub van Doorne.
El sistema lo forman dos poleas de paso variable que, básicamente, están integradas cada una por dos conos que se pueden acercar o separar. Entre ellos se coloca una correa. Si acercamos los conos uno frente a otro, obligamos a la correa a deslizarse por el canal formado por ambos, de manera que rodea  a los conos por la parte de mayor circunferencia. Como la correa no se puede alargar ni acortar, la polea contraria debe alejar los conos, de ese modo, la correa se hunde en el canal de su paso variable y recorre una circunferencia de menor perímetro.

La relación entre la circunferencia que arrastra la correa en una de las poleas (la unida al motor) y la circunferencia de la polea arrastrada (la unida a las ruedas) determina la relación de cambio. Como hay infinitas posiciones de las poleas, hay infinitas relaciones de cambio.

Esta transmisión está limitada por la potencia que la correa es capaz de arrastrar. Hasta principios de los años 90, estaba destinada a motores de pocos caballos (ciclomotores y utilitarios), pero una nueva correa, formada por diminutos eslabones metálicos de forma muy elaborada, ha permitido incorporarla a mecánicas más potentes, siendo Audi con su Multitronic y Subaru con el CVT las marcas que más explotan este sistema.
Para emular a los sistemas convencionales, se establecen unas relaciones prefijadas de cambio entre las poleas, que se pueden seleccionar de forma manual, dando la sensación de utilizar un cambio secuencial.
Este cambio cuenta con la enorme ventaja de que siempre tiene el desarrollo perfecto para cada situación. En contrapartida, su fabricación y mantenimiento en coches de cierta potencia es caro y delicado.
Tipos de cajas de cambio: Transaxle de Toyota
La verdadera genialidad de Toyota en sus modelos híbridos es cómo ha conseguido acoplar los motores eléctricos a la transmisión. La caja de cambios del Prius, Auris HSD, etc, es un tren epicicloidal en el que las distintas relaciones se consiguen mediante la combinación de las velocidades relativas del sistema de engranajes. Dos motores eléctricos varían las rotaciones, acelerando o frenando los satélites o las coronas. Las últimas generaciones combinan dos trenes epicicloidales para conseguir un mayor número de relaciones.
Tipos de cajas de cambio: Transmisión manual
Las cajas de cambio manuales están formadas por un embrague de disco simple o múltiple, en seco o en aceite, y un sistema de engranajes de dientes rectos o helicoidales sincronizados. Lo más habitual es la combinación de un embrague monodisco en seco, cuyo accionamiento es hidráulico, y una caja helicoidal sincronizada accionada por una timonería de cables.
Tipos de cajas de cambio: Cambios semi-automáticos
Este tipo de cajas de cambio nació a causa de las pesadas direcciones sin asistencia y las altas prestaciones que a mediados de los años 30 del siglo XX empezaban a alcanzar los automóviles. Marcas como Delage producían coches capaces de llegar a velocidades muy elevadas; soltar una mano del volante en esas circunstancias era una temeridad. Por ello, proliferaron una serie de cajas de cambio con preselector. El conductor escogía la relación con un pequeño boliche que se manejaba suave y rápidamente, volvía a aferrarse al volante con ambas manos y, para que la caja de cambios metiese esa marcha, ya a punto de entrar en la curva,  debía pisar un pedal de embrague. El accionamiento era electromagnético; eran muy fiables y más fáciles de manejar de lo que pueda parecer. Tenían la peculiaridad de contar el mismo número de relaciones hacia delante que hacia atrás. Los principales fabricantes de estos cambios eran Cotal y Wilson. Su elevado precio y peso las fueron dejando en desuso y en los años 60 sólo los autobuses y camiones las utilizaban.
La siguiente generación de cambios semi-automáticos se limitaba a prescindir del pedal de embrague. El conductor accionaba la palanca de cambios y una serie de sensores en la palanca y en el motor se encargaban de dosificar el embrague. Empieza la era robotizada con los cambios del NSU Ro80 (éste, en realidad, emplea un convertidor de par, no necesita embrague), Sensonic de Saab, Renault Twingo Easy, etc. Su precio, similar al de un cambio automático, los han hecho caer en el olvido. Su complicación es casi la misma que la de un cambio totalmente automático, de ahí su declive.
Tipos de cajas de cambio: Cambios automáticos
Aquí el conductor no necesita intervenir para nada más que cambiar el sentido de la marcha o estacionar. Tanto el embrague como las marchas funcionan de manera completamente autónoma -o, si lo queremos, podemos seleccionarlas de forma manual con palancas, levas, teclas, etc.- y distinguimos los siguientes sistemas:
·        Caja automática convencional con convertidor de par. Se trata de una caja de cambios de trenes epicicloidales y convertidor de par. Son robustas, pero tienen dos inconvenientes: el peso y las pérdidas por resbalamiento del convertidor hidráulico. Son las denominadas Tiptronic del grupo VAG, Steptronic de BMW, etc. Poco a poco, su uso se reduce, debido a sus pérdidas energéticas y al aumento del consumo de combustible que suponen.
·        Caja de cambios manual robotizada de disco simple. Básicamente, es una caja de cambios manual de embrague monodisco a la que se le añade un sistema formado por electroválvulas y una unidad de control que acciona el embrague y el selector del cambio. Los pioneros en comercializar este tipo de cajas de cambio fueron BMW con los famosos SMG y Alfa Romeo con los Selespeed.
Antes, su funcionamiento no era demasiado “fino”, ni fiable. Ahora, han mejorado mucho en las últimas generaciones y están proliferando bastante gracias a su reducido coste de producción. Aquí tenemos las empleadas por PSA en los Peugeot 308 y Citroën C4 Picasso , o la novísima ASG presentada en el VW Up! y en el Seat Mii.
·        Caja de cambios manual robotizada de doble disco húmedo:
Se encuadran aquí las famosas cajas de cambio de doble embrague del grupo VAG llamadas DSG y las PDK de Porsche. Se trata de un invento de la marca de Stuttgart para la competición. Su idea básica es que cuánto más tiempo tardamos en cambiar de marcha, menos tiempo está el motor empujando y peores “cronos” hacemos.  A Porsche se le ocurrió reducir segundos lanzando un cambio de doble embrague.
En realidad, se trata de dos cajas de cambio dentro de una única carcasa. Cuando una está moviendo el coche en una marcha, la otra tiene preparada la siguiente. De ese modo, el conductor, al seleccionar una relación, simplemente desembraga una caja de cambios y embraga la que corresponda, reduciendo así el tiempo de respuesta. Tienen el inconveniente de que son caras, complicadas de fabricar y pesadas, al ir bañadas en aceite.
·        Cajas de cambio robotizadas de doble embrague en seco:
La idea es la misma que la anterior, pero los discos de embrague no van bañados en aceite. Son más ligeras y baratas que las anteriores. El último ejemplo de este tipo de cajas de cambio son los modelos TCT de Alfa Romeo










Castillo de Canena

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