Caja de cambios con motor térmico … ¿y caja de cambios en vehículos eléctricos?

  • Última modificación de la entrada:14/09/2021
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La caja de cambios ha estado asociada a los automóviles con motor térmico desde sus inicios. 

La razón es que el par motor, la fuerza que permite el desplazamiento del automóvil, es muy escasa a ralentí y va aumentando progresivamente al acelerar por el mejor llenado de los cilindros, lo que supone la necesidad de multiplicar el par motor para que el que reciben las ruedas motrices sea suficiente para desplazar el vehículo, par en rueda, hasta que alcanza suficiente velocidad en llano.

Una vez en marcha circulando en llano el par del motor térmico ya es capaz de mantener la velocidad de marcha.

La potencia, que depende del par y las RPM, Potencia = Par X RPM, ofrece aceleración y velocidad a altas RPM, pero es el par el que aporta la fuerza para que el vehículo se desplace, iniciar la marcha, llevar peso o subir pendientes.

Con la llegada de los vehículos eléctricos se dispone de valores altos de par desde el inicio de la marcha, lo que puede permitir prescindir de la caja de cambios en vehículos eléctricos.

En el caso de camiones o autobuses el peso es mucho más elevado, lo que implica excesiva demanda de par en diversas situaciones que afectan a la autonomía, que mejora si se incluye caja de cambios al poder multiplicar el par en rueda cuando hacen falta valores elevados, disminuyendo algo la demanda de electricidad.

En este enlace tienes información de la historia del par motor.

El par del motor térmico aumenta desde ralentí … ¿puede mover el automóvil en todas las situaciones?

Vemos las imágenes de partida siguientes; un automóvil familiar con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión (tracción trasera), se representa el embrague, la caja de cambios, el árbol de transmisión y el diferencial.

La otra imagen superior representa un diagrama en el que se van a ver las curvas de par y potencia.

Debajo se ve el pedal del acelerador, el motor de lado ampliado, un cuentarrevoluciones del motor (RPM) y dos imágenes del motor visto de frente:

  • Se pone en funcionamiento el motor y se inicia la marcha del automóvil
  • La caja de cambios tiene la función de multiplicar el par motor que reciben las ruedas motrices, par en rueda
  • El embrague es la conexión progresiva entre el motor y la caja de cambios, para iniciar la marcha y pasar de una a otra relación en la caja de cambios
  • Al ir acelerando se ven en movimiento los elementos citados:
    • Según sube el motor de RPM va aumentando el llenado de los cilindros y proporcionalmente el par que depende del llenado
    • Al llegar a medias RPM se logra el mejor llenado, por diseño, y es cuando se obtiene el par máximo
    • Al seguir subiendo de RPM el llenado va disminuyendo progresivamente como lo hace el par motor que depende del llenado, es por el efecto de la resonancia en los colectores (este enlace es un vídeo que está contenido en el anterior de historia del par motor)
  • Se ve la forma de la curva de par que sube desde ralentí, llega a su valor máximo a medio régimen para bajar de nuevo
  • La potencia va subiendo desde ralentí, y lo sigue haciendo al superarse las RPM de par máximo, pues la caída de par desde este punto se compensa con el incremento de RPM, hasta que la caída brusca del par a altas vueltas determina el punto de máxima potencia
  • Se deduce por la fórmula; Potencia = Par X RPM
  • En el cuenta RPM se resaltan tres zonas:
    • Bajo régimen en azul; poca respuesta del motor al acelerar proporcional al llenado, escaso par motor
    • Medio régimen en verde; es donde está el par máximo, entre las RPM de su valor máximo y su entorno es cuando al acelerar se logra la mejor respuesta proporcional al mejor llenado
    • Alto régimen en rojo; al ir el llenado disminuyendo el par lo hace proporcionalmente, pero al contar con más potencia la respuesta es buena, excepto si se llega a una pendiente en subida que requiera más par, lo que implica que se ha de multiplicar reduciendo de relación de caja de cambios, es lo que se va a explicar
  • En un automóvil, la diferencia de peso entre vacío y a plena carga, de ocupación y equipaje, es ± el 30% de media entre coches familiares como el que vemos o deportivos de dos plazas

Hay tecnologías que permiten hacer que la curva de par motor sea más plana, logrando que el margen de RPM de respuesta del motor sea más amplio, lo que redunda en menos consumo y más prestaciones.

Tienes información en el enlace ya citado de historia del par motor.

El par en rueda con motor térmico y caja de cambios con diferente número de relaciones en automóviles

Vamos a ver tres coches diferentes en su implantación y cajas de cambio, analizando los resultados centrándonos en el par en rueda.

Automóvil de la imagen superior

  • Es de hace ya bastantes años, tiene motor longitudinal delantero de 6 cilindros en línea y propulsión (ruedas traseras motrices)
  • Se ve junto a esta imagen un diagrama en el que se va a representar el par en las ruedas motrices
  • Funciona el motor y se desplaza el automóvil
  • La caja de cambios cuenta con tres relaciones y marcha atrás (1ª, 2ª, 3ª y R)
  • En el diagrama se van representando las curvas de par en rueda en cada una de las tres relaciones hacia adelante:
    • En se produce una elevada multiplicación del par y la misma desmultiplicación de velocidad
    • En la multiplicación y desmultiplicación de par y velocidad son algo menores
    • Al ir en no se producen efectos de variación del par y velocidad, pues la relación es 1
    • Se inicia la marcha en 1ª y se pasa a 2ª y 3ª en llano. Si se requiere más par se ha de reducir de relación
    • Al ser solo de tres relaciones hay mucho salto entre estas al cambiar, elevada caída de RPM del motor, que requiere buenos valores de par para disponer de respuesta
  • Las curvas de par representadas en el diagrama son didácticas para facilitar lo que se quiere transmitir
  • En el diferencial hay otra multiplicación de par, que se produce por la relación entre el número de dientes de la corona y piñón de ataque. Como esta multiplicación es constante afecta a todas las relaciones

Automóvil de la imagen inferior izquierda

  • También se ve el diagrama de par en rueda
  • Tiene motor longitudinal de 4 cilindros en línea, trasero por detrás del eje, y propulsión. El diferencial está integrado en la caja de cambios
  • La caja de velocidades es de cuatro relaciones y marcha atrás (1ª, 2ª, 3ª, 4ª y R)
  • Se representan las curvas didácticas de par en rueda en cada una de las cuatro relaciones, apreciándose que los valores de multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad van variando de 1ª a 3ª, en 4ª la relación es 1 no habiendo modificaciones en par y velocidad
  • Al haber cuatro marchas los saltos entre estas al cambiar son menores que con tres, mejorando la respuesta, lo que favorece el rendimiento y consumo

Automóvil de la imagen inferior derecha

  • Vemos el diagrama de par en rueda
  • Motor longitudinal delantero, por delante del eje, de 4 cilindros en línea y tracción (delantera), el diferencial está junto a la caja de cambios y embrague
  • La caja de cambios tiene siete relaciones y marcha atrás (1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª, 6ª, 7ª y R)
  • Vemos las correspondientes curvas didácticas de par en rueda en el diagrama en cada una de las siete relaciones; se observa que desde 1ª a 6ª se va disminuyendo la multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad
  • En 7ª sucede lo contrario, se multiplica la velocidad desmultiplicando el par, lo que permite reducir las RPM del motor circulando el llano con menos consumo sobre todo en carretera
  • Con siete relaciones el salto entre estas al cambiar es reducido lo que permite mantener al motor en un margen de RPM de buen rendimiento, lo que favorece consumo y prestaciones
  • Hay automóviles con siete relaciones y caja de cambios manual, pero requiere continua atención del conductor si el tráfico es denso o la orografía complicada, por lo que se utiliza en automóviles deportivos, limitándose a seis relaciones en los demás coches
  • Siete relaciones, e incluso más, es habitual en cajas de cambios automáticas o automatizadas. En la imagen se comienza representando una caja automatizada de siete relaciones, para pasar al final a una de seis con dos embragues multidisco en aceite, que es un sistema muy utilizado
  • Si te interesa el tema en este enlace tienes información de los tipos de caja de cambios
  • En los tres coches que hemos visto la diferencia de peso entre vacío y plena carga es ± 30%

Según los diámetros de los dos piñones que componen cada relación de caja de cambios, se obtienen valores de multiplicación o desmultiplicación de par y velocidad diferentes, son los desarrollos de transmisión que no vemos en este artículo, pero puedes consultar la información si te interesa en el enlace propuesto a otro artículo.

Vehículos que necesitan en ocasiones más par en rueda; todoterreno

Como ejemplo ponemos un todoterreno, va a circular por carretera y también ha de poder salir fuera de esta y transitar por zonas más o menos difíciles, que en algunas situaciones requieren ir muy despacio o disponer de más par en rueda o capacidad de retención por parte del motor:

  • Este todoterreno tiene motor longitudinal delantero de 4 cilindros en línea y son motrices las cuatro ruedas (permanentes o con un eje conectable). También se ve el diagrama de par en rueda
  • La caja de cambios cuenta con cinco velocidades, y se representan en el diagrama las curvas de par en rueda didácticas, de 1ª a 4ª se multiplica el par y desmultiplica la velocidad, y en se multiplica la velocidad y desmultiplica el par, es larga para carretera
  • Poco salto entre las marchas lo que aporta mejor rendimiento y consumo
  • La última relación es “larga” por lo que desmultiplica el par y multiplica la velocidad reduciendo las RPM a velocidad de crucero en carretera
  • … ¿Pero cuando se necesita más par …?
    • Para subir pendientes muy inclinadas, o descenderlas con buena retención del motor
    • Vadear corrientes de agua o transitar muy despacio sin castigar al embrague por zonas con suelo muy bacheado, piedras, desniveles, …
  • Para poder hacer frente a estas situaciones se incluye una segunda caja de cambios de dos relaciones tras la primera, es la reductora
  • Las curvas de par en rueda que se han visto corresponden a la relación más larga de la reductora, son las marchas largas L
  • Si se inserta en la reductora la relación más corta C, se dispone de las curvas de par en rueda (didácticas) en cada una de las cinco relaciones con mucha más multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad
  • Con esta implantación de caja de cambios más reductora se cuenta con capacidad de circular por carretera y fuera de esta, para lo que también habrá que tener en cuenta las suspensiones y estructura de carrocería según sean los objetivos, no es lo mismo un todoterreno que un todocamino (SUV)
  • La diferencia de peso entre vacío y plena carga es habitualmente similar a un automóvil de ± 30%

Hay diferentes tecnologías 4×4 y en estos dos enlaces tienes la información;  tipos de 4×4/1 y tipos de 4×4/2.    

Vehículos con mucha diferencia entre vacío y cargado como los camiones (± 130%)

Partimos de la imagen de un camión tráiler:

  • Se resalta la cabeza tractora y el diagrama de par en rueda
  • Detalle ampliado del motor, embrague, grupo anterior, caja de cambios, grupo posterior y salida del árbol de transmisión
  • La caja de cambios tiene cuatro velocidades
  • El grupo anterior a la caja de cambios (CC) contiene cuatro engranajes para obtener dos relaciones cortas, multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad 2R X P antes de la caja de cambios (CC)
  • En el grupo posterior a la caja de cambios (CC) hay cuatro engranajes con dos relaciones largas de desmultiplicación de par y multiplicación de velocidad, 2R X V después de la caja de cambios (CC)
  • Con las dos relaciones cortas del grupo anterior y las cuatro de la caja de cambios se obtienen ocho relaciones
  • Con las dos relaciones largas del grupo posterior, y las cuatro de la caja de cambios se obtiene otras ocho, lo que da un total de 16 relaciones
  • Para facilitar el manejo por el conductor se dispone de dos “H” en las posiciones de la palanca de cambios, la “H” de la izquierda corresponde a la relación menos larga del grupo posterior y la “H” de la derecha a la relación más larga del mismo grupo
  • Para pasar de una a otra “H” el conductor desplaza palanca hacia la derecha, de menos largo a más largo, o si esta en esta última “H” la mueve a la izquierda para pasar a la “H” de relación menos larga
  • Al pasar de una a otra “H” se llega a la relación que corresponde a la “H” que se ha seleccionado, de izquierda a derecha sería así; de 1ª a 5ª, de 2ª a 6ª, de 3ª a 7ª y de 4ª a 8ª, en cada caso también a la inversa
  • Para accionar el grupo anterior con dos relaciones de multiplicación de par, se dispone de otra palanca o un mando en la palanca de cambios con dos posiciones; C la más corta y L la menos corta
  • En el diagrama se representan las curvas de par en rueda didácticas en cada una de las 16 relaciones posibles; dos multiplicaciones de par con el grupo anterior (ocho relaciones) y dos multiplicaciones de velocidad con el grupo posterior (otras ocho relaciones)
  • Para conducir este tipo de vehículos se requiere práctica
  • Al haber mucha diferencia entre la tara o peso en vacío y a plena carga, 130% o más, es necesario contar con muchas posibilidades de transformación del par motor, para adaptarse a distintas situaciones de carga, orografía y velocidad como factores más importantes

Para facilitar el manejo de este tipo de transmisiones es frecuente que se utilicen sistemas automatizados o automáticos, que además de ayudar al conductor pueden hacer funcionar al motor en las mejores condiciones de rendimiento, consumo y fiabilidad.

Par (y potencia) en automóvil eléctrico con baterías

Se ve en la imagen de entrada todo lo que se va a explicar y lo hacemos por partes:

  • Están el coche y el diagrama de par en rueda
  • Baterías de propulsión generalmente debajo del habitáculo
  • Motor eléctrico que recibe la electricidad de las baterías para mover al automóvil
  • Una relación de multiplicación del par, no hay caja de cambios
  • Acelerador y control electrónico del tránsito de la energía
  • Las baterías de propulsión están a plena carga
  • Al acelerar se dispone de todo el par y potencia almacenado en las baterías, que se aportará proporcionalmente a la aceleración demandada
  • Al decelerar el motor eléctrico actúa como generador recargando las baterías
  • Se representan las curvas de par y potencia en rueda disponibles en las baterías, que serán aportadas según la aceleración y velocidad que se solicite
  • Si se acelera con suavidad y no se hace a fondo la velocidad de salida de la electricidad, intensidad, no será excesiva logrando la autonomía prevista, pues la descarga de las baterías en función del tiempo y recorrido será baja o media
  • Si se acelera a fondo habitualmente y se mantienen velocidades elevadas, la descarga de las baterías será más rápida, pues la intensidad de electricidad demandada es alta y la autonomía se verá reducida. La velocidad de descarga, intensidad consumida, en función del tiempo y recorrido será elevada
  • Para recargar las baterías de propulsión se conectan a la red, lo que llevará varias horas. Si se utilizan habitualmente cargadores rápidos se deteriorarán antes las baterías
  • La diferencia de peso entre vacío y plena ocupación del automóvil es ± 30%
  • La potencia eléctrica tiene esta fórmula Potencia e = Voltaje X Intensidad 
  • La potencia se da en CV o Kw, el voltaje (en voltios V) es la “fuerza” de la batería y didácticamente la comparamos con el par del motor térmico, la intensidad medida en amperios (A) es la velocidad de circulación de la electricidad y la comparamos didácticamente con las RPM del motor térmico
  • La batería dispone a plena carga de determinada cantidad de intensidad, y se descargará cuando esta se consuma, lo que depende en gran manera de cómo se actúe sobre el acelerador    

La aceleración y prestaciones del automóvil eléctrico son muy buenas, pero afectan sensiblemente a la autonomía.

El tiempo de recarga en red es largo y si se utilizan cargadores rápidos las baterías se verán afectadas en su duración, de hecho, por los controles térmicos durante la carga rápida es frecuente que no se llegue a la carga propuesta en el tiempo previsto por protección de las baterías.

Puede hacer falta o ser útil la caja de cambios en vehículos eléctricos con baterías

Para no exigir tanta y tan rápida demanda de par de las baterías de propulsión puede ser interesante tener en cuenta la posibilidad de utilizar una caja de cambios.

Lo vamos a ver en dos vehículos con objetivos totalmente diferentes; un coche eléctrico prestacional con baterías y un camión eléctrico con baterías.

Coche eléctrico prestacional con baterías de propulsión

  • Se ven las baterías de propulsión, el motor eléctrico, el acelerador y control de la energía
  • También se incluye una caja de cambios con dos velocidades entre el motor eléctrico y el diferencial. Se ve la inserción de las dos relaciones
  • Con las dos marchas se exige menos intensidad de la batería al acelerar, lo que mejora la autonomía, dependiendo siempre de como se actúe sobre el acelerador
  • La diferencia de peso entre vacío y plena ocupación en este coche de cinco plazas es ± 30%. En este caso la caja de cambios es para lograr buenas prestaciones con menos merma en la autonomía

Camión eléctrico con baterías de propulsión

  • Se representan las baterías de propulsión, el motor eléctrico y acelerador y control de la energía
  • Tras el motor eléctrico se coloca una caja de cambios de cuatro relaciones que mueve al diferencial
  • La diferencia entre vehículo vacío y a plena carga es ± 130%; al disponer de cuatro (o más) número de relaciones se puede adaptar con más precisión el par en rueda a las condiciones variables de circulación; velocidad, orografía, carga …, lo que incrementa la autonomía

Como hemos visto, y veremos más a continuación, la caja de cambios puede seguir siendo útil con propulsión eléctrica en diferentes tipos de vehículos, pero similares objetivos, adaptar la transformación del par en rueda lo mejor posible para disponer de más autonomía.

Como curiosidad, en el caso del camión eléctrico también le hará falta ayuda en descensos prolongados, pues los frenos no soportarían el trabajo tan intenso y prolongado.

Una de las soluciones puede ser también la caja de cambios, al potenciar los efectos de generador del motor eléctrico en retenciones en diferentes escalones (número de relaciones). 

Puede hacer falta o ser útil la caja de cambios en vehículos eléctricos con pila de combustible

Por los elevados tiempos de recarga de las baterías de propulsión y los efectos nocivos sobre estas de frecuentes cargas rápidas, puede que esta opción no sea la más adecuada para circular por carretera en recorridos de más de media distancia.

Una solución la propone la pila de combustible de hidrógeno, que produce la electricidad.

Veámoslo en dos tipos de aplicaciones, coche (en un SUV) y camión.

Coche (SUV) con pila de combustible de hidrógeno (PCH)

  • Pila de combustible
  • Motor eléctrico y una relación de multiplicación de par
  • Acelerador y control de la energía
  • Batería de apoyo a la propulsión
  • Depósitos de hidrógeno
  • Así funciona este sistema:
    • La pila de combustible produce electricidad con oxígeno del aire e hidrógeno de los depósitos
    • En el proceso se genera como residuo vapor de agua, que sale al exterior directamente o se condensa para ser evacuado después
    • La batería de apoyo a la propulsión, con diferencia de peso entre vacío y plena carga de ± 30%, puede intervenir en diferentes situaciones, en este caso con una relación de multiplicación de par puede asistir a la pila de combustible en el inicio de la marcha, siempre, en fuertes aceleraciones o arranque en subida

Camión con pila de combustible de hidrógeno (PCH)

  • Pila de combustible
  • Motor eléctrico con caja de cambios de cuatro relaciones entre el motor y el diferencial
  • Acelerador y control de la energía
  • Batería de apoyo a la propulsión
  • Depósito de hidrógeno
  • Así funciona esta implantación:
    • La pila de combustible produce electricidad con oxígeno del aire e hidrógeno del depósito
    • En el proceso se genera como residuo vapor de agua
    • Las baterías de apoyo a la propulsión asisten a la pila de combustible cuando es necesario por las condiciones de circulación
  • Con una diferencia de ± 130% entre peso en vacío y plena carga, la caja de cambios permite reducir la demanda de electricidad a la pila de combustible y batería de apoyo, lo que disminuye el consumo de hidrógeno aumentando la autonomía, además de poder adaptar el par en rueda mejor a las diferentes variables de circulación

La pila de combustible de hidrógeno parece ser que es la que tiene más opciones de ser la solución para largos recorridos, pues su tiempo de repostaje es similar a un motor térmico.

Habrá que contar con suficientes hidrogeneras y que la generación de este combustible sea limpia.

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