LA CAJA DE CAMBIOS de DOBLE EMBRAGUE
Hoy voy a cambiar el tema para saltar al mundo de las aficiones, y más concretamente a la “Caja de Cambios” o cambio de marchas en los automóviles.
El cambio de marchas de un automóvil, constituye el mecanismo básico que sirve para acomodar la velocidad de giro del motor y su correspondiente entrega de par y potencia, con la propia velocidad del automóvil en cada momento o circunstancia. La diversidad de circunstancias resulta obvia pensando en el inicio de la marcha, la diferencia entre incrementar velocidad o mantenerla constante, o el súbito incremento para realizar adelantamientos con seguridad. Por otro lado la disponibilidad de potencia y par motor resulta diferente según que el régimen de giro, sea más alto o más bajo.
El “cambio de marchas” lógicamente se encuentra muy relacionado con la “destreza” del conductor ya que durante este proceso, es necesario “estimar con cierta antelación” el margen de par y potencia con las que el automóvil puede responder, ya sea en el próximo adelantamiento, al subir una pendiente o en la salida de la próxima curva.
Tradicionalmente se han desarrollado un par de sistemas diferentes para resolver el problema. Por un lado las transmisiones o “cajas de cambio” con accionamiento manual, y en contraposición las transmisiones o cambios automáticos.
La diferencia entre ambos tipos de mecanismos siempre ha sido bastante clara, con independencia de la formación o conocimientos técnicos de cada usuario. Los “cambios manuales”, requieren un accionamiento directo por parte del conductor, lo que implica un cierto nivel de destreza y mayor complejidad en la conducción, y en cambio los “cambios automáticos” responden por sí mismos en cada situación, y por tanto el conductor ya no tiene que intervenir. Esto motiva que los sistemas automáticos se asocien a confort y comodidad, y los manuales con un espíritu más deportivo y de capacidad de control sobre el comportamiento dinámico del coche.
Esta diferencia cualitativa además de servir para distinguir ambos sistemas, ha contribuido a marcar un determinado “sesgo” bastante subjetivo y estereotipado, que se refuerza con el marketing comercial, y no siempre responde a la racionalidad de sus características técnicas. Este panorama se complica últimamente con las nuevas cajas de “doble embrague” que comparten características de ambos sistemas, pero cuya promoción comercial como sistema novedoso, induce a confundirlo con sistemas automáticos, enfatizando ciertas características parciales como “cambio secuencial”, o “levas en el volante”, que enseguida son canibalizadas por la promoción comercial del cambio automático tradicional.
En mi opinión la mejor forma de establecer con claridad la diferencia entre los distintos sistemas, es revisar primero las características fundamentales que diferencian el cambio manual respecto al automático, para luego analizar con respecto a la “utilización funcional” de un cambio manual, las diferencias que se añaden con los nuevos cambios de doble embrague.
El Cambio Manual
Se trata del primer sistema históricamente desarrollado, que se basa en la idea de disponer una serie de “pares de engranajes”, colocados entre dos ejes paralelos anclados dentro de una caja. Cada “pareja de engranajes” se corresponde a una de las velocidades o relaciones del cambio de marchas.
Cada uno de los dos engranajes que forman el par, tiene distinto diámetro, aunque la suma de ambos se mantiene fija, de acuerdo con la separación entre los ejes. La proporción entre el número de dientes de cada engranaje de la pareja, es precisamente la “relación” del cambio que corresponde a cada una de las “marchas”. La transmisión del movimiento se realiza impulsando uno de los dos ejes desde el motor, y mediante la conexión, exclusivamente de una sola pareja de engranajes en cada momento, el otro eje es “arrastrado” con la desmultiplicación establecida por la proporción entre el número de dientes de cada uno.
El “cambio” para pasar a otra marcha diferente, se realiza por el conductor, accionando con la mano una “palanca de cambios” mediante la que conecta otra pareja de engranajes distinta, siempre con la condición necesaria, de haber separado previamente la que estaba conectada.
Para realizar esto, también es necesario desconectar momentáneamente el impulso de arrastre del motor, mediante un “embrague” que se sitúa por delante de la caja de cambios, y se acciona pisando un pedal. Este se mantiene pisado hasta que se termina de acoplar la nueva marcha y al soltarse, vuelve a reponer el impulso del motor.
Los dos ejes en la caja se distinguen con la denominación de “primario” y “secundario”, siendo el primario, el que realiza la salida del movimiento ya desmultiplicado sobre la transmisión y las ruedas, y secundario el que recibe el impulso desde el motor y el embrague.
El Cambio Automático
Este tipo de cambio se desarrolla en torno a los años 50s en USA, y supone por un lado mayor sencillez y comodidad de conducción ya que no es necesario manejar el cambio de marchas, pero por otra parte es un sistema más complejo pesado y caro. A pesar de estas características, el desarrollo económico del mercado americano de la época, el nivel medio de tamaño y potencia de los coches, y el acceso al “uso” del automóvil de un extenso público femenino, poco dado a valorar las destrezas de conducción por encima del sentido práctico de facilitar el desplazamiento, aseguran un “éxito comercial” que se generaliza inicialmente por los coches más grandes o caros incrementando paulatinamente la presencia aunque menos frecuente, por los coches más compactos y económicos.
Este tipo de mecanismo, dispone también de una “caja con engranajes” y un sistema previo denominado “convertidor de par” que puede evocar un embrague, pero ambos sistemas son radicalmente distintos entre sí. Los cambios automáticos son transmisiones en general más robustas y pesadas que las de tipo manual y una de sus diferencias básicas, es que las cajas manuales transmiten la potencia y el movimiento de una forma “rígida”, y sin embargo en las automáticas hay un acoplamiento “hidráulico” que tolera cierto grado de deslizamiento.
Esta característica está también vincula con su origen, ya que las transmisiones hidráulicas proceden y resultan indispensables, en el mundo de la maquinaria “pesada”, canteras y obras públicas en general, ya que “detener” o “impulsar” vehículos de cientos de toneladas, con potencias de miles de caballos, que pueden producir tirones bruscos con cierta facilidad, asegurarían la “rotura” de cualquier sistema “rígido” de transmisión.
Esa falta de “rigidez en el acoplamiento de la transmisión se debe al “convertidor de par”, que es un mecanismo que intercepta el movimiento de giro procedente del motor, y lo transmite a la caja de engranajes posterior. El mecanismo internamente está configurado por una especie de “turbina” hidráulica, que consiste en un par de rotores con álabes o paletas de geometría muy ajustada y precisa, que a su vez forman una cámara “toroidal” (rosquilla), llena de un líquido hidráulico cuyo movimiento de giro en forma de espiral enrollada a lo largo de la rosquilla, “arrastra” al segundo rotor, y transmite la “potencia” en función de la velocidad de giro del torbellino y la inclinación particular de los álabes o paletas.
Evidentemente cuando la velocidad de giro es lenta, ese torbellino “transmite” muy poca fuerza, y es posible mantener un vehículo detenido aunque el motor se encuentre girando, pero a medida que se incrementa su velocidad, la “fuerza” que transmite el torbellino es capaz de desplazar el vehículo con normalidad y a plena potencia del motor.
Lógicamente en este punto radica una de las características más peculiares sobre este tipo de caja de cambios, y hace que en el mundo de la competición o de los aficionados a conducir, esta transmisión se valore con cierto desdén, ya que si lo analizamos cuidadosamente, enseguida se comprende que cuando un coche se está desplazando a cierta velocidad y queremos que “acelere” con toda la fuerza o potencia disponible, primero se “pisa” el acelerador, y en respuesta el motor incrementa bruscamente su “par motor” o “fuerza del giro” que luego se convierte paulatinamente en un aumento de la velocidad.
Cuando la transmisión es de tipo “rígido” como en un cambio manual, el conductor puede “sentir” de forma inmediata ese incremento brusco en la “fuerza del motor” respondiendo a su acción sobre el acelerador, pero sin embargo cuando la transmisión es hidráulica, para que haya un incremento de fuerza apreciable, primero tiene que aumentar la velocidad de giro dentro del convertidor de par, para que este pueda generar el incremento de “fuerza” sobre las ruedas, y esto supone un relativo “desfase” desde que se acciona el acelerador, hasta que el conductor pueda “sentir” la respuesta.
A continuación del convertidor de par, se encuentra propiamente la “caja de engranajes”, pero en este caso ya no se utilizan los pares de engranajes propios de la caja manual, sino que se disponen varios conjuntos de engranajes “epicicloidales”, que se combinan entre sí a lo largo de un eje único. Estos conjuntos de engranajes están formados por un engranaje central denominado “planetario” que gira sobre el eje. Sobre este engranaje se colocan otros tres o cuatro engranajes más pequeños que lo rodean engranados sobre él formando un conjunto combinado que se denominan “satélites”. Sobre el contorno exterior de los satélites, se dispone a su vez una “corona” engranada sobre ellos, de forma que todo el conjunto puede admitir distintas combinaciones de movimiento según se vayan bloqueando unos elementos u otros.
En un caso podemos “bloquear” el planetario central, y entonces al aplicar un giro a la corona exterior, se arrastra el conjunto de satélites que quedan obligados a rodar sobre el planetario inmóvil. Si bloqueamos el movimiento de la corona exterior, un giro del conjunto de satélites, produce el arrastre del planetario central y viceversa. Así mismo si se bloquea el giro del conjunto de satélites, el impulso del planetario arrastra la corona en sentido inverso o viceversa.
El Funcionamiento de un sistema epicicloidal
Cuando se combinan entre sí de forma adecuada varios conjuntos epicicloidales, y se actúa selectivamente bloqueando las combinaciones posibles, junto con la configuración de sus tamaños y número de dientes, se consiguen distintas “relaciones” de desmultiplicación, que son controladas con un sistema de válvulas hidráulicas que actúan en función de velocidad y presión, de una forma completamente automática.
El cambio de doble embrague
Este es a grandes rasgos el panorama de los sistemas de cambios de marchas, tradicionales, hasta que se han empezado a generalizar los de doble embrague. Este tipo de sistemas en cuanto al uso, se parecen al “automático” porque desaparecen el pedal de embrague y la palanca de cambios. Sin embargo aparecen una “levas” en el volante con las que se pueden cambiar las marchas o bien dejar que el sistema opere de forma automática.
A pesar de esa apariencia similar a un cambio automático tradicional, y que la moda de “levas en el volante” se ha exportado a los cambios automáticos tradicionales, el mecanismo interno no tiene nada que ver con ellos, ya que se trata de cajas con un sistema de “pares de engranajes” y “embragues” de fricción, lo que supone una transmisión “rígida”, que ha conquistado el mundo de la competición de forma casi exclusiva.
Dada la extensión del tema prefiero aplazar el resto, para desarrollar en la próxima entrada una explicación más completa.