SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN VEHÍCULOS AUTOMÓVILES (PARTE VII)

Hola a todos

Perdón por el retraso en la entrega de este nuevo artículo, pero me ha sido imposible entregarlo antes. En el anterior artículo vimos cajas manuales de 4 y 5 velocidades y podríais preguntar, ¿y las cajas de 6 velocidades manuales? ¿Son iguales o son muy distintas? Pues he de deciros que en realidad es el mismo sistema, sólo que con algunas diferencias como que contiene dos ejes secundarios, para mantener la compacidad de la caja, y ajustamos mucho más las relaciones de cambio. Es decir, que el uso de 6 velocidades frente a 5 tiene la ventaja de que podemos escalonar mejor las relaciones para que al cambiar de velocidad no haya mucha variación de velocidad de giro del motor. A priori, una caja con 6 relaciones haría, además, que el motor consuma menos combustible en un uso en carretera. En realidad, depende mucho del uso que el conductor haga de la caja, porque está demostrado que el conductor medio hace que su motor consuma más cuantas más veces tenga que cambiar de marcha, y una caja de 5 velocidades hace que usemos menos el cambio. A continuación, una ilustración de como sería una caja de cambios de 6 velocidades para un motor transversal.

Deciros, de nuevo, que el mayor o menor consumo del motor dependerá en gran medida del uso correcto o no de las relaciones de cambio, pero si es cierto que un uso correcto de esta caja hace que el motor consuma menor cantidad de combustible que una de 5 velocidades. 

Bueno y aquí la disposición interna de la caja. Hay dos árboles secundarios, como veis. ¿Por qué? Porque así mantenemos la compacidad de la caja de 5 velocidades, pero ahora hemos añadido el piñón loco y el fijo de la 6ª velocidad. La marcha atrás en realidad es un eje con dos ruedas, una conectada siempre y la otra que se conecta al accionar la mencionada marcha.
Y, por ahora, no veremos más cajas manuales, ya que creo que lo principal lo hemos visto ya y tampoco es el objetivo de este blog entrar en faena, porque no vamos a diseñar vehículos.
Vimos en anteriores artículos que había embragues de accionamiento automático, pues bien también hay cajas de accionamiento automático, las denominadas cajas de cambio semiautomáticas y automáticas. Tanto si no lo sabes, como si quieres recordar pincha aquí y podrás ver los diferentes tipos de embrague que hay, aparte del mecánico.
Primero empezaremos por decir, como siempre, ¿qué es una caja de cambios automática? Es, nada más ni nada menos, que una caja de cambios (está formada por engranajes como una caja manual) la cual no necesita intervención directa del conductor para cambiar de relación de transmisión. La ventaja fundamental es la suavidad de funcionamiento y la comodidad para el propio conductor, que no necesita pedal de embrague para accionar algunas posiciones fijas de la caja, como marcha atrás, neutral o directa (que ahora explicaremos).
Bien, los componentes principales de una caja de este tipo son:

• Un convertidor hidráulico de par.
• Un tren epiciloidal o combinación de ellos.
• Un mecanismo de mando para seleccionar automáticamente las relaciones. 

Vamos a empezar por el convertidor hidráulico de par, que es muy parecido al embrague hidráulico (no confundir con el embrague de accionamiento hidráulico). La difrencia fundamental es que el convertidor de par es capaz de aumentar el par transmitido. Veamos un ejemplo:

Antiguamente, en muchos campos, se usaban norias, que no eran más que ruedas más o menos grandes con muchos vasos o cuencos puestos en su circuferencia. Transmitian movimiento debido a que el chorro de agua de algún río o acequía las empujaba. El ejemplo que os he puesto utiliza el mismo principio de funcionamiento, pero veamos el porque de poneros este ejemplo. Vemos en la ilustración a que el chorro de aceite choca contra la cazoleta (cóncava) y empuja la rueda (la cazoleta está unida rígidamente a la rueda). Pero el par es bajo, y podemos pararlo con el dedo de una mano. ¿Qué ocurre si incluimos un deflector que desvie el chorro de nuevo hacia la cazoleta? El par transmitido es considerablemente mayor.

Aquí teneis un despiece de un convertidor de par hidráulico. En el observamos varios elementos, pero sabed que 3 son los fundamentales, estos son turbina, reactor y bomba.

Aquí una fotografía para que aprecieis mejor como son estos elementos. El reactor es la pieza que hay en medio más pequeña. La turbina a la izquierda y la bomba a la derecha. Al fondo lo que veis es una carcasa para la bomba.

No voy a entrar exhaustivamente en el funcionamiento del mismo, que ya expliqué en el artículo sobre embragues automáticos. Tan sólo deciros que el convertidor de par tiene el inconveniente de un gran retardo en la entrega de par, provocado porque es más difícil igualar las velocidades entre turbina y bomba que entre dos discos que friccionan entre si. El fluido tarda un poco en coger la velocidad suficiente.

Ahora pasamos al segundo elemento en una caja automática, los engranajes planetarios o tren epicicloidal. ¿Qué son? Pues un mecanismo que junta un tren de engranajes en poco espacio. ¿Cómo se hace? Primero de todo las ruedas de engranaje deben girar alrededor del mismo eje. Y segundo tenemos una rueda de dentado interior (tipo corona) y otras de dentado exterior (tipo piñon). Veamos unos ejemplos:

Aquí teneis un ejemplo de un tren epicicloidal o engranaje planetario. Se le denomina así porque al piñón central se le llama engranaje sol, y a los piñones que giran alrededor engranajes planetarios. Aunque en la ilustración aparezcan con otros nombres, el concepto es exactamente el mismo. El funcionamiento de este tipo de tren de engranajes hace que se reduzca o se multiplique mucho la velocidad de giro. Una de las ventajas fundamentales es que siempre se hayan engranados todos los piñones y no necesita de sincronizadores ni horquillas para seleccionar una velocidad, el desplazamiento el contínuo. 

Una pequeña animación de un tren epicicloidal. Fijaos bien en los marcadores rojos, del eje que hace girar el piñón sol y el marcador rojo de los piñones planetarios. Si veis uno gira más rápido que los otros, esto es debido a que está funcionando como reductor de la velocidad.

Aquí teneis las distintas posiciones del tren epicicloidal correspondientes a una caja de 4 velocidades hacía delante. Pero veamos en más detalle:

• 1ª velocidad: El par motor desde el embrague entra por el engranaje sol. La corona se mantiene fija, por lo que el movimiento se transmite integro a los planetarios (y por ende a su soporte). El resultado es una desmultiplicación del giro, los planetarios se mueven mucho más lento que el engranaje sol. Obtenemos la mayor transmisión de par hacía las ruedas, pero la menor velocidad lineal.
• 2ª velocidad: Ahora lo que hacemos es bloquear el engranaje sol. Los planetarios se desplazan a través del engranaje sol ya que el par motor entra a través de la corona. De nuevo hay desmultiplicación, pero menor que en el caso anterior. 
• 3ª velocidad: Aquí logramos, mediante el uso de un embrague, que la corona y el engranaje sol giran solidarios (o se hacen solidarios el engranaje sol y el soporte de los engranajes planetarios). Aquí la transmisión es directa, así que el motor y los engranajes giran a la misma velocidad.
• 4ª velocidad: Ahora el movimiento vuelve a entrar por el engranaje sol, y el soporte de los planetarios se fija. Esto hace que los planetarios tengan que girar sobre sus propios ejes, y arrastran a la corona, que sufre una inversión del giro. De nuevo hay una gran desmultiplicación de la velocidad de giro. 

Esto se podría asemejar a un cambio manual de 4 velocidades, pero en realidad con sólo un tren epicicloidal obtendríamos 2 relaciones de cambio hacía delante y una hacía atrás. ¿Cómo hacemos para obtener más velocidades?

 

Pues aquí la respuesta. Combinando dos o tres trenes epicicloidales podemos obtener más velocidades o marchas fijas. 

Aquí os presento la caja de cambios automática Hidramatic. A la izquierda veis el convertidor de par, el cuerpo central presenta los embragues para transmisión de par, dos trenes epicicloidales y las cintas de freno para bloquear algunos elementos de los trenes epicilocidales.

 

Este esquema representa con más detalle las diferentes partes de esta caja. Por cierto, recordaros que todo el mecanismo se acciona gracias a un circuito hidráulico (de ahí el nombre de la caja).

 

Esquema del funcionamiento interno de la caja automática, donde:

• P y T = Bomba y turbina del convertidor de par, respectivamente. 
• 1 = Eje primario de transmisión del par motor. 
• 4 = Volante de inercia.
• A1, B1, C1 y I = Respectivamente, engranaje sol, engranajes planetarios, corona y tren epiciloidal nº 1.
• E1 y F1 = Respectivamente, embrague solidario nº 1 y cinta de freno nº 1. Actúan para bloquear o solidarizar movimiento en el tren epicicloidal nº 1. 
• E2 y F2 = Respectivamente, embrague solidario nº 2 y cinta de freno nº 2. Lo mismo que en el caso anterior, sólo que actúan en el tren epicicloidal nº 2.
• A2, B2, C2 y II = Engranajes sol y planetarios y corona del tren epicicloidal nº 2.
• 2 = Eje intermediario de transimisión de par motor, cuyo movimiento es solidario a los soportes de los engranajes planetarios de los trenes epicicloidales 1 y 2.
• A3, B3, C3 y III = Engranaje sol, engranajes planetarios, corona y tren epicicloidal nº 3. Este tren está montado sobre el eje secundario (3) y es responsable de la transmisión final y de la marcha atrás.

No entraremos en mucho detalle, pero para seleccionar una u otra velocidad se accionan los embragues o los frenos correspondientes, para bloquear o solidarizar movimientos de giro dependiendo de la desmultiplicación que queremos obtener.

Veamos ahora como se accionan los mecanismos que actuansobre los trenes epicicloidales.

Cinta de freno usada en trenes epicicloidales

 

Este esquema nos enseña como actua un freno de cinta, que sirve para frenar o bloquear la corona o el engranaje sol del tren epicicloidal. Es fácil adivinar que cuanta más presión de aceite, más se cerrará la circunferencia que describe la cinta, presionando y frenando por fricción la corona, ya que el anclaje es fijo.

Freno de cinta aplicado al engranaje sol

Ahora veamos como se solidarizan movimientos gracias a los frenos o embragues multidisco.

En este esquema, veis las partes principales del sistema. Como veis, gracias al tambor conectado al engranaje sol, se puede transmitir el giro y solidarizarlo con el soporte de los engranajes planetarios. Entonces diremos que el tren epicicloidal está bloqueado, ya que no hay desmultiplicación del giro.

Dos ejemplos de embragues multidisco. Fotografías para que veais como son en realidad y comentaros que el de la izquierda se utiliza en marchas cortas, y el de la derecha para marchas largas (hasta 6ª velocidad).

Y, por último, pasamos al mecanismo de mando hidráulico de la caja automática, gracias al cual el conductor no tiene que preocuparse nada más que de seleccionar las posiciones neutral, marcha atrás, Lo (sólo 1ª y 2ª velocidad) y Dr (cambio totalmente automático):

Aquí teneis el circuito completo, el circuito de mando hidráulico. Gracias a este circuito el funcionamiento de la caja puede ser totalmente automático. Pero vamos a ver (sólo por encima) los elementos primordiales que automatizan el funcionamiento de la caja.

La corredera de mando no es más que la sustituta en este tipo de cajas de la palanca de cambios y el juego de horquillas. En este caso tenemos un selector de cambio, que condiciona el camino que sigue el aceite en el circuito. En este caso la posición sería N o neutral (punto muerto).

Y aquí podeis ver diferentes posiciones, que harán cambiar el recorrido del aceite por el circuito, y así accionamos embragues o frenos distintos, para obtener distintas respuestas de la caja de cambios.

Este mecanismo es el encargado de regular la presión de aceite en el circuito, es decir sobre los actuadores. Entre las 1200-1300 rpm aproximadamente y hasta las 3000 rpm deja pasar sólo el aceite hacía los actuadores de 1ª y 2ª velocidad. A partir de las 3000 deja pasar aceite, y a más presión, hacia los actuadores de las marchas largas.

Este elemento se coloca al lado del pedal del acelerador. La misión es la de aportar un extra de presión al aceite que llega al distribuidor, y de esta manera conseguir el enclavamiento de marchas cortas cuando se necesita un plus de aceleración.

Bien, creo que por ahora hemos tenido suficiente para empezar a estudiar las cajas automáticas. Continuaremos en siguientes artículos estudiando cajas más modernas, y las semiatuomáticas, con los mecanismos de doble embrague tan de moda en estos días. Si habeis comprendido esta caja, estoy seguroque las siguientes no se os resistirán, os doy mi palabra. Hasta el próximo artículo.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.tecnomovil.com/Cursos-formacion/Cambio%20Automatico%20II/Curso-caja-cambioII.htm
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios8.htm
- http://www.sabelotodo.org/automovil/cajaautomatica.html
- http://es.wikipedia.org/wiki/Engranaje#Eficiencia_de_los_reductores_de_velocidad
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios3.htm
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios10.htm