ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES INDUSTRI INJINERUEN GOIMAILAKO ESKOLA UNIVERSIDAD DE NAVARRA • NAFARROAKO UNIBERTSITATEA Donostia •San Sebastián
CAMBIOS SECUENCIALES
Raúl Antón Remirez Isaac Elorza Braüer María José García Tárrago Elena López Tamayo Miguel Sáiz García
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1.INTRODUCCIÓN Es un hecho aceptado que las transmisiones de tipo automático no tienen gran aceptación en nuestro mercado, aunque actualmente se venden muchos mas coches con cambio automático que hace unos pocos años. No ocurre así en algunos mercados europeos, y muchísimo menos en Estados Unidos- representan más del 90%-, país en el que es impensable comercializar un automóvil sin cambio automático. Tampoco en Japón, con el 80% de su mercado. De todos modos, el auge que vive el cambio automático en paises europeos como Suiza (21,5%del mercado) o Alemania (13%), ha animado a fabricantes e importadores a ofrecer transmisión automática en sus nuevas gamas de turismos e incluso en vehículos todo terreno. Los cambios automáticos actuales están controlados por pequeñas computadoras y presentan pautas de funcionamiento inteligente. Además, estos vehículos se conducen con mayor facilidad y con una suavidad igual o superior a la de los manuales.
En la figura superior vemos las variables que controlan el cambio automático.
Consumos parecidos En muchos casos, los automáticos actuales tienen consumos parecidos a los de los manuales o inferiores, como ha demostrado Renault. De la misma forma que nadie se atrevería a cuestionar su utilidad en ciudad, quien haya probado en carretera una moderna caja de cambios secuencial (el conductor cambia manualmente de marchas pero sin usar el embrague) es muy probable que no vuelva a conducir un coche convencional. Y esta mejora del cambio automático, el cambio secuencial, es el objeto de nuestro trabajo. Veremos que hay coches que en la actualidad solo tienen control secuencial de las marchas basándose en una idea que surgío para el cambio automático, el CVT ( variación de tracción continua). El Ferrari F-355 F1, un superdeportivo de 380 CV, 300Km/h de velocidad, utiliza un cambio secuencial tomado directamente de los monoplazas de F.1 de la marca de Maranello.Tampoco este coche lleva pedal de embrague y las marchas se engranan
con dos palancas situadas detrás del volante. Otro ejemplo de sofisticacion tecnológica automatizada en deportivos lo constituye el Tiptronic del Porsche, que integra los controles de cambio en el volante. Este cambio secuencial (tiptronic), también se emplea en los modelos Audi A4, A6 y A8. El tiptronic permite una utilización completamente automática- la centralita electrónica decide cuando hay que cambiar- o bien el uso secuencial controlado por el conductor. En este momento varias marcas tienen desarrollado un cambio secuencial, que normalmente se coloca en los coches de lujo o gama alta. BMW, Honda, Nissan, el grupo PSA cuentan con sus modelos pero nosostros vamos a analizar los modelos más avanzados y desarrollados. Los técnicos que desarrollaron el original Smart, también valoraron positivamente el uso de una transmisión de este tipo y lo dotaron de un cambio automático que puede funcionar de forma secuencial. Es muy fácil de usar, y el coche nunca se para al arrancar. Renault por su parte, ofrece el Twingo Easy con embrague pilotado. En este caso no se trata de un cambio automático, puesto que el conductor tiene que engranar las marchas manualmente haciendo los movimientos característicos en forma de “H”. Sin embargo, tampoco lleva pedal de embrague. La mayoría de las marcas ofrecen cambio automático en sus modelos más pequeños.
2-El cambio del cambio. Los tipos de cajas de cambio automáticas están evolucionando continuamente y también se crean nuevos sistemas. Para poder comprender en que consiste el cambio secuencial es necesario conocer de donde viene, y para ello vamos a explicar brevemente los sistemas que le han precedido: 2-1 La Transmisión Automática Clásica Es la más utilizada. En vez de embrague un convertidor de par hidraúlico se encarga de engranar el motor y el cambio. Según sea el régimen del motor , la velocidad y teniendo en cuenta otros parámetros se selecciona automáticamente la marcha más adecuada en cada momento. Las más actuales cuentan con gobierno electrónico y permiten elegir entre varios modos de funcionamiento , o se adaptan al estilo de conducción. Sólo hay que seleccionar la posición D en la palanca y en función a una ley preestablecida el cambio selecciona una marcha superior al llegar a un régimen determinado, aunque el conductor puede forzar una reducción pisando a fondo el acelerador o bien seleccionando una marcha inferior. En los 3 cambios siguientes en vez de programas fijos un ordenador analiza las condiciones de la carretera y el estilo del conductor en base a los datos que recoge de sensores que miden la velocidad del vehículo, el ángulo y velocidad con que se pisa el acelerador, el ángulo de giro del volante, presión y número de veces que se actúa
sobre los frenos, etc. Una vez procesados el ordenador memoriza estos datos y selecciona la secuencia de cambio más lógica.
2-2 La Transmisión de Variación Contínua El sistema está compuesto por dos cónicas conectadas por una correa de mallas de acero; según el régimen del motor, la velocidad del coche y otras variables, la abertura entre las poleas varía, modificando así la relación de transmisión. Lo mejor de este sistema es que tiene infinitas relaciones de reducción Este sistema es la evolución del cambio automático con engranajes. En el se basan los cambios secuenciales.
2-3 Embrague Pilotado Estos vehículos están equipados con una caja de velocidades mecánica (engranajes) y con un embrague. Un pequeño motor eléctrico se encarga de embragar y desembragar cada vez que el conductor ejecuta un cambio sobre la palanca. Un sensor en la propia palanca de cambios y otro en el acelerador detectan la intención del conductor de cambiar de marcha, y mandan una señal a una bomba de presión que se encarga de dirigir la horquilla del embrague. El ordenador detecta los cambios de marcha cambios rápido y enérgicos o suaves y hace que el sistema embrague o desembrague con mayor rapidez. El Renault Twingo Easy , o el Mercedes Clase A utilizan este sistema, en el que la palanca se mueve de modo convencional, mientras que el Smart lo hace de forma secuencial con toques de palanca hacia arriba o abajo.
2-4 Cambio Secuencial Podemos denominar cambio secuencial al que permite seleccionar las marchas con “golpes” de palanca, es decir, movimientos de la palanca hacia un lado, suben o bajan de marcha y vicieversa. Estos sistemas suelen ser la opción manual de cambios automáticos con convertidor hidraúlico (Tiptronic de Porsche y Audi, Steptronic de BMW, etc) o incluso se ofrecen cajas manuales de embrage pilotado como el BMW M3 o el propio Smart. Ambos tienen 5 marchas y funcionan de manera similar: con la palanca en un pasillo se comportan como un automático adaptativo, que elige la secuencia del cambio en función de la carretera y del conductor. En un pasillo paralelo funcionan como un cambio secuencial. Este cambio sigue teniendo algo de automático, pues pasa a una marcha superior cuando llega al corte de inyección, no permite selecciones que provoquen sobrerrégimen e insertan automáticamente la primera marcha si nos detenemos por completo.
3.TIPOS DE CAMBIO SECUENCIAL Hasta hace relativamente poco el cambio secuencial era algo casi despreciado por los conductores, pero estos prejuicios han ido desapareciendo y se ha observado una progresiva aceptación de esta tecnología, ya sea en forma de Tiptronic(Porsche,Audi) ,Septronic(BMV), SMG(BMV), F1(Ferrari) o de los más avanzado: el Multitronic(Audi) o el Hypertronic(Nissan). A continuación se explican cada uno de los cambios: • TIPTRONIC
->Porsche 911 y Audi A4, A6 Y A8
y SEPTRONIC
-> BMV 740i
Para quienes sigan empeñados en querer cambiar a mano Audi y BMV ofrecen los cambios automáticos Tiptronic y Septronic respectivamente, que se encuadran en lo que se podría denominar cambios automáticos secuenciales. Ambos tienen 5 marchas y funcionan de manera similar. El cambio está gestionado por un sofisticado computador que impide cualquier maniobra que pueda dañar el motor o poner en peligro la seguridad. En conducción rápida e incluso deportiva el sistema Triptonic da todo tipo de satisfacciones ya que, gracias a un escalonamiento muy bien ajustado y un manejo bastante rápido es posible aprovechar bastante bien la caballería disponible. Nunca bloquea completamente y por ejemplo, cuando se llega al regimen de potencia máxima pasa automáticamente a la relación superior. Tampoco admite retenciones bruscas y prueba de ello es que el motor nunca supera las 5500 rpm en retención ni las 3500 cuando el paso es de 2ªa1ª. En el Porsche al igual que en el BMV el sistema utilizado es el Tiptronic
SMG
->BMV M3
Este cambio es como el Septronic de BMV pero en vez de convertidor hidráulico de par tiene un embrague para que la transmisión de potencia sea instantánea. Se trata de la adaptación de un embrague automático al cambio de seis marchas del M3, que en modo manual funciona como un cambio secuencial(cambio de marchas a base de toques de palanca), pero que también permite un funcionamiento totalmente automático. Las ventajas son claras:se puede cambiar sin levantar el pie del acelerador y al decelerar sobre el asfalto deslizante el sistema incluso controla la capacidad de deceleración del motor de forma electrónica. Tras una frenada de emergencia o al parar en un semáforo, el sistema selecciona de forma automática la marcha adecuada, y resulta imposible fallar un cambio:la electrónica evita sobrerrégimen, ni seleccionar una marcha tan larga que pusiera en apuros al motor. En el cuentavueltas existe un pequeño display que permite ver la marcha engranada y un testigo rojo luminoso se enciende antes de alcanzar el rágimen máximo que permite cada marcha. En modo automático, cómo no, contamos con programa winter, que arranca en segunda de manera muy suave. Y tampoco aquí hace falta levantar el pie del acelerador para cambiar:durante las 250 milésimas de segundo que dura la operación de cambio, el sistema electrónico es capaz de ajustar el encendido o inclusos cortar la alimentación de un cilindro para proteger el motor. Y en deceleración, el sistema hace sólo el punta-tacón, pisando de forma automática el acelerador entre que actúa el embrague y se conecta la marcha.
F1
-> Ferrari 355
El cambio F1 se basa en un embrague pilotado. Una unidad de potencia electrohidráulica acciona tanto el embrague como el selctor de cambio y el conductor sólo debe preocuparse de agarrar firmemente el volante y pulsar dos accionamientos anclados a la columna de dirección: la de la izquierda para bajar marchas y la de la derecha para subirlas. Desde que se pulsan dichos interruptores hasta que se produce el cambio de marcha apenas pasan 200milésimas de segundo. Rapidísimo y con muchas ventajas: no hay que dejar de acelerar y no hace falta soltar las manos del volante, como en los monoplazas de Fórmula 1. Eso sí, hay una ventaja añadida que no tienen los pilotos de los Ferrari de carreras:cuando se llega a un atasco se puede seleccionar un modo completamente automático con tres programas de funcionamiento:normal, sport (se endurecen las suspensiones y el embrague actúa de forma algo más rápida, pero también más brusca), o para firmes deslizantes.
MULTITRONIC
-> Audi
Introducción El Multitronic es un cambio de variador continuo desarrollado por Audi y que no sólo supera al Triptónic sino que también es superior en todo a uno manual: más rápido, más suave, proporciona más prestaciones reduce el consumo. Esta cambio es una evolución hecha por Audi del variador continuo, con una serie de modificaciones. Su funcionamiento puede ser totalmente automático, o bien secuencial con seis relaciones fijas. Las variaciones externas respecto al Triptonic consiste en que se cambia la correa por una cadena (formada por eslabones y pasadores) y el convertidor hidráulico por un embrague multidisco.
La mecánica El principio de funcionamiento de esta caja de variador es el mismo que el de las que existen ya en el mercado: hay dos poleas de diámetro variable (formada por dos elementos cónicos), una solidaria con el motor y la otra con las ruedas. El desarrollo cambia con la relación de tamaño que tienen esas poleas; se llega a la más larga posible cuando la del motor alcanza su diámetro máximo y la de las ruedas el mínimo. Se dice que esta caja tiene infinitas relaciones porque el número de puntos entre el máximo y el mínimo es infinito. La cadena de transmisión entre estas dos poleas es precisamente una de las innovaciones del Multitronic. Otros sistemas de variador existentes tienen una correa, hecha con una cinta metálica sobre la que hay láminas que se apoyan en la polea. Las solución de Audi es distinta: una cadena formada por muchos eslabones planos, unidos por pasadores. Son estos pasadores los que se apoyan en las poleas. Esto es posible porque las poleas aprietan a estos eslabones con una presión de hasta 6.6 toneladas. Un mérito del sofisticado sistema hidráulico.
La hidráulica En el sistema hidráulico hay un reparto del caudal de aceite entre un circuito de alta presión y otro de refrigeración. El circuito de alta se encarga de presionar el elemento de transmisión (cadena o correa) y a la vez de variar el diámetro de las poleas. En los cambios de variador existentes hasta ahora hay un sólo sistema hidráulico para estas dos funciones; el Multitronic de Audi los tiene separados. De esta forma la variación de diámetro es más rápida y .la potencia de bombeo necesaria es menor
Esta mejoras en el sistema hidraúlico hacen que se resuelva uno de los defectos propio dede la transmisión CVT tradicional que es el “efecto resbalamiento” o “síndrome de fricción del embrage”.
La electrónica Cuando se acelera a fondo con un cambio de variador, el motor se pone instantaneamente a régimen de potencia máxima; a partir de ahí se va alargando el desarrollo para que el coche gane velocidad. Esta soluciónes óptimade cara a conseguir la máxima aceleración, pero produce una sensación rara, como si patinara el embrague. Sin embargo el Mulitronic no se pone inmediatamente a régimen de potencia máxima, sino un poco por debajo; apartir de ahí el régimen aumenta progresivamente con la velocidad. Cuando se acelera en modo automático el motor no pasa en ningún caso de 5900 rpm. ( da la potencia máxima a 6000 rpm). En modo secuencial, en cambio, es posible llegar hasta el corte de inyección. Cambiar de marcha en modo manual es mucho más suave de lo que puede ser un cambio automático, incluso en fuertes retenciones, y más rápido que uno manual. La electrónica reconoce también la forma de conducir, dependiendo de los movimientos del pedal del acelerador,y escoge desarrollos más o menos lasrgos, Audi lo ha llamado :DRP programa dinámico de regulación. El Mutitronic se podría poner en motores con par de un 10% el del Audi A6 2.8, y sí se podría poner en motores con menos par y que tengan motor en disposición longitudinal. Ahora están trabajando en un Multitronic para motores en disposición transversal (A2,A3).
Embrague multidisco Una de las ventajas del sistema Multitronic es que no tiene convertidor de par, un mecanismo hidráulico que funcionalmente equivale a un variador, pero con un problema: tiene un cierto resbalamiento que perjudica las prestaciones y el consumo. En el Multitronic, Audi ha reemplazado el converidor por un embrague multidisco controlado electrónicamente. La ventaja es que su posicionamiento está controladoelectrónicamente. Por ejemplo, cuando el coche está parado con el motor en marcha, el resbalamiento es mayor para que el motor no haga fuerza en vano. También es capaz e reconocer cómo arranca el conductor y, en función de eso, adecuar el resbalamiento. Como haría un buen conductor, hace deslizar el embrague más o menos.
La opción manual La “guinda” de este sistema electrónico es la función manual con la cual se pueden elegir (sin sacudida alguna) seis niveles fijos de desmultiplicación. Basta con un breve toque sobre la palanca de selección hacia adelante o hacia atrás, o por medio de un interruptor especial situado en el volante.
En este gráfico sepuede comparar cómo varía el régimen con la velocidad al acelerar, entres tipos de cambios distintos. Abajo del gráfico se pude ver la posición del acelerador ( la zona verde). Al acelerar mucho (cuando pasa del 20 al 80 por ciento) según el tipo de cambio sucede lo siguiente: • Un cambio de marchas fijo (pero automático) con color rojo, sube el régimen con la velocidad, hasta el límite del motor. En ese punto cambia a una marcha más larga, cambia el régimen y empieza asubir de nuevo. • En En verde se puede ver lo que hace un cambio de variador. Al acelerar mucho, el motor sube inmediatamente de régimen y se mantiene ahí a medida que el desarrollo se alarga y el coche gana en velocidad. • En azul está la gráfica del Multitronic, que tiene una respuesta intermedia entre las dos. No se pone a un régimen fijo inmediatamente, sino que tarda un tiempo. Al ser un cambio de variador, el desarrolllo aumenta progresivamente con el régimen. Es una de las razones por las que con el Multitronic se consume menos.
Bibliografía
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Revistas: • Automóvil nº 242 • Coche actual nº 554 • Coche actual nº 565 • Coche actual nº602 • Autopista plus nº2099 • Catálogo de Nissan Primera
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Libros • Handbook of Automotive Powertrains and Chassis Design, Fenton, John. Professional Engineering Publishing. 1998.
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Internet • www.ferrari.it • www.coches.net • www.nissan_primera.com • www.audi.vw_audi.es • www.nissan.es • www.formula1.inode.es
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Visitas • Concesionario de Audi • Concesionario de Nissan
