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DOBLE EMBRAGUE – Parte II

El último día ya se habían mencionado las nuevas cajas de cambio de doble embrague, cuyas características aparentes se pueden resumir como sistemas que carecen tanto de palanca de cambios como de pedal de embrague, y normalmente se operan con un par de levas en el volante que sirven para subir o bajar marchas respectivamente.

El sistema también puede operar en modo totalmente automático, sin necesidad de actuar sobre las levas, y esta apariencia supone que inicialmente el comportamiento del sistema se asocia como una variante del cambio automático tradicional. Por otra parte su auge y novedad, junto con algunas referencias difusas o ambiguas sobre sus prestaciones en el mundo de la competición, lleva a difundir una nueva moda de controlar el cambio, con unas levas junto al volante, que se incorpora fácilmente a los cambios automáticos tradicionales tratando de rentabilizar un posible tirón comercial.

En todo caso las diferencias entre el nuevo sistema y los cambios automáticos tradicionales son mucho más radicales y profundas de lo que hacen suponer las apariencias, ya que en su configuración interna, estas cajas de cambio son mucho más parecidas a las de tipo manual, que a las automáticas.

Ya se ha comentado anteriormente que la mejor forma de ilustrar esas diferencias entre los sistemas, requiere en primer lugar distinguir con claridad las características propias de los dos (manual y automático), que ya ha sido desarrollada en la entrega anterior, para luego comparar las características del nuevo sistema con los anteriores.

Para ello, en primer lugar vamos a establecer una referencia detallada sobre la secuencia de “operaciones” que realiza el conductor durante la maniobra del cambio de marchas de tipo manual, ya que en el caso del automático no tiene que intervenir.

La Utilización del cambio manual.

En primer lugar cuando el automóvil va circulando y el conductor aborda la maniobra, la primera operación que realiza es la de “pisar” el pedal de embrague, y de forma coordinada y simultánea, “soltar” el pie del acelerador para evitar la cavitación del motor que a partir de ese momento deja de soportar la resistencia de empujar el vehículo.

La segunda operación es desacoplar la marcha o velocidad, que hasta ese momento se encontraba engranada en la caja de cambios. Para ello, se opera con la palanca, moviéndola hasta la posición de “punto muerto”.

En este punto resultaría “opcional” practicar la técnica del “doble embrague”, si el conductor está reduciendo marchas, pero eso es solo un estilo de conducción opcional, que trata de agilizar los movimientos posteriores, y en ningún caso es necesario o imprescindible. Además tampoco conviene confundir esa denominación de una “maniobra”, con el “objeto” que estamos analizando.

La tercera operación imprescindible, es la de insertar la nueva marcha, lo cual se hace desplazando la palanca a una nueva posición, recordando que durante todo este tiempo el embrague se mantiene “pisado”, y por tanto el motor está girando en vacío.

Finalmente la última operación es la de “soltar” el pedal de embrague, volviendo a pisar de forma simultánea y coordinada el acelerador, con el fin de reponer la potencia del motor para que el vehículo continúe la marcha normalmente. Este movimiento requiere una coordinación bastante “sutil” respecto al punto de conexión del embrague dentro de su recorrido, y cualquier brusquedad o falta de destreza, repercute en forma de “tirones” sobre la marcha del vehículo, debido a que la transmisión de potencia y movimiento es “rígida”.

En resumen:

  1. Pisar el pedal de embrague soltando el acelerador.
  2. Desconectar la marcha utilizada, moviendo la palanca a punto muerto.
  3. Conectar una nueva marcha, moviendo la palanca a su posición.
  4. Soltar el pedal de embrague y pisar coordinadamente el acelerador. (destreza)

En estos cuatro pasos se condensa la esencia de las cajas de cambio manuales. Durante los cuatro pasos, el motor tiene que girar en vacío y no puede transmitir potencia. Por otra parte la eficiencia de la transmisión depende en cierta medida de la destreza del conductor para coordinar esos movimientos en el menor tiempo posible, optimizando el empuje sobre el vehículo.

Este tipo de transmisión por ser un sistema rígido, tiene unos límites en cuanto a peso y potencia, del orden de los mil o mil doscientos caballos en vehículos ligeros, y menos de la mitad en vehículos pesados, ya que los “tirones” que puede producir, alcanzarían con facilidad los límites de la tensión máxima en los materiales de engranajes y barras de transmisión, pudiendo generar roturas frecuentes o incontrolables.

En cuanto a la destreza necesaria para conducir, si bien en las primeras épocas del automóvil, se asumía como algo necesario o equivalente a guardar el equilibrio en una bicicleta, el desarrollo posterior y la generalización al gran público, junto con la llegada de cambios automáticos, que ya no requieren esa destreza, supone que cada vez haya un sector más amplio de clientes, dispuesto a evitar la complicación del cambio manual. Sin embargo después de muchos intentos realizados en la industria del automóvil, para automatizar el proceso del cambio manual, y debido sobre todo a la dificultad de coordinar correctamente y en distintas circunstancias, los cuatro pasos, nunca se había conseguido un resultado práctico, que mejorase la eficiencia y coordinación de un conductor diestro, hasta la aparición de las cajas de doble embrague.

Una alternativa entre lo grotesco y lo genial

Una vez expuesto el problema, vamos a formular una propuesta imaginaria que en principio puede resultar extraña, aunque luego haremos algunos matices. Supongamos en principio que disponemos de un vehículo equipado con “dos cajas de cambio” iguales entre si y una “varita mágica”, que nos permite intercambiar entre ambas cajas, la potencia del motor de un modo instantáneo.

Ahora pasamos a analizar paulatinamente la aplicación de los cuatro pasos establecidos, para realizar un cambio de marcha. En primer lugar nos encontramos que el paso 1 (pisar el embrague) ya no es necesario, dado que al disponer de dos cajas, y aunque una de ellas esté siendo arrastrada por la potencia del motor, la otra se encuentra libre, y por tanto podemos conectar la nueva marcha en la caja libre sin necesidad de ningún embrague, con lo que hemos iniciado la nueva secuencia por el paso 3, saltándonos el 1 y el 2.

A continuación aplicamos la “varita mágica” pasando de forma instantánea, la potencia del motor desde una caja de cambios a la otra, con lo que el motor sigue empujando, aunque a partir de ese mismo instante con una marcha (o desmultiplicación) diferente, ya que hemos usado la segunda caja de cambios. Este paso no existía en la relación inicial y por tanto vamos a identificarlo como “0” (cero).

Finalmente para que todo quede como estaba, aún tenemos pendiente “desacoplar” la marcha que veníamos utilizando, y que por tanto se corresponde con el paso 2 de la relación. También hay que considerar que tampoco es necesario desconectar ningún embrague, ya que al disponer de dos cajas de cambio, la que se venía utilizando queda en vacío a partir del paso cero y por tanto la desconexión directa del engranaje no presenta ningún problema.

Finalmente podemos llegar a la conclusión de que con esta artimaña hemos reducido la lista anterior a solo tres pasos, con dos de ellos invertidos, y además nos hemos quitado de en medio el pedal del embrague, dejando algo así:

3 – Conectar la nueva marcha.
0 – Aplicar la varita mágica, cambiando la potencia a la otra caja.
2 – Desconectar la marcha anterior.

Aún queda pendiente la presencia de la palanca de cambios, aunque si lo pensamos bien nos damos cuenta de que una palanca accionada por el conductor, se debe solo a la necesidad de “coordinar” el movimiento con la acción del embrague, y si este no tiene que intervenir, resulta más razonable accionar los engranajes mediante relés o interruptores mecánicos de cualquier tipo, ya que no necesitan estar “coordinados” o “intercalados” en ninguna otra secuencia de movimientos o acciones del conductor.

Eureka!

Este parece el momento indicado para destacar que acabamos de darnos de bruces con una forma de operar mediante un cambio de marchas basado en pares de engranajes, que ya no necesita ni pedal de embrague, ni palanca de cambios. Por otra parte si queremos “traducir” la parte grotesca del ejemplo virtual, debemos recordar que la configuración de una caja de pares de engranajes, se basa en la disposición de dos ejes paralelos denominados “primario” y “secundario”, de los que el secundario recibe la potencia del motor, que pasa al primario a través de la conexión de un solo “par” de engranajes en cada momento.

Si ahora configuramos  una sola caja de cambios, pero con “dos ejes secundarios” y cada uno de ellos solamente con los engranajes de las marchas “pares” o “impares”, y además de esto, acoplamos la potencia del motor mediante “dos” embragues diferentes pero “conmutados” entre sí, de tal forma que la conexión de cualquiera de ellos genera la desconexión del contrario, resulta que hemos implantado de forma bastante razonable los requisitos anteriores, sustituyendo las dos cajas de cambio por un par de ejes secundarios dentro de la misma caja, y la varita mágica por una pareja de embragues conmutados entre sí, que aplican la potencia del motor sobre cada uno de los dos ejes secundarios de forma independiente.

1 – Conectar la nueva marcha.
2 – Conmutar los embragues, cambiando de eje secundario.
3 – Desconectar la marcha anterior.

Analizando el resultado, vemos que además de tener una secuencia de pasos que ya no depende de la destreza o coordinación de movimientos del conductor, y por tanto resulta fácilmente automatizable, también tenemos una transmisión “rígida” que permite al conductor “sentir” el empuje de aceleración del motor en cada momento, y además y lo que es casi más importante, el “tiempo” que se encuentra interrumpida la potencia del motor se ha “reducido” considerablemente ya que ahora solo depende del tiempo de conmutación entre los dos embragues del sistema (milisegundos)

Lógicamente un sistema con estas características ha pasado a convertirse prácticamente en el “Santo Grial” dentro de la competición automovilística y además puede operar indistintamente con una par de “levas” o interruptores o bien mediante un programa informático, por lo que probablemente acabe generalizándose en los vehículos compactos y ligeros, relegando los cambios automáticos mediante “convertidor de par”, a los vehículos más grandes y pesados.

Nota: Las imágenes y referencias que acompañan al artículo se han recopilado desde internet  por medio de Google, y son propiedad de sus respectivos autores.

DOBLE EMBRAGUE – Parte I

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.

Nota: Las imágenes y referencias que acompañan al artículo se han recopilado desde internet  por medio de Google, y son propiedad de sus respectivos autores.