El funcionamiento de la Caja de cambios automática, 2020

A modo de introducción

Muchas personas y sobre todo usuarios se hace esta pregunta ¿cómo es funcionamiento de la Caja de cambios automática, ¿Por qué los vehículo necesitan una caja de cambio de velocidades?
La potencia y el par desarrollados por los motores térmicos varían en función del régimen de giro. Normalmente el mayor par motor se obtiene a un régimen inferior al de la mayor potencia. La potencia de un motor varía fundamentalmente con el régimen.

En la figura se representan las curvas características de potencia y par motor en función del régimen de giro. Se observa que el par motor máximo se obtiene a 3000 rpm, mientras que la potencia máxima a 5400 rpm.

Si el motor está trabajando en el intervalo fijado por esas dos velocidades de giro y aumenta la resistencia a vencer en la marcha del vehículo (ejemplo: subir una cuesta), se provoca una disminución de la velocidad de régimen, pero también un aumento del par motor desarrollado. Esto lleva a una nueva condición de equilibrio a un régimen más bajo, por lo que se dice que el funcionamiento del motor es estable en el intervalo 3000-5400 rpm.

La velocidad de 3000 rpm es el límite inferior de estabilidad de este motor. Si el motor está trabajando a un régimen inferior y aumenta la resistencia a vencer en la marcha del vehículo, el régimen del motor cae, esto hará disminuir el par y la potencia desarrollados. Por ello el motor se irá desacelerando poco a poco hasta calarse.

Resulta evidente que hay que conseguir que el motor trabaje en el intervalo de velocidades estable independientemente de la resistencia encontrada por el vehículo durante la marcha. La caja de velocidades es el medio para conseguir dicho funcionamiento: es un transformador de velocidad y par motor que altera par motor y velocidad de régimen, pero respetando el producto de ambas (la potencia se conserva si despreciamos las pérdidas).

El par queda multiplicado por la relación de radios R2/R1 y la velocidad de giro por la inversa de dicha relación. Si la relación de radios fuese 3 el dibujo sería el de la derecha.

Esta posibilidad se aprovecha para transformar el par proporcionado por el motor, que es prácticamente constante en el intervalo de funcionamiento estable, en otro par mayor capaz de vencer la resistencia que se oponga a la marcha del vehículo. Para ello se montan entre el árbol motor y el eje de las ruedas, parejas de engranajes con distintas relaciones de transmisión, de manera que quedan acopladas las parejas de piñones más apropiadas a cada una de las condiciones de marcha del vehículo.

Cajas automáticas, video #1

Cajas automáticas, video #2

Cajas automáticas, video #3

Tendencias actuales en vehículo de cambio automáticas

Actualmente el 80% de las transmisiones europeas son manuales, mientras que en América y Japón prácticamente el 100% son automáticas. ¿A qué razones responde esta discrepancia? Fundamentalmente son tres las desventajas de las transmisiones automáticas:

1. Son un 80% más caras.
2. Su funcionamiento es menos eficiente desde el punto de vista del rendimiento y del
   consumo.
3. El conductor no tiene pleno control sobre el vehículo.

Así y todo, en unos diez años se prevé que el 36% de los coches funcionen con transmisiones automáticas, ya que facilitan la conducción (aunque también le restan encanto) y
además se está mejorando el aspecto del consumo.

En la línea del consumo o la eficiencia, puede decirse que las CVT consiguen rendimientos mecánicos cercanos al 90%. Es un valor menor que el de las manuales, pero la conducción es más sencilla. Quizá la solución más conveniente desde el doble punto de vista de la facilidad de manejo y el rendimiento es el de las transmisiones semiautomáticas. Además, las diferencias de construcción entre las cajas semiautomáticas y las manuales son mínimas y por tanto las fábricas de coches pueden conseguir esta evolución con una baja inversión inicial.

De hecho, un ejemplo de ello lo tenemos con uno de los Twingos de la Renault.
En otro orden de cosas, debe señalarse que la vida para la que se diseñan las transmisiones de los automóviles ha crecido de 200.000 a 300.000 km en los últimos 25 años.
Esto ha sido posible gracias al desarrollo de materiales y lubricantes que mejoran significativamente los desgastes y los calentamientos. También han contribuido a ello las
potentes técnicas de diseño y cálculo actuales, que permiten cuidar ya desde las etapas de diseño aspectos como el ángulo de presión y la geometría del diente para mejorar la relación de contacto entre dientes. Una alta relación de contacto reduce las vibraciones y el ruido y proporciona un mejor reparto de carga entre los diferentes dientes.

Clasificación de las cajas de cambio comerciales

La variedad de la oferta de cambios no manuales es tal, que conviene hacer una pequeña clasificación:

• Cambio semiautomático: no hay convertidor de par, sino un embrague y una palanca convencionales, aunque no hay pedal de embrague. Un vehículo en la propia palanca de cambios y otro en el acelerador detectan la intención del conductor de cambiar de marcha, y mandan una señal que controla el embrague.
  Ejemplos: en la Clase A de Mercedes, Twingo Easy y Sensonic de Saab.
• Cambio automático por variador continuo (CVT): ver apartado 8.
• Cambios automáticos: con convertidor de par y trenes epicicloidales. Hay de tres tipos:
• Sencillos: sólo hay que seleccionar la posición “D” en la palanca y conforme a
  una ley preestablecida el cambio selecciona una marcha superior al subir de un
  régimen determinado, y una inferior al bajar de otro régimen.
• Con control electrónico y varios programas de funcionamiento: uno deportivo en el que se estiran las marchas, uno económico en el que se busca siempre la relación más larga y otro llamado “invierno” que selecciona la segunda para arrancar evitando las pérdidas de tracción. Ejemplo: en la clase A de Mercedes.
• Inteligentes o adaptativos. En vez de programas fijos, un ordenador analiza las condiciones de la carretera y el estilo del conductor en base a los datos recogidos por distintos sensores. Una vez procesados, el ordenador memoriza estos datos y selecciona la secuencia de cambios más lógica en función de lo que va almacenando. Ejemplos: INVECS-II de los Mitsubishi Carisma y Galant, cambio DSP del Volkswagen Passat.

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Además hay cambios que combinan varios de los antes mencionados dependiendo si se
usan en su modo manual o automático:

• Automático secuenciales: pueden ser como el Tiptronic de Audi o el Steptronic de BMW que pueden funcionar como automáticos adaptativos o secuenciales5 o como el Autostick de Chrysler que combina un cambio automático electrónico con uno secuencial. El Tiptronic también lo usan: Porsche en sus modelos 911 y Boxster, y el Honda Prelude.
• Softip del Smart: tiene un embrague automático. Puede funcionar metiendo manualmente las marchas como en uno secuencial o en modo automático con tres programas.

A continuación se analizarán dos casos concretos de cajas de cambio comerciales: 

Audi Multitronic
Audi ha desarrollado un tipo de transmisión “sin pasos” que elimina todos los inconvenientes que tiene la caja de cambios manual, mejorando las estrategias de cambio de
velocidad. Se trata de la transmisión multitronic. Según las pruebas realizadas el multitronic, a diferencia de la caja de cambios manual de 5 velocidades:

• Se obtiene una mejor aceleración
• Consume menos gasolina
• Conducción más cómoda

El Audi multitronic deriva del CVT (continuosly variable transmission), sistema actualmente en el mercado, desarrollando numerosas modificaciones y mejoras. Emplea un
embrague multidisco que elimina las típicas perdidas en la transmisión, ofreciendo variedad en el comienzo de estrategias. Estas son seleccionadas por el circuito electrónico de control de acuerdo con las preferencias del conductor, detectadas mediante el modo de utilización del pedal del acelerador. El embrague multidisco de control electrónico tiene también la ventaja de tener una conducta constante de velocidad.
También se ha conseguido eliminar el “rubber band effect” muy criticado en el sistema CVT. Esto se ha conseguido mediante un doble pistón principal en el variador y la separación del
flujo de aceite de alta presión y los circuitos de refrigeración, con lo que se obtiene que la bomba de salida del circuito hidráulico sea más suave que una convencional.

Alfa Romeo Selespeed
Alfa Romeo ha desarrollado un sistema de cambio basado en la caja de cambios secuencial empleada en la Fórmula 1 por Ferrari. Se trata de la caja de cambios Selespeed,
similar a la caja de cambios Tiptronic empleada por otros fabricantes de coches. La diferencia respecto al cambio de Fórmula 1 está en que la Selespeed también se puede emplear como
cambio automático.

El funcionamiento de la caja de cambios Selespeed está prácticamente robotizado. El conductor solamente se encarga de decidir si subir o bajar de marcha pudiendo hacerlo de dos
maneras posibles, empleando para ello la palanca de cambios o bien los botones que existen en el volante. Si se emplea la palanca de cambios bastaría con dar un simple toque para adelante o para atrás para subir o bajar marcha, si se emplean los botones del volante bastaría con pulsar
uno de los botones para cambiar.

Tres actuadores se encargan de que se produzca el cambio de marcha. Uno se encarga de controlar el embrague, para que en el momento de que se vaya a producir el cambio de marcha este se encuentre desembragado, otro se encarga de que engranen, ajustando automáticamente la velocidad del motor para que sea la adecuada para la nueva relación y el tercero controla la selección de la velocidad, esto es, cual es la relación de marcha que debe meter.

Para empezar a mover el coche simplemente hay que pisar el freno y meter primera o marcha atrás, empleando la palanca de cambios o bien los botones del volante. Con la marcha metida se libera el pie del freno y se pisa el acelerador y el Selespeed comienza a actuar. Una vez el coche va a más de 10 km/h se puede emplear la palanca de cambios para cambiar de marcha.

Si los dos controles son empleados a la vez accidentalmente, la palanca de cambios tiene preferencia sobre los botones del volante.
En las maniobras de frenada de emergencia, el sistema Selespeed reduce automáticamente las marchas consiguiendo una fuerza de frenado adicional.
El sistema Selespeed es un sistema hidráulico, controlado por un ordenador que emplea una bomba eléctrica para producir la energía para el sistema para poder operar. El sistema
hidráulico se encarga tanto del embrague como de la marcha. La bomba se activa cuando la puerta del conductor es abierta, asegurando la suficiente presión hidráulica para arrancar el
motor.

Como ya se ha dicho, Selespeed puede emplearse como caja de cambios automática. Si se emplea esta posibilidad, el conductor ya no tiene ni siquiera que decidir el cambio de marchas.
El funcionamiento de esta es similar a la que se ha explicado en este trabajo.

Si el conductor está empleado la posición automática y en un momento dado decide emplear la forma secuencial, no tendría que frenar la marcha, simplemente bastaría con dar un
pequeño golpe a la palanca o con pulsar alguno de los botones del volante y directamente pasaría a la forma secuencial.