domingo, 22 de septiembre de 2013

SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN VEHÍCULOS AUTOMÓVILES (PARTE VIII)

Hola a todos

Siento haber estado tan desligado de la página y durante tanto tiempo, pero el trabajo no me ha permitido sentarme a escribir nuevos artículos. Espero que hayais pasado unas buenas vacaciones y que, sobre todo, hayais recargado pilas.

Bien, el último artículo que redacté hablaba sobre cajas de cambio automáticas, y os expliqué como funciona una caja de cambios automática tradicional. Lo hice para que entendais cuales son los principios de funcionamiento básicos de una caja automática. Si comprendeis estos principios, entendereis como funciona cualquier caja automática, os lo garantizo.
Para empezar hoy vamos a ver como funciona una caja de cambios automática electrónica. En el anterior artículo vimos una caja automática hidráulica, pues el resultado de añadirle un control electrónico de funcionamiento es una caja automática electrónica. La ventaja principal es la mayor prontitud que se consigue en los cambios y la mejor regulación de la marcha en modo automático, con menores perdidas de potencia y par.


Aquí teneis un ejemplo de selectores de cambio de 3 cajas automáticas modernas. El de la foto central corresponde a un TT y la selección de la derecha son marchas con reductora accionada (luego explicaremos conforme avancemos en las transmisiones). La foto de la derecha es una caja de accionamiento automático o secuencial manual. Os recuerdo que cada número o letra corresponde a una posición fija de la caja automática, exceptuando la posición D o S, que son posiciones automáticas de marcha hacía delante.


Y aquí teneis un esquema de como la electrónica de cambio recoje la información, la procesa y la envía a los mandos de control hidráulicos para que actuen en consecuencia. Podeis ver la cantidad de canales de entrada de información (parte izquierda) y las de salida de la ECU (parte derecha).
Esto me direis que está muy bien pero, ¿cuáles son las señales que procesa? Veamos como procesa y de donde viene la información:
  • Electrónica del motor: Muchísimas señales del motor y del cambio se utilizan conjuntamente. Para empezar se parametrizan informaciones como el nº de rpm del motor, la carga de trabajo del motor (subir una pendiente o imprimir una aceleración fuerte), posición del pedal del acelerador, temperatura del aceite motor. Para realizar el acoplamiento de una marcha, la Unidad de Control de la caja de cambios se comunica con la ECU del motor para que este actue en consecuencia (así los cambios son más suaves y precisos). Para cambiar de marcha la ECU retarda el encendido y así disminuir el par.
  • Electrónica del tren de rodaje: Actuaciones en pos de la seguridad y de la estabilidad del vehículo en marcha. Por ejemplo, si arrancamos con piso deslizante y el control de tracción actua, el mando de cambio engranará la segunda marcha para que el par sea menor. Si el vehículo derrapa, el mando bloquea los acoplamientos de marchas.
  • Aire acondicionado: Si necesitamos potencia extra, como al subir una pendiente prolongada, el mando desacopla temporalmente el compresor del aire acondicionado.
Las primeras cajas de cambio electrónicas aún seguían siendo algo rígidas de funcionamiento, veamos un ejemplo y explico en que consiste:



Como veis, esto es un ejemplo de curva de acoplamiento. ¿Qué es? Pues la curva de acoplamiento nos indica el nº de rpm del motor y la posición del acelerador a las que realizaremos el cambio de marcha. Fijaos sólo en la línea superior, la de cambio de 3ª a 4ª velocidad. Cuanto más pisemos el acelerador, más rpm del motor exigiremos para cambiar de marcha. Esto se hace así para favorecer los adelantamientos. En cambio si os fijais en la línea inferior, las reducciónes son a menores rpm. Esto es así para proteger el motor de sobrerevoluciones.
Pero los fabricantes evolucionaron rápidamente el sistema incorporando dos nuevas curvas de acoplamiento. Estas podían seleccionarse merced a dos programa específicos, resultando la caja de cambios más versátil ya que disponemos ahora de 3 programas específicos, estos son sport, normal y eco.



El programa normal es el que anteriormente hemos visto. Ahora observemos las curvas ECO y SPORT. Como podeis ver la principal diferencia estriba en que el ECO (económico) predomina el consumo de combustible en su decisión, ya que así ahorramos. En el modo SPORT (deportivo) la unidad de control sólo tiene en cuenta parámetros de rendimiento máximo, obviando el consumo.
¿Acabó aquí la evolución de los programas electrónicos? Para nada, y de hecho ahora el concepto imperante es una caja de cambios automática adaptativa. El programa electrónico ahora tiene muchas más variables de control, no sólo las rpm y la posición del pedal del acelerador. Ahora la unidad de control puede tener datos de la resistencia al avance, tanto mecánica como aerodinámica, y actuar en consecuencia adaptándose a los deseos del conductor. Esto último es muy importante, ya que no hay dos conductores iguales, y las cajas de cambio adaptativas cambian su forma de actuación según ejerzamos una conducción u otra. 
El principio de actuación de las nuevas cajas es el denominado fuzzy logic (término inglés que viene a decir literalmente lógica borrosa). Esto es que la caja de cambios tiene muchísimas curvas distintas de acoplamiento, en vez de 3 características para aceleración y 3 para retención. Esto hace a la caja de cambios adaptativa la más versátil de todas las automáticas y es el principio de funcionamiento de cambios como Multitronic de Audi, Steptronic de BMW, etc...

Veamos ahora un elemento primordial en este tipo de cajas. Os hablé anteriormente del convertidor de par, que es la pieza que hace la transmisión del par del motor a la caja de cambios. Bien, pero si os acordais, esta pieza tenía perdidas por rozamiento que hacían que su eficacia fuera de aprox un 85%, haciendo que un 15% restante de potencia se disipara. Para evitar estas perdidas, estas cajas utilizan el convertidor de par con enclavamiento automático



Este es el esquema correspondiente al convertidor de par con enclavamiento, también llamado con embrague anulador de discos. El enclavamiento se utiliza para hacer que el convertidor de par deje de funcionar y así actue como si fuera un embrague de disco convencional, transmitiendo el par de manera inmediata (y más brusca). Para no liaros mucho, os pongo el esquema de la electroválvula que bloquea el embrague convertidor.


Hay dos posiciones de la electroválvula. Esta es excitada cuando la ECU de la caja electrónica lo requiere, y actua sobre el empujador del disco de fricción, anulando la función del convertidor de par. Esta simple actuación puede hacer que el consumo de combustible se reduzca hasta en un 8%.
Pero en una caja de cambios automática moderna nos podemos encontrar también más elementos de importancia.



Os pongo un vídeo de youtube sobre el cambio automático, porque además de que os va a servir para visualizar todo lo aprendido anteriormente, me sirve para explicar los tipos de trenes epicicloidales que se usan. En el caso del vídeo el cambio es tipo Wilson, ya que nos encontramos ante una transmisión que usa tres trenes epicicloidales. Este tipo de cambio es muy usado en cajas con relaciones de marchas cortas y largas, y superdirecta (típico de los camiones y autobuses). Los dos portasatélites (son los dos elementos principales que tienen un engranaje sol, tres planetarios o satélites y una corona de engranaje de dientes interiores). En medio hay una corona de gran tamaño que acopla los dos portasatélites.


Este es el 2º tipo de tren epicicloidal usado, el cambio tipo Simpson. Aquí sólo tenemos dos trenes epiciloidales con un piñón central común, y era muy común su uso en cajas automáticas de 3 relaciones hacía delante. El tren se compone de dos planetarios P1 y P2, que forman un sólo piñón y una unión rígida del portasatélites PS1 y la corona C2. La salida de movimiento corresponde al portasatélites PS1, y la entrada se realiza mediente un eje interior al del portasatélites, eje e, que es unido mediante embrague a los planetarios P1 y P2 o a la corona C1, dependiendo de la marcha en la que vayamos.


El cambio tipo Ravigneaux consta de sólo un portasatélites, y una corona para dos juegos de satélites. Así se consigue una reudcción de espacio considerable, sobre todo en uso de vehículos de tracción delantera donde el espacio disponible es primordial. Hay un juego de satélites largos (color verde) que engranan con un piñón grande (color naranja). Y un juego de satélites cortos (color morado) que engranan con un piñón pequeño (color azul). Tanto el piñón grande como el pequeño giran solidarios, con ejes coaxiales. Esta caja normalmente tenía 4 relaciones hacía delante y marcha atrás.





Fotografía de sección de una caja automática ZF con un tren Ravigneaux, para que veais el poco espacio que ocupa el mismo.

Otro elemento primordial, que es el que hace que se engrane una relación u otra es el freno de disco de la caja de cambios. Si os acordais del anterior artículo, utilizabamos para bloquear elementos del tren epicicloidal unas cintas de freno, que hacían que los satélites o la corona giraran solidarios al eje central de giro. Bien en las cajas más modernas se usan frenos de disco, que tienen la misma función que las cintas.


Aquí veis el esquema de accionamiento interno. Como veis son múltiples discos, similar a un embrague multidisco. Unos discos están conectados a la parte fija de la caja de cambios, su carcasa. Los otros giran con el elemento a frenar. Cuando el sistema hidráulico lo acciona, el émbolo de la figura aprieta unos discos contra otros, frenandose y deteniéndolos. 



Y aquí observais la posición del freno de disco dentro del conjunto completo de la caja de cambios.

Entre los elementos principales no puedo olvidarme de las ruedas libres, que son unas ruedas de engranaje que sirven para bloquear un elemento en particular de cada tren epiciloidal. Sólo permiten el giro en un sentido, bloqueándolo en el otro. Hay dos tipos fundamentales, siendo similar su cometido. 
  • Rueda libre de rodillos: Entre el cuerpo interior y el exterior, encontramos unas hoquedades que se estrechan en la que unos rodillos entran. Estos están apretados por un muelle, y al girar el cuerpo interior en el sentido de bloqueo los aprieta de manera que bloquean el cuerpo exterior, que deja de girar y, con él, el engrane que haya conectado.
  • Rueda libre con cuerpos de apriete: Para el mismo tamaño permite transmisiones superiores de par, pero es más costoso. Encontramos unos cuerpos de apriete en forma de haltera, apretados por una jaula de muelle entre el cuerpo interior y el exterior. Al igual que el anterior caso, en el sentido libre de giro, los cuerpos se abaten y no aprietan. En el snetido contrario, impiden el giro al levantarse y apretar.
  • Rueda de aparcamiento: Muchas cajas usaban este sistema de piñón para, en la posición P de la palanca, bloquear la salida de la caja de cambios, para impedir el giro del conjunto y no transmitir par ninguno. Este piñón lleva una pieza que enclava en la corona que bloquea el conjunto.

Aquí teneis dos esuqemas de ruedas libres usadas, no siempre, en cajas de cambio automáticas.

Pero todo lo anterior no funcionaría sin el elemento principal de la caja de cambios automática, el circuito hidráulico. Este es el que realmente efectua los cambios y las operaciones en el momento correcto y de la manera más eficaz. Si el fluido hidráulico (aceite) no estuviera en condiciones, o alguna parte del circuito, es más que probable que nuestro vehículo no comience ni a andar. 


Este es el esquema hidráulico de una caja de cambios, que como veis no es muy complicado, sólo que la complicación viene dentro de la caja, en los mandos de gobierno de la misma (dispositivo hidráulico). El aceite se enfría gracias a la propia refirgeración del motor.



La bomba de aceite es la encargada de generar unos 12 Kg de presión para que los mandos de la caja funcionen correctamente. En este caso observais una bomba de tipo meniscal, que es la más usada. Estas bombas son muy robustas y son accionadas por el motor a velocidad de régimen. 


Esquema del dispositivo hidráulico, encargado de comandar los trenes epicicloidales. Consiste en una serie de carcasas superpuestas con canales para que circule el fluido hidráulico, comandado por electroválvulas que regulan la presión adecuada a las señales electrónicas y que regulan el paso de aceite por entre carcasas. Puede ir montado a un lado o debajo de la caja de cambios. Si va montado debajo (caso general), parte de los canales de aceite están contenidos en el interior de la caja de cambios. Las electroválvulas se colocan en el exterior del dispositivo para hacer más sencilla la reparación de alguna de ellas.


En la foto observais las electroválvulas y el dispositivo hidráulico tapado. Dentro de esa carcasa hay una serie de canales laberínticos para otorgarle al aceite la presión adecuada y así accionar los distintos frenos y demás elementos. Este dispositivo además está conectado a la palanca selectora de cambio.



Esta es la vávula gobernadora encargada de regular la presión en la salida del dispositivo hidráulico.

En fin, creo que por hoy ya hemos visto suficiente, no sin olvidarme de deciros que visiteis la web de VirutasF1, en la cual tengo el placer de redactar artículos técnicos relacionados con la Formula 1. Podeis acceder clickando en la imagen de la web a la derecha de este artículo, junto con otros enlaces interesantes a otras webs. Hasta pronto.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.cajas-automaticas.com/componentes-funcionamiernto-cajas-automaticas.html
- http://automatikompleta.blogspot.es/
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios6.htm