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Caja de velocidades automática del automóvil

No es posible en el automóvil hacer funcionar el motor directamente al resto del tren de fuerza en todo momento, debido a que las necesidades de torque durante el comienzo del movimiento desde la situación de parada, o en caso de grandes cargas, por ejemplo en una subida, necesitan de un par motriz mas elevado del que el motor directamente puede producir. Para solventar este inconveniente los automóviles se dotan de una caja reductora de cambio variable colocada entre el motor y el resto del tren de fuerza que permite amplificar el par motor de acuerdo a las necesidades de la situación en particular. A esta caja reductora se le llama caja de cambios o de velocidades y pueden ser básicamente de tres tipos:
  1. De cambios manuales.
  2. De cambios semi automáticos.
  3. De cambios automáticos.
En este artículo trataremos las cajas de cambios automáticas y semi automáticas.

Contenido del artículo
Engranajes planetarios
El otro reductor disponible
Caja de velocidades semiautomática
Caja de velocidades automática
En las cajas clásicas de cambio manual las etapas de amplificación del par motor se hacer cambiando el acople de diferentes trenes de engranajes con mayor o menor reducción, es fácil darse cuenta, que estos cambios de reducción no pueden hacerse de manera adecuada y suave con el motor conectado y trasmitiendo potencia a la caja de velocidades, y esta a su vez al resto de la trasmisión, ya que se intentarán acoplar dos árboles; el de entrada y el de salida, que giran a diferente velocidad, de hacerlo, necesariamente se produciría un choque violento entre los dientes de los engranes involucrados en su interior, que es inaceptable para el mecanismo. Se desprende entonces, que en este caso, es absolutamente necesario el uso del embrague mecánico.

Esto implica, que para hacer los cambios automáticos o semi automáticos donde el embrague mecánico no existe no se puede acudir a trenes de engranajes desplazables, hay que buscar otro método de cambiar las etapas de reducción sin la necesidad de acoplar dientes en movimiento. La solución está en los engranajes planetarios, veamos como funcionan:

Engranajes planetarios.

En la figura 1 se muestra un esquema típico de un engranaje planetario de los que se usan en los automóviles. En todo momento, los engranes están acoplados, pero pueden brindar mas de un escalón de reducción/amplificación de velocidad o torque en dependencia de como se use.

Estos trenes, también llamados epicicloidales, constan de cuatro partes:
  1. Un engrane central llamado sol, representado en azul.
  2. Uno o mas engranes de igual número de dientes que giran alrededor del sol y que reciben el nombre de satélites o planetas, representados en rojo.
  3. Una armadura o brazo donde están los ejes de giro de los satélites, representado en negro.
  4. Un anillo envolvente dentado interiormente donde engranan los satélites y que también se le llama corona, representado en verde.
En este conjunto tenemos tres posibilidades de entrada de potencia: el sol, la corona y la armadura y para que no gire como un todo, tenemos necesariamente que fijar uno de los otros elementos en cada caso, convirtiéndose en la salida el que queda libre. Así se tienen las posibilidades siguientes:
  1. Entrada por el sol, corona fija y salida por la armadura.
  2. Entrada por el sol, armadura fija y salida por la corona.
  3. Entrada por la corona, armadura fija y salida por el sol.
  4. Entrada por la corona, sol fijo y salida por la armadura.
  5. Entrada por la armadura, corona fija y salida por el sol.
  6. Entrada por la armadura, sol fijo y salida por la corona.
De estas seis posibilidades se pueden considerar solo tres verdaderamente diferentes, las otras tres son iguales en cuanto a relación de trasmisión pero con giro de sentido contrario, es decir se convierten en mecanismos de amplificación de velocidad con las mismas relaciones que los esquemas de reducción y vice versa.

Siendo físicamente exactos, las velocidades de rotación de los diferente elementos involucrados en el mecanismo responden a la siguiente ecuación:

(2 + nc + nωs − 2(1 + na = 0
Donde:

n es el factor de forma del sistema y se define como:

formula

Ns =Número de dientes del sol

Np =Número de dientes del planeta o satélite.

ωc, ωs, ωa = velocidades de rotación de la corona, el sol y la armadura respectivamente.

Engranaje planetario

Figura 1. Esquema de un engranaje planetario típico



El cálculo de cada una de las posibilidades de acuerdo a la ecuación resulta innecesario para los intereses de esta página, por lo que solo nos concentraremos en aquellas posibilidades que se usan en la práctica del automóvil mas frecuentemente. Si ahora consideramos que el mecanismo planetario tiene un sol con el número de dientes S = 72 y una corona de dientes C = 24 los resultados de las tres combinaciones utilizadas en la práctica del automóvil se resumen en la tabla 1 a continuación (el signo -) significa que gira en sentido contrario.

Caso
Entrada
Salida
Fijo
Cálculo de la relación de trasmisión
Valor de la relación (vueltas de la entrada:vueltas de la salida)
1
Sol
Armadura
Corona
1 + C/S
4:1
2
Armadura
Corona
Sol
1 / (1 + S/C) 0.75:1
3
Sol
Corona
Armadura
- C/S
-3:1
Tabla 1. Cálculo de las relaciones de trasmisión para las diferentes combinaciones.

Como conclusión tenemos que con los engranajes planetarios, podemos tener lo que necesitamos para una caja de velocidades, es decir, disponer de un reductor, simplemente utilizando un freno para inmovilizar alguna parte del mecanismo y sin tener que desplazar engranajes. Mas adelante veremos como se usa en la práctica.

El otro reductor disponible.

Aunque ya disponemos de un mecanismo capaz de introducir o quitar reducciones en el tren de fuerza, si lo colocamos dentro de la caja de velocidades, aun tenemos el problema de que cuando el automóvil se detiene hay que desconectar la trasmisión para que el motor siga funcionando sin interrupción, para este último propósito podemos contar con el embrague hidráulico de desconexión automática, o mejor aun, con el convertidor de par, el que además de cumplir la función de desconexión, se convierte en otro reductor adicional que se coloca en serie con el planetario descrito arriba.

Con estos elementos ya podemos entrar en la descripción general de una de estas cajas de velocidades, empecemos por la semi automática.

Caja de velocidades semi automática.

En este tipo, lo mas común es que se use un embrague hidráulico para producir la necesaria desconexión entre el motor y la caja, pero los cambios se hacen manualmente a voluntad del conductor, utilizando algún mando a su alcance dentro de la cabina de manejo.

Cuando se trató mas arriba el engranaje planetario llegamos a la conclusión de que si hacemos la entrada por el sol, sacamos la potencia por la armadura y fijamos  la corona obtenemos una gran reducción, pues bien, este es por lo general el método que se usa en las cajas semi automáticas.

Basémonos en la figura 2, en ella se ha representado esquemáticamente una de las formas mas comunes usadas en las cajas de velocidades semi automáticas. Observe que se usa un freno de banda para inmovilizar la corona, de esta forma, el par que se aplica por el sol, resulta amplificado en la armadura que girará a mas baja velocidad.

En las cajas reales lo que se hace es colocar un tren de varios de estos paquetes en linea, con todos los soles como parte integrante del árbol de entrada (la salida del embrague hidráulico que viene del motor) y todas las armaduras solidarias con el árbol de salida que va al puente motriz.

Cada uno de los paquetes planetarios tiene una relación de trasmisión diferente, de forma que podemos ir cambiando la amplificación del torque de salida a medida que frenamos la corona de uno u otro paquete planetario.

Lo mas común es que el dispositivo de accionamiento de los frenos de banda sea hidráulico, con un cilindro de fuerza que aplica la banda a la corona como puede verse en la figura 2, el aceite a presión lo suministra una bomba colocada al efecto dentro del cuerpo de la caja de velocidades, y que recibe movimiento constante desde el motor. Esta bomba a su vez mantiene el nivel de aceite en el embrague hidráulico y lo fuerza a circular por el radiador de enfriamiento.

El elemento marcado como anclaje en la figura 2 está fijo al cuerpo de la caja de velocidades y sirve además como mecanismo de regulación de la holgura entre la corona y la banda, a fin de poder compensar el desgaste que se produce con el uso, debido al deslizamiento que se produce  durante el tiempo breve en que la banda logra aplicar suficiente fuerza de frenado para inmovilizar la corona.

Para cambiar la relación de trasmisión, es decir, el paquete planetario cuya corona se inmoviliza, se usa un sistema de electroválvulas que abren y cierran el paso del aceite al freno en cuestión de acuerdo a la selección del conductor en la cabina. Hay un paquete especialmente dedicado para la marcha en reversa.

Todos estos sistemas de mando de los frenos de bandas están dotados de algún dispositivo de seguridad, tanto en la comunicación hidráulica, como en el sistema de mando eléctrico, para evitar a toda costa que por accidente se puedan frenar mas de una corona a la vez, cuestión que sería desastrosa para la caja de velocidades que resulta totalmente bloqueada con un motor funcionando en la entrada y la inercia de todo un vehículo por el otro.

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Figura 2. Paquete planetario con freno de banda


Freno multidisco

Figura 3. Representación esquemática de un freno multidisco


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Figura 4. Aspecto real de un freno multidisco.

En la figura 3 se muestra esquemáticamente otro sistema que se usa con frecuencia en las transmisiones semi automáticas, el embrague multidisco, en este caso lo mas común es que se utilicen para acoplar alguno de los elementos del engranaje planetario al árbol de salida o para inmovilizar algún elemento del engranaje planetario diferente de la corona cuando se usan con otros tipos de combinaciones de reducción. Una vista del aspecto real de estos embragues se muestra en la figura 4.

Note que en estos tipos de embragues, un grupo de discos están solidarios al árbol de entrada, pero se pueden desplazar en él debido al montaje interior con estrías, el otro grupo hace lo mismo con el cuerpo del embrague o tambor, que es parte del árbol de salida. Cuando se suministra presión de aceite, esta mueve un pistón interior que aprieta unos discos contra otros y con ello se produce la trasmisión de fuerza entre el árbol de entrada y el de salida.

Los dos juegos de discos son de naturaleza diferente, uno de ellos está constituido por discos de acero templado, de superficie plana y pulida, mientras que el otro juego consta de discos también de acero templado pero recubiertos de un material antifricción como el bronce y su superficie está dotada de canaladuras para facilitar la lubricación entre las superficies. Recuerde que mientras no se logre el debido anclaje entre las dos partes, se está produciendo un fuerte rozamiento entre los juegos de discos.
En la figura 5 se muestra un esquema de como se puede operar en la variante con embragues multidiscos en una transmisión real.

El eje de entrada está conectada a la corona (gris), el eje de salida está conectado a la armadura (magenta), y también a una de las series de discos del embrague. El sol está conectado al  tambor del paquete (verde), el que también está conectado con los otros discos del paquete del embrague. El tambor está rodeado de un freno de banda (rojo) que se puede accionar para frenar el tambor y con él también al sol.

Cuando ni el embrague multidico ni el freno de banda están aplicados, el sistema estaría en neutral. Al girar el eje de entrada, los satélites giran libremente sobre el sol, y al mismo tiempo hacen girar la corona, pero como ningún elemento está fijo, el movimiento se convierte en giro libre y no se produce fuerza en el árbol de salida.

Para poner la unidad en modo de reductor, se frena el tambor usando el freno de banda, ahora el sol se se encuentra fijo y la salida la suministra la armadura con una elevada reducción, digamos que primera marcha.

Para cambiar a marcha en directa, la banda se libera y el embrague se aplica para bloquear juntos el tambor y la armadura, esto hace que todo el conjunto gire como un todo y de esta forma la salida y la entrada marchan a la misma velocidad.

Al igual que con la caja de cambios manuales, para operar una caja semi automática el conductor debe tener cierta pericia, y "familiarizarse" con el "tiempo de respuesta" del vehículo, en este caso la diferencia básica es que no hay que oprimir el pedal del embrague, pero sí se debe quitar el pie del acelerador para que el motor baje las revoluciones por minuto y el embrague hidráulico haga la debida desconexión, lo que toma cierto tiempo breve, si esto no se hace, el cambio de velocidad resulta brusco y produce grandes cargas de impacto al tren de fuerza.

Vale aclarar que en todos los casos, las cajas automáticas y semi automáticas están dotadas de un sistema de bloqueo del movimiento del automóvil para cuando aparca en algún lugar, tenga en cuenta que esto es absolutamente necesario ya que el convertidor de par o el embrague hidráulico dejan al automóvil en estado "libre" si el motor no funciona y no se aplica ningún freno a las ruedas.

Lo hasta aquí mostrado es de carácter ilustrativo para entender el principio de trabajo de las cajas semi automáticas pero no es, ni remotamente, el único, hay múltiples variantes de cajas semi automáticas con menor o mayor complejidad, y con otras disposiciones de los engranajes, pero para ese nivel de detalle se requiere escribir varios volúmenes, lo que se sale del interés del portal . No obstante el principio básico es igual para todas.
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Figura 5. Usando el freno multidisco
en la trasmisión planetaria


Caja de velocidades automáticas

Las cajas automáticas son complejas, probablemente el mas complejo de todos los agregados del automóvil, y de múltiples diseños, no obstante, en síntesis, son iguales que las semi automáticas, lo que dotadas de un intrincado sistema de sensores y válvulas que sustituyen la voluntad del conductor y adecúan el valor de la amplificación del par a las diferentes variantes de marcha del vehículo y a la resistencia del camino.

Caja de velocidades automática
Figura 6. Diagrama de bloque de una caja de velocidades automática

En la figura 6 se muestra un diagrama de bloques simplificado con los componentes básicos de una caja de velocidades automática.

Observe que se ha utilizado un convertidor de par en lugar del embrague hidráulico de la caja semi automática. Este convertidor de par como ya sabemos eleva el par de entrada durante el período de arranque y aceleración del vehículo con lo que se pueden utilizar menos etapas de reducción y con ello simplificar la caja de velocidades.

El "cerebro" de la caja de velocidades, y que sustituye al conductor, es la caja de válvulas, la que envía una señal de aceite a presión a los frenos de banda y a los embragues multidiscos para hacer los cambios en el momento apropiado.

A esta caja de válvulas llegan tres señales:
  1. La posición del mando como la ha puesto el conductor (azul).
  2. El valor del vacío dentro del múltiple de admisión (verde)
  3. Una señal de presión de aceite proveniente del gobernador (violeta)
La combinación de los valores de las diferentes señales le permite a la caja de válvulas decidir cuando, y a cuales frenos o embragues, le envía la señal de presión de aceite para accionarlos y así hacer los cambios. Veamos porque son necesarias esas señales.

La primera, es decir, la de la posición del mando seleccionada por el conductor es evidente, si este pone al automóvil en neutral, la caja debe obedecer sin mas "preguntas", lo mismo sucede si coloca la reversa, etc.

Pero cuando el conductor decide usar la D (directa) deja la decisión a la caja de velocidades y se ocupa solamente del acelerador y el freno.

Veamos ahora las diferentes situaciones que se producen durante el arranque y posterior movimiento del automóvil hasta alcanzar su velocidad normal de régimen, y como se comportan las otras dos señales restantes. Aceptemos para simplificar, que la caja solo tiene dos velocidades, primera velocidad y directa, de tener mas solo hay que extender lo que explicaremos a continuación a mas cantidades de cambios.
  • El automóvil está detenido y el freno accionado: en este modo, el convertidor de par casi no trasmite torque a la caja de velocidades por lo que el motor sigue en marcha. Cuando el motor funciona con el acelerador suelto la mariposa de entrada de aire está casi cerrada, por lo que el vacío dentro del múltiple de admisión es muy elevado, y este vacío extremo llega a la caja de válvulas, dándole una primera pista de como decidir. Al mismo tiempo el gobernador, que es una válvula de tipo centrífuga, no gira, porque el árbol de salida de la caja de velocidades está detenido al igual que el vehículo, y está mandando un mensaje a la caja de válvulas "diciéndole" el coche está parado. Con esta segunda información la caja de válvulas no tiene dudas, hay que poner la primera velocidad y acciona la válvula correspondiente para que la presión de aceite se aplique al freno o embrague en cuestión.
  • El conductor suelta el freno y aprieta el acelerador: las cosas cambian, se comienza a trasmitir torque desde el convertidor, el vacío en el múltiple de admisión disminuye de golpe y el gobernador empieza a "sentir" el movimiento. Ambas señales le dicen a la caja de válvulas que el coche se mueve, y a medida que lo hace aumenta su velocidad por lo que vuelve a empezar a subir el vacío en el múltiple de admisión, cuando este vacío alcanza cierto valor y el gobernador dice que el carro aun se mueve, y lo hace con cierta velocidad, la caja toma la decisión de permutar la presión de aceite al lugar adecuado y cambia a directa. Y mientras las condiciones se mantengan en ese rango así estará la trasmisión.
  • Durante la marcha el conductor aprieta el acelerador a fondo: si hace esto, el vacío en el múltiple de admisión baja fuertemente, la caja de válvulas recibe el mensaje y "razona" lo siguiente, "mi conductor quiere que el vehículo acelere fuerte" por lo que vuelve a colocar la primera velocidad, pero primero le "pregunta" al gobernador el valor de la velocidad de movimiento del coche, si esta el alta, no hace el cambio ya que en ese caso las RPM del motor pueden llegar a subir a valores peligrosos para su integridad y decide quedarse en directa. Si la velocidad es baja, entonces cambia a primera marcha con lo que el vehículo reacciona con vigor.
  • El conductor aprieta el freno y baja la velocidad del vehículo: las condiciones se empiezan a acercar a las del automóvil detenido, con un gran vacío en el múltiple de admisión ya que el acelerador está suelto, al mismo tiempo el gobernador que siempre está "informando" de la velocidad del coche le brinda a la caja de válvulas la posibilidad de decidir el momento en que debe cambiar a primera marcha un poco antes de que el coche se detenga.
Aunque en el esquema se han representado los conductos de aceite a presión como trazos, en las cajas reales, estos están tallados como un confuso laberinto tanto en el cuerpo de la caja de válvulas así como en el de la propia caja de velocidades.

En las cajas automáticas actuales, el sistema de sensores se ha ido haciendo cada vez mas complejo y el número de cambios se han hecho cada vez mayores (hasta mas de seis), además ha entrado a jugar su papel la electrónica, incorporando la selección "inteligente" de las velocidades a la Unidad Procesadora Central (UPC). En realidad se puede decir que se han convertido en un engendro complejo electro-mecánico, cuya reparación y ajuste solo se puede hacer si se tiene información del  fabricante de como proceder. A continuación una vista de una caja automática actual.

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