Evolución de los elementos del automóvil con motor térmico

  • Última modificación de la entrada:26/02/2021
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La tecnología del automóvil ha ido cambiando para ir respondiendo a las demandas que se iban presentando, en todos los aspectos relacionados con su utilización y efectos que produce cuando circula.

Ha habido varios sistemas del automóvil que se han ido adaptando a las necesidades para mejorar los respectivos resultados: consumo, confort, seguridad en sus tres facetas (activa o primaria, pasiva secundaria y pasiva terciaria), prestaciones adecuadas al uso, funcionalidades, estética, aerodinámica y contaminación.

Son los más importantes, siendo esta última la que va a suponer la sustitución del motor térmico, de forma más o menos progresiva, por otras tecnologías que no emitan contaminantes tóxicos y no tóxicos (CO2) circulando.

Todos estos temas ya los hemos tratado, y lo seguiremos haciendo.

¿Por qué hacemos este artículo ahora?; estábamos preparando una conferencia sobre la transición de la tecnología del automóvil de tal como ahora la conocemos a la que va a venir.

El objetivo de esta conferencia es presentar, de forma sencilla y fácil de entender y seguir, como han ido evolucionando los diferentes elementos, componentes y sistemas de la automóvil con motor térmico hasta que se ha visto la necesidad de eliminar la emisión de contaminantes.

Por eso termina la conferencia antes de ser sustituido el motor térmico por otras tecnologías.

Cuando estaba ya casi terminada nos ha parecido interesante adaptarla para ser publicada en un artículo, que en este momento encaja muy bien con la situación de cambio inminente que se va a producir en el automóvil, al menos conceptualmente pues industrialmente llevará su tiempo.

La respuesta a la pregunta de cómo se va a desplazar el automóvil en sustitución del motor térmico está por decidir, habrá más de una tecnología, que ya iremos viendo si se mantienen o alguna de estas ofrece más ventajas que el resto.

Estas ni las mencionamos, pues en este artículo hablamos de lo relacionado con el motor térmico.

Vamos a tratar todos los apartados del automóvil, no podemos incluir todos los enlaces relacionados a tantos artículos del blog, ya que son demasiados, por lo que hemos hecho una selección.

Implantaciones técnicas, número y disposición de los cilindros del motor

La implantación técnica en el automóvil, posición del motor, elementos de transmisión y cuáles son las ruedas motrices, puede ser muy variada.

Desde la más tradicional a las más elaboradas en función de los objetivos buscados.

La disposición de los cilindros y su número daba una idea de las prestaciones que se podrían obtener y la “categoría” del automóvil, hasta que la sobrealimentación se hizo un sitio prácticamente permanente como un elemento más del motor (luego indicaremos porqué).

Vamos a presentar diferentes opciones con estos diez automóviles de distintos años.

Coche 1:

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera) en este automóvil; es la implantación más utilizada durante años, aún continúa sobre todo en coches de gama alta
  • El motor tiene cuatro cilindros en V estrecha VE, los cuatro cilindros comparten la misma culata y el motor es más compacto

Coche 2:

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera); solamente hay una rueda trasera motriz, la transmisión desde la caja de cambios se compone de un primer árbol de transmisión y una cadena a continuación hasta la rueda trasera motriz
  • El motor de este coche tiene dos cilindros en V y está delante del eje delantero (la refrigeración es por aire, luego se comenta)

Coche 3:

  • Motor longitudinal delantero detrás del eje y tracción (delantera); esta disposición del motor se puede denominar también como central-delantero al estar entre los dos ejes
  • Esta implantación ha tenido utilización media, el motor ocupa espacio en el habitáculo y transmite ruido
  • Motor de cuatro cilindros en línea en este coche; este número y disposición de los cilindros ha sido y es muy utilizado

Coche 4:

  • Motor longitudinal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera); se dispone de mucho peso sobre las ruedas motrices
  • Esta implantación se ha utilizado mucho en diferentes tipos de automóviles, berlinas, deportivos y pequeños (más en estos)
  • Motor de seis cilindros horizontales opuestos en este coche; permite un centro de gravedad más bajo
  • Se ha utilizado bastante con refrigeración por aire, también por líquido y actualmente es utilizado por pocas marcas de automóviles

Coche 5:

  • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera) con la caja de cambios y diferencial detrás, implantación transaxle; se busca equilibrar el reparto de pesos entre ejes
  • Se utiliza poco y es más adecuada para automóviles prestacionales y deportivos
  • El motor de este automóvil tiene ocho cilindros en V; los motores en V son más compactos
  • En este coche a continuación del motor está el embrague, árbol de transmisión y caja de cambios con el diferencial
  • En otras implantaciones transaxle el embrague puede estar en el otro extremo del árbol de transmisión, junto a la caja de cambios-diferencial

Coche 6:

  • Motor transversal delantero y tracción (delantera); esta implantación se comenzó a utilizar en la década de 1960, ahora es la más habitual
  • Hemos elegido este coche, bastante anterior en el tiempo, para entender que muchas ideas técnicas se anticiparon a su viabilidad práctica por diversos motivos
  • El motor tiene cuatro cilindros en línea en este automóvil

Coche 7:

  • Motor longitudinal delantero por delante del eje y tracción (delantera); hay bastante peso sobre las ruedas motrices y directrices
  • Su utilización es media
  • El motor tiene tres cilindros en línea en este coche

Coche 8:

  • Motor transversal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera); bastante peso sobre las ruedas motrices
  • Esta implantación es muy poco utilizada
  • En este coche el motor tiene 4 cilindros en línea

Coche 9:

  • Motor transversal central y propulsión (tracción trasera); implantación que permite aportar suficiente peso sobre las ruedas traseras motrices
  • La posición del motor limita a 2 plazas, o 2+2, por lo que se utiliza en automóviles donde esta limitación no afecta
  • El motor tiene 4 cilindros en línea en este coche

Coche 10:

  • Motor longitudinal central y 4×4; son motrices las cuatro ruedas
  • El motor tiene dieciséis cilindros en W; consiste en agrupar con un mismo cigüeñal a dos motores de ocho cilindros en V estrecha 8VE
  • Este tipo de motor se utiliza muy escasamente y con objetivos prestacionales o de muy alta gama, que se suelen quedar en 8W o12W

Las implantaciones técnicas actuales representadas por estos coches son estimativamente en porcentaje las siguientes:

  • 85% coche 6
  • 8% coche 1
  • 6% coche 7
  • 2% coches 4 y 9
  • y muy escasas los coches 3 (probablemente no haya), 5, 8, 10 y 2

La mayor parte de los motores tienen los cilindros en línea, entre cuatro y tres, pues los motores de más cilindros están siendo sustituidos por los anteriores con sobrealimentación.

En V quedan algunos para gamas altas o muy deportivos, en VE puede quedar alguno, en W es solamente para coches de lujo o deportivos extremos y los horizontales opuestos son utilizados por muy pocas marcas.

Estructura de carrocería, tipos y aerodinámica

La carrocería es lo que se ve del exterior del automóvil, su estética es uno de los aspectos más cuidados para que resulte atractiva.

La carrocería tiene otras utilidades; línea, funcionalidad y, entre otras, cualidades en seguridad que afecta a la estabilidad (seguridad activa o primaria), protección en accidentes (seguridad pasiva secundaria) y ayuda a la salida del coche y evacuación tras el accidente (seguridad pasiva terciaria).

Para lograr buenos resultados en seguridad la estructura de la carrocería es determinante.

Vamos a ver con seis ejemplos diferentes estructuras de carrocería, tipos de línea y cualidades aerodinámicas que influyen mucho en el consumo por carretera o autopista.

La aerodinámica se basa en dos aspectos:

  • La superficie frontal S (o área maestra) en m2 del vehículo
  • Y la calidad de la forma aerodinámica que valora su capacidad de atravesar el aire:
    • Se mide por el coeficiente de penetración aerodinámica CX
    • Es mejor cuanto menor sea el número
    • No utiliza unidades de medida; una esfera tiene un CX de 0,10 y un cuadrado de 1

Los valores de los datos aerodinámicos indicados son:

  • CX estimativos
  • S comparativos, tomando 1 como referencia (no indica 1 m2)

Coche 1. Bastidor independiente BI:

  • Está construido con largueros y travesaños (rojo) al que se atornillan los demás componentes, entre estos el resto de la carrocería que se ve desde el exterior (amarillo)
  • Conforma un conjunto muy rígido para soportar grandes esfuerzos
  • Pesa bastante y tiene menos cualidades de seguridad en sus tres aspectos, sobre todo la activa o primaria y pasiva secundaria
  • Es un todoterreno de cuatro puertas y portón trasero; puede transitar por zonas difíciles fuera de carretera
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 1 (referencia) y CX de 0,38

Coche 2. Plataforma con monocasco PL:

  • Una plataforma en la parte inferior soporta atornillado el monocasco del resto de la carrocería y entre ambos el resto de componentes del automóvil
  • Es un dos volúmenes con cuatro puertas más portón trasero
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 0,9 (con referencia a 1) y CX de 0,39

Coche 3. Monocasco autoportante MA:

  • Un entramado conforma una estructura interna sobre la que asienta el resto de componentes del automóvil
  • Es un dos volúmenes con dos puertas
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 0,8 (con referencia a 1) y CX de 0,30

Coche 4. Monocasco portante con subchasis MS:

  • Un entramado interno conforma una estructura o monocasco portante, bajo esta asientan los subchasis delantero y trasero
  • Los demás elementos van sujetos a estos tres componentes
  • El subchasis delantero va anclado en el extremo anterior del monocasco por lo que se verá afectado en colisiones por delante
  • Los subchasis son desmontables y se acoplan mediante tornillos a través de silentblocs
  • Es un tres volúmenes con cuatro puertas
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 0,7 (con referencia a 1) y CX de 0,33

Coche 5. Monocasco portante con subchasis cortos. MSC:

  • Un entramado interno conforma una estructura portante (monocasco), bajo esta asientan los subchasis delantero y trasero
  • Los demás elementos van sujetos a estos tres componentes
  • El subchasis delantero va anclado a cierta distancia del extremo anterior del monocasco por lo que no se verá afectado en colisiones por delante que no sean de cierta importancia
  • Los subchasis son desmontables y se acoplan mediante tornillos y silentblocs
  • Es un dos volúmenes con dos puertas y portón trasero
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 0,6 (con referencia a 1) y CX de 0,31

Coche 6. Túnel central. TC:

  • También se conoce como “espina o columna dorsal”
  • Un conjunto central con ciertas ramificaciones soporta a los demás elementos del automóvil, entre estos al resto de la carrocería
  • Es un coupé con dos puertas y dos plazas
  • Aerodinámica; superficie frontal S de 0,4 (con referencia a 1) y CX de 0,32

La línea de la carrocería puede ser engañosa con relación a la calidad de su forma aerodinámica CX, pues entran en juego muchos factores.

Se miden los resultados del CX en el túnel de viento siendo el dato definitivo experimental.

La superficie frontal S afecta bastante a la habitabilidad e influye en ella la anchura de los neumáticos.

Para que la comparación de la calidad aerodinámica de los automóviles sea representativa han de ser del mismo tipo y con las mismas funciones, y se obtiene por el producto S.CX

Motor térmico; distribución, lubricación y refrigeración

La respiración del motor, admisión y escape, son aspectos trascendentales para su rendimiento y en conjunto está conformada por los elementos de distribución, árbol de levas, válvulas y sistemas de mando y accionamiento.

Vamos a ver la evolución de la posición de los componentes de la distribución.

Árbol de levas y válvulas laterales SV:

  • El árbol de levas está a un lado del bloque, y acciona directamente las válvulas, también laterales, que abren de abajo a arriba
  • En realidad, entre las levas y válvulas hay empujadores o taqués
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por piñones
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por el mismo lado de la culata, flujo lateral

Árbol de levas lateral, válvula de escape lateral SV y de admisión en culata OHV:

  • El árbol de levas está a un lado del bloque y acciona mediante taqués las válvulas laterales de escape que abren de abajo a arriba
  • Desde el árbol de levas lateral y mediante taqués, varillas y balancines se accionan las válvulas de admisión en la culata, que abren de arriba a abajo
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por cadena
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por lados opuestos de la culata, flujo transversal

Árbol de levas lateral y válvulas en culata OHV:

  • El árbol de levas está a un lado del bloque y acciona mediante taqués, varillas y balancines a las válvulas que están en la culata
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por cadena
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por el mismo lado de la culata, flujo lateral

Árbol de levas lateral y válvulas en culata OHV:

  • El árbol de levas está a un lado del bloque y acciona mediante taqués, varillas y balancines a las válvulas que están en lados opuestos de la culata
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por cadena
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por lados opuestos de la culata, flujo transversal

Árbol de levas y válvulas en culata con balancines OHC:

  • El árbol de levas en la culata acciona las válvulas, también en la culata, a través de balancines
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por correa dentada
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por el mismo lado de la culata, flujo lateral

Árbol de levas y válvulas en culata directo OHC:

  • El árbol de levas en la culata acciona las válvulas directamente a través de empujadores o taqués
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por cadena
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por el mismo lado de la culata, flujo lateral

Dos árboles de levas y válvulas en culata directos DOHC:

  • Los árboles de levas en la culata accionan las válvulas oblicuas y en lados opuestos de la culata a través de taqués
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por correa dentada
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por lados opuestos de la culata, flujo transversal

Árbol de levas y válvulas en culata con balancines OHC:

  • El árbol de levas en la culata acciona las válvulas oblicuas en lados opuestos de la culata a través de balancines
  • El mando de movimiento desde el cigüeñal al árbol de levas es por cadena
  • Los gases de admisión y escape entran y salen por lados opuestos de la culata, flujo transversal

Lubricación:

  • Se representa en todos los motores un esquema del sistema de lubricación, responsable de los desgastes del motor; el aceite del cárter succionado por la bomba pasa por el filtro y se distribuye por las zonas internas del motor que requieren ser lubricadas
  • Si las exigencias del motor son elevadas se recurre a mejorar la refrigeración del aceite en el cárter mediante radiador de aceite, que vemos en dos motores

Refrigeración

El funcionamiento del motor térmico, como su nombre indica, produce calor que se ha de limitar para proteger a sus componentes.

Se puede hacer genéricamente de tres formas:

  • Mediante el paso del aire alrededor de las aletas de los cilindros, refrigeración por aire:
    • Se utiliza en motores de motocicletas
  • Añadiendo a este sistema un radiador de aceite para que colabore el lubricante más en la refrigeración, refrigeración por aire y aceite
    • Se ha utilizado en motores de automóviles, lo vemos en la imagen inferior derecha
    • El motor es de cuatro cilindros horizontales opuestos
    • Se ven las aletas en el exterior de los cilindros, canalizaciones para el paso del aire alrededor de las aletas de los cilindros, el radiador de aceite y el ventilador que fuerza el paso del aire por las canalizaciones de aire y radiador
  • Por líquido específico de refrigeración
    • Una cámara con este elemento rodea las zonas calientes del motor
    • El líquido se envía a un radiador exterior donde se enfría por aire de la marcha y un ventilador, volviendo a continuación al motor a menor temperatura, refrigeración por líquido
    • Se representa en la segunda imagen inferior desde la derecha: cámara de refrigeración, manguitos de salida del líquido al radiador y retorno a menor temperatura al motor, bomba de agua, ventilador y termostato para reducir el tiempo de calentamiento del motor

Se ha visto la distribución respetando lo más posible su evolución cronológica.

La lubricación también ha evolucionado, y en mayor medida los lubricantes.

El mayor recorrido entre cambios de aceite se debe a la mayor calidad del lubricante y a la menor dilución de combustible en este.

La refrigeración se hace en el automóvil prácticamente en su totalidad por líquido al permitir mejor control de la temperatura de funcionamiento.

Alimentación de combustible, sobrealimentación, par y potencia

El motor térmico necesita comburente y combustible para funcionar, el primero es el oxígeno del aire y el segundo gasolina, gasóleo o gas.

No consideramos el hidrógeno pues sería una solución anticontaminante, y además su aplicación más lógica es en la pila de combustible de hidrógeno.

Motor de gasolina

  • El primer sistema de suministro de gasolina al motor ha sido el carburador con sus evoluciones
  • Al hacerse la aportación de gasolina de forma mecánica su tiempo de respuesta al acelerar y decelerar limita mucho su capacidad para mantener la proporción de mezcla adecuada, lo que implica consumo y contaminación
  • Cuando esta última tomó protagonismo el carburador hubo de ser sustituido
  • La inyección ya estaba presente para mejorar las prestaciones y rendimiento, pero también es una buena solución para controlar la aportación de gasolina, más al permitir eficiente gestión electrónica
  • Primero llegó la inyección electrónica monopunto, un inyector para todos los cilindros
  • Después la inyección indirecta (en el colector de admisión) multipunto simultánea, todos los inyectores, uno por cilindro, actúan a la vez
  • A continuación, la inyección indirecta multipunto paso a ser secuencial; el control electrónico de cada inyector es independiente y aportan gasolina según la aceleración cuando inyectan
  • Con este control independiente los inyectores pasaron de estar en el colector de admisión (indirecta) a situarse en el interior del cilindro después de la válvula de admisión, inyección directa
  • El encendido para provocar la chispa en la bujía también evolucionó, pasó del sistema clásico al control totalmente electrónico integrado en el de inyección

Motor diésel

  • En el motor diésel, la aportación de gasóleo sobre el aire muy caliente provoca el inicio de la combustión y la cantidad inyectada la energía producida, por lo que se han de colocar los inyectores después de la válvula de admisión, dentro del cilindro
  • El motor diésel se implantó en el automóvil después de hacerlo en los vehículos pesados en los que la inyección es directa
  • Al reducirse de tamaño el motor se hizo necesaria una tecnología diferente; la precámara de combustión que fue el primer sistema utilizado en motores diésel “pequeños” para el automóvil, con bomba de inyección mecánica, primero en línea y después rotativa que es la representada
  • La evolución técnica permitió lograr que la inyección directa, con mejor rendimiento, fuese posible en el motor del automóvil, y se añadió el control electrónico del caudal de inyección, pero la apertura de los inyectores sigue siendo mecánica por la presión del gasóleo que impulsa la bomba a cada inyector alternativamente
  • Para lograr mejor control de la progresividad de la combustión y rendimiento, el control electrónico de los inyectores en el interior del cilindro directamente sobre el pistón, pasó a ser independiente en caudal y momentos de inyección, cada inyector abre varias veces en cada ciclo de inyección, multi inyección, es el sistema “common rail”

Sobrealimentación

  • Introducir aire a presión en el motor con más cantidad de gasolina, sobrealimentación, ya se hacía con objetivo prestacional, pero también aporta más par lo que se traduce en poder mejorar el rendimiento
  • Esta razón ha hecho que se utilice más la sobrealimentación en el motor de gasolina; por compresor volumétrico arrastrado por el motor, o mediante turbocompresor accionado por la energía de los gases de escape
  • En el motor diésel, al entrar en admisión solamente aire, la aplicación de la sobrealimentación por turbocompresor es una solución ideal, tanto que es un elemento más en el motor diésel

Anticontaminación

  • En el motor de gasolina se soluciona así; catalizador de tres vías (oxidación y reducción para neutralizar monóxido de carbono CO, hidrocarburos no quemados HC y óxidos de nitrógeno NOX)
  • Pueden ser más o menos necesarios: la EGR (recirculación de gases de escape para reducir más la generación de NOX), filtro antipartículas (acumula y quema periódicamente las micropartículas producidas), y catalizador de reducción selectiva con aditivo (SCR + AdBlue que reduce aún más los NOX)
  • Con estos complementos, por el escape no salen gases contaminantes tóxicos, pero si un contaminante no tóxico, es respirable y que está en las bebidas con gas, es el dióxido de carbono CO2, proporcional al consumo de combustible, que potencia el calentamiento global del planeta y sale por el escape, en más cantidad que en el motor diésel
  • La contaminación generada por el motor diésel es más compleja de solucionar, hacen falta estos elementos: catalizador de reducción (neutraliza CO y HC), EGR una o más (se generan menos NOX en la combustión), filtro antipartículas (acumula y quema las micropartículas) y catalizador de reducción selectiva con aditivo (SCR + AdBlue, más de uno habitualmente)
  • El motor diésel, comparado con el de gasolina, emite menos CO2 por el escape, consume menos combustible, y genera en la combustión más NOX por lo que necesita de varios sistemas para eliminarlos antes de salir al exterior

Par y potencia

  • El par motor aporta la fuerza necesaria para el desplazamiento del automóvil y la potencia, la aceleración y la velocidad
  • Para reducir el consumo de combustible es mejor aumentar el par y que la curva sea lo más plana posible, se logra con la aplicación de la sobrealimentación y sistemas electrónicos de inyección más elaborados
  • Cómo la potencia es función del par y las RPM del motor, si aumenta el par también lo hace la potencia
  • Con más par el motor responde mejor a bajas RPM, lo que permite desarrollos de transmisión en la caja de cambios más largos, más km/h a menos RPM

Con mejor control el combustible inyectado la dilución de este en el aceite se reduce, lo que permite que se deteriore menos aumentando el recorrido entre cambios de aceite.

Hemos citado sistemas de alimentación de combustible, sobrealimentación y caja de cambios entre otros, de hecho el automóvil es un conjunto de elementos, componentes órganos y sistemas inter relacionados con más o menos incidencia de unos sobre otros.

Transmisión; embrague, convertidor de par y cajas de cambio

El motor genera par y potencia, que han de llegar a las ruedas motrices, los elementos encargados de hacerlo componen la transmisión, que vamos a ver en este automóvil.

Conexiones entre el motor y la caja de cambios

Embrague monodisco en seco:

  • Es el más utilizado; un disco de embrague con dos superficies de fricción, que da movimiento al eje (primario) que va a la caja de cambios, acopla o desacopla el volante motor con la caja mediante la actuación del plato de presión con diafragma
  • El accionamiento se puede hacer de tres formas; dos con pedal de embrague, mediante un cable flexible de acero mecánicamente (M) o por circuito hidráulico (H), y otra sin pedal de embrague ya que su accionamiento está automatizado (A)

Embrague multidisco en baño de aceite:

  • Hay dos conjuntos de discos intercalados, unos giran con el volante motor y otros con el eje (primario) que va a la caja de cambios, están los discos en una cámara o cárter con aceite
  • El sistema de accionamiento los desacopla o acopla a presión para que hagan la función de embrague
  • Hay un sistema de accionamiento para actuar sobre los discos que puede ser de diferentes tipos, mecánico, hidráulico o automático

Volante motor bimasa:

  • El volante motor tiene como principal función reducir las vibraciones del funcionamiento del motor
  • Incorpora un dentado en su circunferencia exterior para el acoplamiento del piñón del motor de arranque, y en la superficie opuesta al motor, se asienta el disco de embrague
  • Para que la amortiguación de vibraciones sea más eficiente se utiliza el volante motor bimasa, que consiste en dividir en dos partes el volante motor y acoplarlas mediante muelles y amortiguadores de torsión

Convertidor de par:

  • Sustituye al embrague y a su pedal
  • Se compone de una turbina, el impulsor, que es accionada por el volante motor; hay otra turbina enfrente muy próxima que va a la caja de cambios
  • El conjunto está en un cárter con aceite a presión, al girar el impulsor envía el aceite con turbulencias direccionales de giro por el efecto de sus álabes a la turbina, que también tiene álabes, haciéndola girar, pasando el par y movimiento a la caja de cambios
  • Entre el impulsor y la turbina se intercala otra turbina con álabes direccionales, es el rotor, de forma que al retornar las turbulencias de aceite desde la turbina al impulsor las hacen cambiar de dirección incidiendo sobre el impulsor en su mismo sentido de giro, lo que implica aumento de par, es por lo que se le denomina convertidor de par

Cajas de cambio

Su función es adaptar el par motor a las necesidades de la marcha, multiplicándolo para iniciar el movimiento, subir pendientes o llevar carga.

Manual:

  • Hay varios conjuntos de piñones con distinto numero de dientes que permiten modificar, multiplicando o desmultiplicando, el par y velocidad que reciben las ruedas motrices
  • El acoplamiento de los piñones que proporcionan las relaciones de transmisión (entre las RPM y km/h), se hace mediante sincronizadores que son accionados a través de elementos mecánicos desde la palanca de cambios movida por el conductor
  • En la imagen se ven conjuntos de piñones en la caja de cambios, detalle de un piñón con sincronizador, desplazable y horquilla
  • Además de las evoluciones en los mecanismos de elementos en la caja de cambios manual, se ha ido aumentado el número de relaciones para lograr que el motor funcione a las RPM más adecuadas en cada situación de marcha

Pilotada y automatizada:

  • La inserción de las relaciones se desarrolla como en la caja manual, mediante sincronizadores y desplazables, pero se hace de forma automatizada por accionamiento eléctrico, electrohidráulico y control electrónico, que también actúa sobre el embrague sin pedal
  • Con un embrague en seco se denomina a esta caja pilotada; si hay dos es automatizada
  • En este caso los embragues pueden ser en seco o baño de aceite, como se ve en la imagen
  • Uno de los embragues es para las relaciones impares y el otro para las pares y marcha atrás
  • La palanca o botones de cambio tiene estas posiciones; P ruedas motrices bloqueadas, R marcha atrás, N punto muerto, D automático y M + y – son para selección manual de las relaciones subiendo o bajando marchas

Automática con convertidor:

  • En este caso los engranajes son epicicloidales, unos dentro de otros
  • La inserción de las relaciones se hace mediante discos en baño de aceite; si agrupan conjuntos de engranajes son embragues y si los detienen frenos
  • Las posiciones de la palanca han ido variando, manteniéndose la D como automática, desde una posición para cada relación, que limita hasta esta el funcionamiento automático, a la que hemos visto en la caja automatizada con las mismas funciones, P R N D + y –
  • El acoplamiento con el motor es mediante convertidor de par, es el representado, también se puede hacer con embrague multidisco en baño de aceite

Transmisión de variación continua:

  • Se basa en dos conjuntos de poleas cónicas, unas giran con el motor y otras con las ruedas motrices
  • Entre los dos conjuntos de poleas hay una correa o cadena de transmisión
  • Al acercarse un conjunto de poleas y separase el otro, o a la inversa, varían los diámetros de asentamiento de la correa o cadena en cada conjunto de poleas, lo que da diferentes relaciones transmisión
  • La posición de las poleas supone, en teoría, infinitas posibilidades de variación continua, lo que se traduce en infinitas relaciones de transmisión sin saltos
  • La palanca de cambios, o botones, tienen las posiciones ya explicadas, incluso la selección manual de relaciones (+ y –), que determinan posiciones prefijadas de las poleas cónicas para simular relaciones de transmisión discontinuas
  • La conexión con el motor se hace mediante convertidor de par o, como en este caso, por embrague multidisco en aceite

Con cajas de cambio que pasan las relaciones sin que intervenga el conductor, con la palanca o botón en D, se puede aumentar más el número de relaciones sin que suponga un engorro para el conductor como sería en la caja manual, logrando mejor rendimiento.

Ruedas, suspensión, dirección, frenos y ABS +

El motor ya ha aportado par y potencia, llegando a las ruedas motrices adaptados sus valores por la caja de cambios, a continuación el automóvil se desplaza y entran en acción más complementos, son los que vamos a ver.

Ruedas

  • La estructura de las lonas internas de los neumáticos comenzó siendo en diagonal, para pasar a ser radial, mejorando el guiado del automóvil
  • El perfil de los neumáticos, altura de la goma de los flancos que es un porcentaje de la anchura, se ha ido reduciendo para que la respuesta entre la adherencia en el suelo y la trayectoria sea mejor
  • Con diferentes perfiles se mantiene el diámetro de la rueda, necesario para no alterar los desarrollos de transmisión, velocidad de marcha y distancia recorrida
  • Reducir en exceso el perfil afecta al confort de marcha
  • Cambiar una rueda que ha pinchado en ruta implica riesgo, se evita con los neumáticos runflat, que pueden rodar temporalmente sin aire
  • Hay dos tipos; con flancos reforzados que soportan sin aire el peso del automóvil, y con rueda interna que soporta el peso al haberse perdido el aire
  • En ambos casos, tras haber circulado determinada distancia sin aire puede ser necesario sustituir el neumático
  • Los neumáticos que pueden rodar sin aire han de incorporar información en el cuadro de que hay pérdida de aire en al menos una rueda

Suspensión

  • El primer sistema utilizado es el de eje rígido:
    • Las dos ruedas están unidas por un eje, que puede ser motriz como el que vemos en la imagen o no
    • Entre el eje y la carrocería están los elementos elásticos de suspensión, muelles son los que vemos
    • Este sistema es robusto, pero reduce la estabilidad y el confort, sobre todo con baches
  • Con suspensión independiente:
    • Los movimientos de la rueda de un eje no afectan a la otra
    • Más estabilidad y confort
    • Se ve en la imagen con dos brazos transversales paralelos y muelles
  • Suspensión Mc Pherson:
    • Es un sistema de suspensión independiente que hemos incluido por ser muy utilizada en el automóvil, se representa con muelles
  • Elementos elásticos de suspensión:
    • Permiten desplazamientos flexibles verticales de automóvil con relación a las ruedas
    • Precisan de amortiguadores para controlar los efectos de rebote por las inercias
    • Estos son los más utilizados; ballestas, muelles helicoidales, barras de torsión, conjuntos neumáticos y conjuntos hidroneumáticos (hacen las funciones conjuntas de elementos elásticos y de amortiguación)
    • Con la suspensión neumática e hidroneumática es posible modificar la altura de la carrocería en marcha
  • Amortiguadores de dureza variable
    • En el diseño de la suspensión, el compromiso entre confort y estabilidad es difícil de solucionar pues si se prima uno el otro reduce
    • Una forma de lograr un equilibrio es que el tarado de los amortiguadores, con gran influencia en estos dos comportamientos, sea variable
    • El conductor selecciona la dureza que quiere, o lo deja en automático, para que se auto adapte el tarado a las condiciones de marcha

Dirección

  • Con piñón y corona:
    • Puede haber de diferentes tipos, se basa en que un piñón pequeño, movido por la caña de dirección desde el volante, mueve otro de más diámetro que mediante un varillaje hace girar a las ruedas directrices
    • La diferencia de diámetro, o número de dientes, entre los piñones reduce el esfuerzo que se ha de hacer sobre el volante
  • De cremallera:
    • El piñón de la caña de dirección engrana en una barra transversal dentada, que hace girar mediante unas bieletas a las ruedas directrices
    • Es el sistema más utilizado con suspensión independiente
  • Servodirección, para reducir el esfuerzo sobre el volante se incorporan sistemas que multiplican a fuerza, son estos:
    • Servodirección hidráulica:
      • Una bomba de aceite arrastrada por el motor aporta por presión de aceite la fuerza de ayuda para el giro de la dirección, lo vemos en la dirección con piñón y corona, también se utiliza con cremallera
      • Si la bomba de aceite de servodirección es accionada por un motor eléctrico, en vez de ser arrastrada por el motor de automóvil, se denomina electrohidráulica
    • Servodirección eléctrica:
      • Es un motor eléctrico el que aporta la fuerza de asistencia para el giro de las ruedas directrices
      • Se puede utilizar con otros tipos de dirección además de cremallera

Frenos

  • Los tambores con zapatas fueron los primeros, luego llegaron los discos con pastillas, que tienen más resistencia para mantener su eficacia por su mejor refrigeración
  • Los discos exigen más fuerza de frenada en el pedal, por lo que el servofreno que la multiplica se implantó como solución
  • Con discos ventilados se mejora aún más su refrigeración
  • Del circuito hidráulico simple, el mismo para todas las ruedas, se pasó al independiente para mantener cierta capacidad de frenada en caso de fuga de líquido
  • Se ve un circuito hidráulico independiente en X o diagonal, si hay fuga de líquido sigue frenando una de las ruedas delanteras
  • En los discos delanteros las pinzas son fijas y tienen cuatro bombines, en los traseros son deslizantes y tienen dos bombines
  • Con el sistema antibloqueo de frenos ABS se evita que las ruedas dejen de girar totalmente en frenadas de emergencia, mantenido capacidad direccional; si su testigo se enciende indica fallo en el sistema
  • Se van integrando en el ABS más funciones que van recibiendo denominaciones propias, las dos más utilizadas comparten el testigo:
    • Control de tracción para reducir el deslizamiento de las ruedas motrices en aceleración
    • Control de estabilidad que disminuye la tendencia a pérdida de la trayectoria indicada por el volante
  • En ambos, si el testigo parpadea es que están actuando, si permanece encendido indica que están desconectados o hay anomalía de funcionamiento

El ABS y sus complementos, además de muchos sistemas que colaboran, tratan de lograr que la adherencia entre los neumáticos y el suelo sea aprovechada al máximo, incluso con piso deslizante; suspensión, 4×4, dirección, frenos…, pero si se supera la adherencia disponible no será posible controlar el vehículo.

Circuito eléctrico

La electricidad ha pasado de ser un complemento más en el automóvil a controlar, mediante sistemas electrónicos, el funcionamiento de prácticamente todo lo que lo integra.

Vamos a ver un resumen de esta evolución, representada en este automóvil:

  • Los principales componentes del circuito eléctrico son:
    • Batería (almacén de electricidad)
    • Motor de arranque
    • Generador (produce electricidad con el motor en marcha)
    • Consumidores (eléctricos)
    • Cableado (de conexión entre los componentes eléctricos)
    • Conectores (para separar tramos y componentes del circuito eléctrico)
    • Interruptores (para seleccionar la actuación de los elementos eléctricos, pueden ser accionados o hacerlo automáticamente)
    • Cajas de fusibles (evitan riesgo de incendio por cortocircuito)
    • Relés (reducen la cantidad necesaria de cableado de alta intensidad)
    • “Masa” (retorno de electricidad a la batería por la carrocería metálica del automóvil)
  • La dínamo fue el primer generador de electricidad más habitualmente utilizado movido por el motor
  • Solamente genera electricidad desde unas 1.000 a 1.300 RPM, lo que implica que a ralentí no la produce, siendo la batería la que suministra electricidad, lo vemos en la animación al encenderse el testigo de carga de la batería al caer el motor a ralentí
  • Con el aumento del consumo eléctrico del automóvil esta solución no es válida, se sustituye la dínamo por el alternador que genera bastante más electricidad incluso desde ralentí, representado en la animación al no encenderse el testigo de carga de la batería aunque esté a ralentí el motor
  • Se van incorporando en el automóvil más sistemas eléctricos y electrónicos, que necesitan ser controlados por calculadores electrónicos Ce, para poder hacer sus funciones necesitan gran cantidad de datos, que son aportados por los sensores de información i
  • Para gestionar tanta cantidad de información en tiempo real, se necesitan nuevos sistemas de tratamiento y transporte de los datos para que puedan ser utilizados y controlados instantáneamente:
    • Se diseñan una o más redes de comunicación entre los calculadores electrónicos Ce que permiten el tránsito de la ingente cantidad de datos simultáneamente, es el multiplexado, similar a una autopista con una inmensa cantidad de carriles
    • Los datos recogidos por los sensores de información i son enviados al calculador electrónico Ce más próximo
    • Con los datos recibidos, los calculadores Ce elaboran paquetes de información “canbus”, que contienen la información codificada y comprimida en tres partes; concepto a medir C, su valor V y prioridad de ejecución P
    • Los paquetes de información canbus circulan por la o las redes de multiplexado que comunican todos los calculadores
    • Cada uno de estos Ce toma la información que precisa y la descodifica, llevando a cabo las funciones inherentes y respetando las prioridades de ejecución, todo esto en tiempo real
    • Para desarrollar los controles y diagnósticos se requiere un equipo específico, representado por un PC de diagnóstico
    • Se conecta este al sistema de control electrónico del automóvil, se adquieren sus datos y se puede comunicar para muchas funciones:
      • Diagnóstico de incidentes
      • Configuración de protocolos
      • Adaptación del equipamiento según pautas, países o normas
      • Integración de nuevos sistemas
      • Modificación de software, …  

Sin el PC de diagnóstico, como modelo de comunicación con el automóvil, no es posible intervenir en elementos controlados electrónicamente.

Como hemos comentado al inicio de este artículo, el automóvil ha entrado en una nueva etapa, seguirá pudiendo desplazarse, pero sin emitir nada que pueda ser nocivo, al menos por el sistema de propulsión que le mueve.

Llegará, cuando lo haga, el coche autónomo, pero necesitará tecnologías que le permitan desplazarse, aunque no sea una persona quién lo conduce … o al menos todo el tiempo.

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