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Evolución de las cajas automáticas y su futuro Piña. Quiroz. Vilaña. Departamento de Energía y Mecánica Mecánica de la Universidad Universidad de Las Fuerzas Armadas Armadas ESPE Extensión Latacunga
Abstract — Desde sus inicios en la creación de los primeros vehículos impulsados por motor de combustión o vapor, incorporaban un sistema de transmisión, las cuales cumplen la función de transmitir la potencia del motor hacia las ruedas del vehículo, estas subdivididas en dos categorías el cambio manual que fue muy acogido en Europa mientras el cambio automático mayormente desarrollado en Estados Unidos. Partiendo de transmisiones manuales las cuales necesitan la acción directa del conductor en su accionamiento y la automáticas que buscan la autonomía del sistema, siempre buscando la disminución de las perdidas entre cambio y cambio de marcha, sin embargo la industria automotriz busca la comunión entre la comodidad y el consumo de energética esto mediante la sincronía de la mecánica y la automática, por lo que se ha investigado en el desarrollo y mejora de estos sistemas, lo que torna la aparición de sistemas de transmisión como las robotizadas, doble embrague, variación continua, los cuales tienen como resultado disminuir la relación del conductor con el sistema de transmisión como lo era con las cajas manuales donde el conductor era parte esencial de la transmisión ya que tenía que sincronizar el cambio con las revoluciones del motor.
Futuro de las transmisiones, Cajas automáticas, CVT, DSG, Cajas robóticas, Palabr as
claves —
I. INTRODUCCIÓN
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esde que fue creado el primer automóvil en el mundo más o menos en el año 1889 por el señor Karl Benz, así como Nicolás Cugnet constructor de un vehículo propulsado por vapor, la necesidad del ser humano por sentir control, disminuir distancias y tiempos de desplazamiento fue uno de los objetivos más obsesivos en la historia de la mecánica automotriz, dando lugar a nuevas y mejoradas tecnologías que convirtieran al automóvil en un medio útil para vivir. De allí se implementaron transmisiones manuales y automáticos que permiten que un vehículo pueda cambiar las relaciones de transmisión de una caja de cambios sin necesidad de que su conductor utilice una palanca o embrague. Sus orígenes se remontan a 1894, cuando la transmisión automática moderna fue introducida por los franceses LouisRené Panhard y Emile Levassor. Diez años más tarde, el concepto se mejoró con gran ingenio por los hermanos Sturtevant de Boston, Massachusetts [1]. Aunque también se
dice que desarrollo de las cajas automáticas tuvo sus inicios en los años 30, y que las cajas de cambios automática se comenzaron a producir en grandes cantidades hasta 1939. Para su desarrollo fue necesario que participasen varias compañías, cada una fue muy importante, el Ford modelo T utilizaba un engranaje planetario el cual se operaba con el pie, también fue importante Chyrler son el desarrollo de la impulsión hidráulica y General Motors el sistema de control hidráulico. La división de Hidra-Matic de la empresa General Motors fue la primera que desarrollo la caja automática completamente y fue utilizada para los Olsmobile. Paso un año y es cuando se comienza a utilizar en los Cardillac y en algunos vehículos de guerra, además se desarrolló el convertido de par, finalmente para 1950 la mayoría de fabricantes ofertaban sus modelos con transmisión automática.
II. CAJAS DE CAMBIO Partes compactas ubicadas entre el motor y el grupo diferencial las cuales cumplen la función de transforman, invertir o detener el par motor y las revoluciones proporcionadas por el motor para adaptar la fuerza de tracción del vehículo a la conducción y terreno, teniendo básicamente tres tipos de cajas de cambios:
Manuales Este sistema necesita del conductor para la sincronización del par motor la caja de cambios y el embrague, las cuales se subdividen en dos tipos de dos ejes en las cuales el eje primario toma el par motor y mediante desmultiplicación lo transmite al secundario este al grupo diferencial, mientras las cajas de tres ejes pose un eje intermedio entre el primario y secundario, para realizar la desmultiplicación. El mecanismo de cambio manual usa engranes rectos o helicoidales ubicados en paralelos, para la transmisión de par, de esta manera obteniendo mayor capacidad de carga y disminución de ruido en el accionamiento.
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Fig. 3. El convertidor de par transmite el par mediante el fluido hidráulico [4]. Fig. 1. Los cambios y sentido de la dirección son sincronizados por el conductor. [2]
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Un tren epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio.
Automáticas Ese sistema no necesita la intervención del conductor a todo momento, únicamente cuando él decide si ir hacia delante o hacia tras, y otras funciones no muy relevantes, la implementación automática, reduce el embrague por lo que implementa un sistema, de convertidor de par o multidisco para que hagan la función del embrague tradicional, de esta manera dejando fuera al conductor en el control de la trasmisión.
Fig. 4. En el tren epicicloidales se produce las desmultiplicaciones, la inversión o la interrupción del par [4]. o
Fig. 2. La transmisión automática adapta al conductor a su cambio continuo [3]
Posiciones de la palanca selectora P: Bloque o estacionamiento R: Reversa N: Punto muerto D: Conducción Los elementos esenciales de una caja de cambios automática son: Un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de o forma automática su par de salida, al par que necesita la transmisión.
Un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epicicloidales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos [4].
Manuales pilotadas Este sistema es la combinación de los anteriores usados en autos donde el conductor elige un modo totalmente automático o manual pero este sistema posee actuadores que controlan el embrague y los cambios dentro de la caja lo cual el conductor simplemente acciona la palanca y el cambio se realiza automáticame Posiciones de la palanca selectora R: Marcha Atrás N: Punto muerto A: Automático M: Manual
3 • Convertidor de par con caja de planetarios prácticamente automática. El esquema señala el paso de la fuerza del motor F por el convertidor de par CH y caja de planetarios L gobernada por la palanquita M que da dos combinaciones únicas: “marcha normal” y “reducida” para casos excepcionales.
Fig. 8. Evolución hacia el convertidor de par [ 8].
Fig. 5. El circuito pilotado del para la activación manual o automática [5].
III. EVOLUCIÓN Primeros cambios automáticos Una caja de cambios automática va de la mano con el desarrollo del llamado tren epicicloidal, la misma que apareció gracias al ingeniero Wilson, quien lo utilizo para realizar los cambios en un tanque de guerra. Y es en 1929 que se utiliza por primera vez en un coche. Los primeros cambios con trenes epicicloidales tenían un preselector, lo que dio lugar a una corta generación de cambios semiautomáticos, en la que Daimler fue la pionera (año 1930). A lo largo de los años 40 casi todos los fabricantes americanos ponen a punto un cambio donde la selección de velocidades se realiza automáticamente, en función de la velocidad del coche, el régimen del motor y la posición del acelerador.
Después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo del convertidor hidráulico hizo que los constructores americanos generalizaran este tipo de transmisiones en sus modelos.
Llegada de la electrónica El gran avance dentro de los cambios automáticos sucedió con la llegada del control electrónico. Se puede decir que ha sido la electrónica la responsable de la cada vez mayor popularización de este tipo de cambios. Los cambios de marcha ya no se producen en función de referencias mecánicas, sino que vienen determinados por una serie de leyes gobernadas por la electrónica. Para que el cambio actúe en cada momento según las necesidades del conductor, se disponen de distintos sensores que miden, entre otras cosas, la velocidad del vehículo, la posición y velocidad con que se pisa el acelerador, la marcha insertada, etc.
En general, tres son los principales sistemas que han venido empleándose:
Otra característica de estas transmisiones (y de las surgidas posteriormente) es el mecanismo kick-down. Esta modalidad permite bajar dos ó tres marchas cuando vamos circulando en una marcha larga con el motor a bajas vueltas.
• Turbo-embrague con caja de cambios por desplazables de mando semiautomático y un embrague de disco en seco. Este tipo de cambios está ya en desuso. Posteriormente surgieron variantes de este tipo al utilizar la fuerza hidráulica en vez del vacío de la admisión.
La llegada de la electrónica también ha permitido la posibilidad de disponer de programas de funcionamiento junto a la palanca, que pueden llegar a ser hasta tres: • Deportivo o sport: para conducción deportiva. • Económica o normal: conducción tranquila. • Invernal o ice o winter: para facilitar el arranque en firmes deslizantes o poco adherentes.
Fig. 6. Primer sistema de cambio utilizado [6].
Turbo-embrague con caja de cambios enteramente automática de engranajes planetarios accionada por fuerza •
hidráulica según la posición del acelerador combinada con la velocidad del automóvil. Es la transmisión Hydramatic mencionada que apareció en 1940. No hay pedal de embrague.
Fig. 7. Cambio con turbo-embrague y engranajes planetarios [7].
Tipos de cambios: • Cambios automáticos con gestión electrónica sencilla. • Cambios inteligentes o autoadaptativos. • Cambios automático-secuenciales. La característica común a los tres es la de incorporar control electrónico, disponer de convertidor de par como conexión entre el motor y la caja de cambios y de utilizar un accionamiento electrohidráulico (hidráulica para el accionamiento y electrónica para el control).
4 La característica común a los tres es la de incorporar control electrónico, disponer de convertidor de par como conexión entre el motor y la caja de cambios y de utilizar un accionamiento electrohidráulico (hidráulica para el accionamiento y electrónica para el control).
Gestión electrónica sencilla En pocas palabras, utilizan una gestión electrónica muy susceptible. No suelen disponer de ningún tipo de bloqueo del convertidor, con lo que el excesivo patinamiento del mismo provoca un consumo considerablemente alto y una merma en las prestaciones. Otro punto que no contribuye al consumo es el mayor número de cambios de marcha que realizan respecto a un cambio manual.
Inteligentes o autoadaptativos En este tipo de transmisiones, la sofisticación en el control electrónico ha provocado una adaptación plena entre las actuaciones del cambio y las necesidades del conductor en cada momento. Ahora se habla de leyes de paso. No son unas leyes fijas para pasar de una marcha a otra según el programa seleccionado, sino que se ajustan: • Al conductor: ley económica, media o deportiva. • A la carretera: leyes de subida fuerte o moderada y de bajada. • A las condiciones de conducción: arranque en frío, motor caliente, etc. Para ello el calculador electrónico maneja una serie de parámetros que son proporcionados por unos sensores:
Fig. 9. Palanca de cambios sencuencial [9].
Por secuencial se entiende el tipo de cambio en el que hay una secuencia para variar las relaciones. La palanca de cambios no tiene una posición fija para cada marcha, sino que basta con desplazarla mediante toques arriba y abajo o a los lados para seleccionar las velocidades. Existe también la posibilidad de accionar las marchas desde el volante mediante unas manetas o unos pulsadores. Actualmente la oferta de cambios automático-secuenciales es muy variada. Su proliferación comenzó en las berlinas de lujo, pero ya se ofrecen en las berlinas medias, en los compactos y hasta en monovolúmenes. Algunos de los cambios secuenciales presentes en el mercado se muestran en la Tabla. DENOMINACION CAMBIO
• La posición y velocidad de accionamiento del acelerador. La velocidad del vehículo. • El par motor. • El régimen de giro. • Número de veces que se actúa sobre los frenos. • El desnivel de la carretera
Las ventajas de este tipo de transmisiones frente a sus predecesores:
MARCA
Sportronic Q-System Autostick Autoactiva secuencial Autoactiva Tiptronic Shiftronic E-Shift Falso secuencial Speedshift Proactiva secuencial
Alfa romeo Alfa romeo Chrysler Grupo PSA
Grupo PSA
Hyundai Lexus IS 300 Mercedes
Mercedes Renault
Tabla 1. Cambios secuenciales presentes en el mercado
• Detección de los hábitos y modos del conductor. • Se cuenta con la retención del motor tanto al descender una pendiente como al entrar en una curva. • Inmediatez de respuesta. • Mayor protección del motor. • Mayor rendimiento: menores consumos y mejores prestaciones. Automáticos-secuenciales Son aquellas que permiten tanto un manejo manual (secuencial) como automático. Para la elección de uno u otro, se disponen por lo general de sendos pasillos o carriles (Fig. 9). El conductor tan sólo debe desplazar la palanca a uno u otro, dependiendo del tipo de conducción que desee realizar.
Embrague pilotado Saab es la marca pionera en este tipo de cambios. Tanto por construcción como por manejo guardan mayores semejanzas con una transmisión manual que con u na automática. La razón es que se parte de una caja de cambios manual y se le dota de un dispositivo que se encarga de automatizar el acoplamiento del embrague. La palanca tiene el clásico recorrido en H, de modo que es el conductor el encargado de desplazar las horquillas de selección de las marchas.
5 Actualmente este tipo de transmisión sólo está disponible en el Mercedes Clase A. La reducida demanda y su escasa diferencia de coste frente a los manuales secuenciales, más completos, han motivado que varios fabricantes lo hayan retirado del mercado, entre ellos: • • • •
La linealidad de la banda de goma La linealidad y la banda de goma se sienten en la aceleración a la velocidad de 40 km / h.
Citymatic del Fiat Seicento. Freetronic del Toyota Yaris. Sensonic de Saab. Easy del Renault Twingo.
IV. COMPARACIÓN EL Desarrollo de Transmisiones ha visto una revolución en la tecnología en la última década. El mercado ha sido testigo de una gran diversificación en la tecnología con transmisión automática (AT), transmisiones de variación continua (CVT), transmisiones manuales automatizadas (AMT), transmisiones de doble embrague (DCT) y por último, pero no menos importante transmisiones hibridas.
Cobertura de relación: Cada vez es más amplia que en el paso AT, ha incrementado pasos CVT y DCT. Ahora, la razón de cobertura de 6 y por encima se puede seleccionar. En el futuro, la cobertura de la relación podría llegar a ser mucho mayor, tanto mejor economía de combustible y un mejor rendimiento de conducción.
Fig. 12. Linealidad de la banda de goma [12].
Con la Antigua CVT (la línea de verde), se necesita tiempo en aceleración G para alcanzar el pi co y G disminuye después del punto máximo. En esta situación, cuando se pisa el acelerador, las revoluciones del motor suben demasiado alto y luego la velocidad del vehículo recoge más adelante. Por otro lado, CVT de nueva generación (la línea roja) permite la aceleración G para alcanzar el pico más rápido y seguir para quedarse.
Mejora de linealidad Con tiempo la CVT, inmediatamente después de bajar el cambio, la relación de transmisión se desplaza a mayor relación, o hacia arriba. Esto deja a la aceleración T disminuir después que la revolución del motor aumenta.
Fig. 10. Cobertura de relaciones [10].
Rendimiento en Aceleración Fig. 13. Mejora de la linealidad [13].
Sin embargo, la nueva generación CVT, la relación de transmisión se fija en una cierta proporción con el fin de mantener la aceleración g con la revolución del motor subiendo.
Futuro de la transmisión DCT: FEV x DCT Fig. 11. Comparación del rendimiento de aceleración entre CVT, 6AT y DCT [11].
CVT y 6AT más rápido en aceleración de lanzamiento que DCT por convertidor de par como un dispositivo de arranque. El convertidor de par, ayuda a la aceleración G alcanzar la cresta más rápido y mantener la sensación de aceleración.
Arquitecturas DCT actuales utilizan un juego de engranajes con un par de engranajes por relación. Para una típica DCT de 7 velocidades esto se traduce en cerca de 19 engranajes y 4 horquillas de cambio completo para realizar un total de 8 marchas (7 + R). Añadiendo más engranajes, sincronizadores y horquillas de cambio podría ser una solución para alcanzar la demanda de relación de dispersión deseado. Sin embargo, la
6 complejidad mecánica añadido será una desventaja en todas las demás áreas.
el desarrollo de las transmisiones automáticos. o
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Fig. 14. Datos importantes FEV X DCT [14].
Aspectos en futuras transmisiones automáticas Transmisión automática del futuro: Como un aspecto de las futuras transmisiones, creemos que lo más importante es satisfacer el mercado y clientes para desarrollar las potencialidades tecnológicas. En la actualidad, las tecnologías de paso AT, DCT y transmisión CVT han evolucionado notablemente al lograr el mismo objetivo. JATCO, como una experiencia en la tecnología CVT, todavía encuentran otros potenciales tecnológicos en CVT.
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En este tipo de transmisiones automáticas la sofisticación en el control electrónico ha provocado una adaptación plena entre las actuaciones del cambio y las necesidades del conductor, mejorando la eficiencia de un automóvil. La electrónica dentro de las cajas automáticas ha provocado cambios más económicos, precisos y eficientes. El constante desarrollo de las transmisiones obliga a estar siempre actualizados técnicamente para afrontar los casos que se presenten ya sea simplemente un diagnóstico y en caso extremo una reparación de estas transmisiones. Un automóvil hibrido es necesario que este equipado con una caja de cambios automática, ya que existe un compleja coordinación entre el motor eléctrico y el de combustión. Las cajas automáticas no son muy aceptadas en Europa, ya que las consideran muy costosas y evita que el conductor tenga pleno control sobre el vehículo. El futuro de las cajas automáticas se encuentra en la robótica, la que facilitara muchos más la conducción de un vehículo.
R EFERENCIAS [1] Fig. 15. Futuras transmisiones automáticas [15].
V. CONCLUSIONES o
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El confort, la reducción de emisiones y la eficiencia energética son puntos fundamentales para desarrollar nuevas tecnologías por lo cual los sistemas mecánicos tradicionales están quedando a un lado, aunque estos no desaparezcan en su totalidad, la mayoría serán automatizados, los cuales la gente prefiere por su facilidad de uso. Las transmisiones automáticas incorporadas en automóviles de alta gama presentan ser la mayor producción que las manuales, lo cual obligo a los diseñadores incorporar sistemas automatizados en las cajas manuales para mejorar su rendimiento con un control automático La llegada de la hidráulica ha resultado la base para
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BIOGRAFIA
Quiroz Luis. Nació en Quito provincia de Pichincha en Ecuador. Actualmente es estudiante de Ingeniería Automotriz en la Universidad de las fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga, Quito – Ecuador. Participación en el proyecto de investigación, de diseño y construcción de un vehículo fórmula para la participación en la formula student llevado a cabo en Alemania en el 2012 Email:
[email protected]. Dali Piña. Nació en Chunchi provincia de Chimborazo Ecuador. Realizo sus primeros estudios en su ciudad natal, luego se movilizo a Quito, en donde estudio la secundaria, y actualmente es estudiante de la carrera de Ingeniería Automotriz en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga. Recientemente obtuvo la suficiencia en el idioma de Ingles, realizado en la misma universidad. Email:
[email protected].
Juan Pablo Vilaña. Nació en Quito en la provincia de Pichincha. Realizo sus estudios secundarios en el colegio Central Técnico, para luego complementar sus estudios en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga, donde estudia la carrera de Ingeniería Automotriz. Obtuvo la suficiencia en el idioma Ingles en la misma universidad. Email:
[email protected].
