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Cajas de cambio

Indice del curso

 

Cambios automáticos actuales

Particularidades
Los cambios automáticos han ido evolucionando con el tiempo, sobre todo con la introducción de la electrónica en el automóvil.
En los primeros cambios automáticos, la forma de la selección de marchas se realizaba hidráulicamente. Los estados de funcionamiento se registraban mediante elementos constructivos hidráulicos, neumáticos y eléctricos, que se convertían en presiones, con lo que se activaba la selección de marchas.
En el curso del desarrollo de la electrónica aplicada a la técnica automovilística, estos elementos constructivos se sustituyeron por los correspondientes componentes electrónicos.
El mando "hidráulico" del cambio se convirtió en mando "electrónico" del cambio. El mando electrónico del cambio se convirtió en el elemento central de la lógica y ejecución de mando.
Los puntos de acoplamiento del cambio se forman a partir de un gran número de informaciones que describen la situación momentánea de funcionamiento y marcha.

 


La unidad de control determina la lógica del acoplamiento de marchas mediante operaciones calculatorias permanentes. Para ello utiliza un programa grabado en memoria que contiene una "curva característica adaptiva", que dependiendo de las informaciones que le envíen los sensores, tomara las decisiones oportunas actuando sobre los dispositivos actuadores.

Ventajas del mando electrónico del cambio frente al convencional hidráulico:


Comunicación con otros sistemas del vehículo
El mando electrónico del cambio no es ningún sistema que trabaje aisladamente. El comunica con otros sistemas electrónicos del vehículo a fin de minimizar el despliegue técnico de sensores, optimizar el confort del acoplamiento de marchas y aumentar la seguridad del tráfico.

Nota: las modernas cajas de cambio automático con mando electrónico conservan de las cajas de mando hidráulico: las posiciones más importantes de la palanca selectora - P - R - N - D - que siguen transmitiéndose como antes, adicionalmente por medios mecánicos, de la palanca selectora a la corredera selectora en el dispositivo hidráulico de acoplamiento de marchas. Esto asegura la disponibilidad de funcionamiento del cambio automático también en caso de fallar la unidad de control electrónica.


Curva convencional de acoplamiento

El acoplamiento entre dos marchas lo efectúa el mando electrónico del cambio en base a una "curva de acoplamiento". Esta tiene en cuenta la velocidad de marcha y la posición del pedal acelerador.
Para acoplar una marcha superior es válida otra curva característica que para acoplar una marcha inferior.
En función de la velocidad de marcha y de la posición del pedal acelerador, para cambio de marcha hay memorizada en la "unidad de control de cambio" una curva característica de acoplamiento. Esta selección del punto de acoplamiento es relativamente rígida, pues las marchas se acoplan siempre en los mismos puntos según la posición del pedal acelerador y de la velocidad de marcha.
En el diagrama inferior sólo se representa el acoplamiento 3ª - 4ª marcha.

 


Curva característica deportiva y curva característica económica

En los primeros tiempos del mando electrónico del cambio, sólo se programaban curvas características fijas de acoplamiento. En el posterior desarrollo del mando electrónico del cambio ya se podía elegir entre dos programas:

La conmutación del programa la efectuaba el conductor mediante un conmutador aparte dispuesto en la palanca selectora. Un posterior perfeccionamiento automatizaba la conmutación. Esta tenía lugar teniendo en cuenta la velocidad de accionamiento en el pedal acelerador.
A pesar de la mejora seguía tratándose, como anteriormente, de una decisión absoluta: “ECO" o "SPORT" sin tener en cuenta mas factores.

 

Curvas características adaptivas
Los modernos mandos electrónicos del cambio determinan un desplazamiento de la curva característica de cambio a partir de un gran número de informaciones que describen permanentemente la situación momentánea de funcionamiento y marcha.
Esta curva característica de acoplamiento adaptada individualmente y no rígida se utiliza en la unidad de control para la decisión del acoplamiento de marchas.

El programa de acoplamiento en función de la resistencia al avance reconoce las resistencias al avance, tales como recorridos por pendientes cuesta arriba y cuesta abajo, servicio con remolque y viento contrario.
En base a la velocidad de marcha, posición de la válvula de mariposa, número de revoluciones del motor y aceleración del vehículo, la unidad de control calcula la resistencia al avance y fija según esos datos los puntos de acoplamiento.
La determinación del punto de acoplamiento en función del conductor y marcha se efectúa según el principio de la "fuzzy logic" (lógica borrosa).

Mediante la velocidad de pedal acelerador (accionado rápida o lentamente), el conductor consigue un factor deportivo que se determina mediante la "fuzzy logic".
Con ayuda del factor deportivo tiene lugar una determinación flexible del punto de acoplamiento entre una concepción del mismo orientada al consumo o a la potencia.
De este modo, entre la curva característica de acoplamiento "ECO" y la "SPORT" son posibles muchos puntos de acoplamiento. Así se consigue una reacción mucho más sensible a los requerimientos de marcha individuales.

 

¿Que es "fuzzy logic"?
Este concepto nos lo encontramos ya en muchos aparatos de uso cotidiano como las lavadoras, aspiradoras, videocámaras o máquinas de afeitar eléctricas.
La palabra fuzzy proviene del idioma inglés y significa aproximadamente "borrosidad aplicada sistemáticamente". Mediante la "fuzzy logic" se eliminan los clásicos estados de acoplamiento fijos entre marcha y marcha.

Funcionamiento clásico

Con el siguiente ejemplo se quiere mostrar el funcionamiento lógico de un ordenador donde la unidad básica de información es el 0 y 1, es decir encendido o apagado.
Un ordenador se puede utilizar para distinguir entre muy caliente y frío. Para ello hay que comunicarle una valor límite fijo (en el ejemplo, 80°C). En base a los estados de acoplamiento, el ordenador puede decidir ahora entre muy caliente y frío. Sin embargo, esta distribución fija no le permite al ordenador ningún margen de tolerancia en la dosificación de cantidades.

 

Funcionamiento adaptado
Sin embargo, además de los enunciados valores absolutos "muy caliente" y "frío" se han de tomar a menudo decisiones que se encuentran entre estos enunciados. La "fuzzy logic" tiene en cuenta una flexibilidad que no trabaja con dos valores, sino con muchos valores intermedios entre el los limites.
De este modo pueden resultar infinitos valores intermedios como "casi frío", "fresco", "tibio" o "demasiado caliente". El límite superior "muy caliente" y el límite inferior "frío", así como todos los valores intermedios están asignados a temperaturas exactas.

 

CONVERTIDOR DE PAR DE ENCLAVAMIENTO AUTOMÁTICO
Durante la marcha a velocidad de crucero del vehículo, la bomba del convertidor de par gira sólo un poco más rápidamente que la turbina. Sin embargo, debe girar más rápidamente a fin de que continúe descargando aceite y aplique el par a los alabes de la turbina. Para la transmisión de fuerza el convertidor siempre necesita de un dos y a un tres por ciento de resbalamiento, pues de lo contrario pararía la corriente de aceite.
Esta diferencia de velocidad, o de r.p.m., representa una pérdida de potencia. Por esta razón en las cajas de cambios modernas, disponen de un convertidor de par con enclavamiento. Es decir, cuando el coche alcanza la velocidad de crucero y ni acelera ni decelera, el convertidor de par se enclava. De esto resulta mayor economía de combustible. Además el aceite de la caja de cambios no se calienta en este modo de enclavamiento.
El rendimiento de un convertidor de par básico es, por regla general, de un 85%; en motores de gran potencia y números de revoluciones elevados, incluso llega a ser de un 97%.

El convertidor de par con enclavamiento, también se le denomina de otra manera: "embrague anulador del convertidor". Consta de un embrague que bloquea la turbina del convertidor fijandola a la bomba formando un conjunto compacto. Los resortes o muelles aislantes del embrague contribuyen a amortiguar o retrasar la acción del embrague cuando el convertidor de par entra en el modo de enclavamiento. Estos resortes aisladores también amortiguan los impulsos de potencia del motor cuando la caja de cambios está en directa y el convertidor está enclavado. Realizan la misma función que los resortes de torsión en el disco del embrague normal o estándar.

El embrague de anulación del convertidor de par está incorporado a la caja del convertidor de par. Lleva montado un forro de fricción de forma anular y está unido a la turbina. Es accionado por presión de aceite contra la carcasa del convertidor mediante la cual tiene lugar la entrada del par motor.
De este modo se dispone de una propulsión rígida, exenta de resbalamiento, igual que un embrague normal de fricción seco.
La unidad de control del cambio automático determina cuándo se abre o se cierra el embrague de anulación del convertidor de par.
En vehículos con cambio automático, con un embrague de anulación del convertidor de par se puede reducir en la práctica el consuno de combustible en un 2 a un 8 %, según la característica del vehículo y del cambio.


Funcionamiento
La unidad de control del cambio automático excita la electroválvula. Esta electroválvula se encarga de abrir o cerrar el embrague anulador del convertidor en función del régimen del motor y del par motor.
Para activar el embrague anulador del convertidor, la electroválvula abre la cámara de aceite que se encuentra delante del embrague anulador. Ello hace que se reduzca la presión de aceite en esta cámara, y la presión de aceite que se genera por detrás del embrague anulador hace que se cierre dicho embrague.
Cuando la electroválvula cierra de nuevo el paso de aceite se vuelve a generar presión por delante del embrague anulador y éste se desactiva.

Otro ejemplo de convertidor de par con embrague anulador, es el que tenemos a continuación. Esta constituido por un portadiscos exterior (11) que esta unido a la bomba (2) a través de la cubierta exterior (4) del convertidor. El portadiscos interior (9), esta unido a la turbina (1). Cuando la unidad de control decide activar el embrague, acciona una electroválvula y la presión del aceite es dirigida a través del árbol primario (6) hacia la cámara de presión a través del émbolo (8). El conjunto de discos (10) es comprimido y se consigue una transmisión directa del par motor entre la bomba y la turbina.
Para desactivar el embrague solo hace falta reducir la presión de aceite que entra por el árbol primario y que empuja al embolo.

 

Frenos de discos
Ademas de las "cintas de freno" estudiadas anteriormente para retener uno de los elementos del tren epicicloidal , se utilizan también los "frenos de discos".
Los frenos de discos se utilizan como hemos comentado para retener un elemento del tren epicicloidal. Son similares a los embragues de discos y poseen asimismo discos interiores y exteriores.
Los discos interiores también están unidos con el elemento giratorio mediante salientes, mientras que los discos exteriores están fijos, apoyados en la carcasa de la caja del cambio.
En la activación, un émbolo hidráulico comprime el conjunto de discos. Al contrario del embrague de discos, el émbolo hidráulico se encuentra fijo.
También en el freno de discos es de importancia el juego entre los discos para un funcionamiento perfecto del acoplamiento de marchas, por lo que se ajusta por separado.

 

Rueda libre
En algunos modelos de cajas de cambio automática se utiliza una "rueda libre" para el bloqueo de uno de los componentes del tren epicicloidal. La rueda libre tiene la particularidad de bloquear el giro en uno de los sentidos y en el otro sentido permite girar libremente.
Existen varios tipos de ruedas libres:



Rueda de aparcamiento
Es un mecanismo de enclavamiento de la transmisión automática, que se acciona cuando la palanca selectora de mando se lleva a la posición (P). La rueda de aparcamiento puede estar montada en el árbol de salida y dispone de una corona dentada, en cuyo dentado se enclava una pieza que evita que pueda girar y así se impide el giro y la transmisión de movimiento por parte de la caja de cambios.

 

Trenes de engranajes
Ademas de la unión de engranajes epicicloidales para formar un tren de transmisión, existen otros modelos mas eficientes que toman el nombre de sus inventores.

Cambio Wilson
Se compone de 3 trenes epicicloidales. La primera corona, el segundo portasatélites y la tercera corona están fijamente unidos entre sí. Además, hay un segundo y tercer piñón central fijamente unidos entre sí. La impulsión en las marchas adelante se efectúa mediante este piñón central doble.

Cambio Simpson
Se compone de 2 trenes epicicloidales con un piñón central común. El portasatélites de un tren, la corona del otro y el árbol primario están fijamente unidos entre sí.
La impulsión de las marchas adelante se efectúa siempre mediante las coronas. Este tipo se utilizó frecuentemente en el tiempo de los cambios automáticos de tres marchas.
Esta compuesto por dos planetarios (P1 y P2) que forman un solo piñón y también por la unión rígida del portasatélites (PS1) con la corona (C2). La salida del movimiento se realiza en esta disposición por medio del eje portasatélites (PS1), mientras que la entrada de movimiento se efectúa a través de un eje interior (e) al del portasatélites que puede ser unido mediante embrague a los planetas (P1 y P2) o a la corona (C1).

En la figura inferior se ven los elementos de mando, que frenan o embragan los distintos elementos que componen el cambio Simpson para obtener las distintas relaciones de cambio. Los elementos de mando esta compuesto por frenos y embragues del tipo multidisco en baño de aceite.

Cambio Ravigneaux
Se compone de 2 trenes epicicloidales con un portasatélites común.

El portasatélites lleva dos juegos de satélites:

El cambio Ravigneaux posee sólo una corona, que comprende los satélites cortos. Mediante la corona tiene lugar siempre la salida de fuerza.
Con los cambios Ravigneaux se pueden diseñar cajas con 4 marchas adelante y una marcha atrás.
Por razón de su tipo se construcción compacto, es especialmente apropiado para vehículos de tracción delantera.

Este tipo de acoplamiento "agrupación dos en uno", dos engrananjes epicicloidales formando un solo conjunto, disposición en la que se utiliza una sola corona, común a los dos trenes, cada uno de los cuales esta dotado de sus correspondientes planetarios y satélites. Los planetarios son independientes entre si, mientras que los satélites están enlazados por engrane directo.

 

Funcionamiento
En la figura inferior se muestra la adaptación del cambio Ravigneaux a una caja de cambios automática. En el esquema puede verse que el movimiento de la turbina puede ser aplicado a cada uno de los planetarios (P1) y (P2), activando los correspondientes embragues (El) y (E2). Este movimiento será transmitido a través de los satélites (SI) y (S2) a la corona (C) y desde ella al piñón de ataque y diferencial que mueve las ruedas. En la obtención de las distintas relaciones, el freno (Fl) actúa sobre el eje portasatélites (común a S1 y S2), el cual está montado sobre un sistema de rueda libre (R.L), que solamente permite el giro del portasatélites en un sentido. El freno (F2) produce el enclavamiento del planetario (P2) cuando es activado por el circuito hidráulico de mando.

En la figura se muestra la cadena cinemática de obtención de las distintas relaciones de marcha en un cambio Ravigneaux.

En algunos modelos de caja automática con tren Ravigneaux se obtiene una cuarta velocidad transmitiendo el movimiento de la turbina directamente al portasatélites por medio de un tercer embrague, e inmovilizando al mismo tiempo el planetario (P2). Con ello se consigue el arrastre de la corona directamente por los satélites, que ruedan sobre el planetario, consiguiéndose así una multiplicación de giro y, por tanto, una relación de marcha superior a la directa.




Aceite de cambio automático = ATF (Automatic Transmission Fluid)
El aceite en el cambio automático ha de cumplir en su circuito diferentes requerimientos:

Estas tareas las tiene que realizar el aceite en un margen de temperatura de -30°C a 150°C (puntos de medición de la temperatura en el cárter de aceite del cambio).
Durante el cambio de marchas, en los embragues y frenos de discos se pueden alcanzar por un breve tiempo incluso temperaturas de 250°C a 400°C. El aceite deberá cumplir todas las tareas en cualquier condición.
En especial en los aceites utilizados en este tipo de cambios, se mejora el índice de viscosidad para garantizar un líquido constantemente espeso en todo el margen de temperaturas.
En todo el mundo se reconocen los estándares para el aceite hidráulico de transmisión establecidos por General Motors (ATF Dexron) y Ford (ATF Mercon).

Nivel/temperatura del aceite
El nivel y la temperatura del aceite influyen enormemente sobre el perfecto funcionamiento de un cambio automático. Por esa razón, los cambios automáticos poseen un termosensor, que mide la temperatura del aceite, y un radiador de aceite.
El siguiente gráfico nos aclarará las interrelaciones al respecto.

 

Un pequeño sobrepaso de la temperatura modifica el nivel de aceite. La expansión del aceite no tiene lugar en los canales de aceite, sino que surte efecto en el cárter de aceite.
Especialmente el calentamiento en el convertidor impele el aceite al cárter.
Un nivel demasiado alto de aceite produce espuma y hace salir aceite por el conducto de rebose.

Atender especialmente a la temperatura de comprobación del aceite si se ha de restablecer el nivel de aceite.
La temperatura de comprobación se ha de medir con el aparato de diagnóstico y se ha de ajustar a la temperatura indicada.
En la comprobación del nivel de aceite se debe proceder según el Manual de Reparaciones de actualidad del cambio en cuestión.
Con una cantidad correcta de aceite, el mando electrónico del cambio contrarresta regulando la variación de viscosidad causada por el aumento de temperatura a consecuencias de variar la presión del aceite, a fin de asegurar una calidad uniforme de acoplamiento de marchas.
El nivel de llenado erróneo en un cambio automático, puede dar lugar a perturbaciones de funcionamiento y daños del cambio. Especialmente perturbadores para el funcionamiento son los componentes acuosos en el aceite del cambio.
A fin de mantener limpio el aceite, se aspira éste del cárter a través de un filtro. Un potente imán permanente dispuesto en el cárter de aceite acumula los residuos metálicos de abrasión.

Nota: Utilizar únicamente el aceite autorizado por el fabricante del vehículo. Otros aceites o aditivos pueden poseer propiedades modificadas y resultan desventajosos para el funcionamiento y la vida útil del cambio.


Circuito hidráulico y bomba de aceite
En el cambio automático, el convertidor, la electrónica y los engranajes planetarios están convenientemente asistidos con la hidráulica.
En el cambio automático, el que hace el trabajo definitivo es el aceite. Por ello, el aceite y el equipo hidráulico tienen también especial importancia en el cambio automático, pues sin aceite se pierden todas las funciones del cambio de marchas.
El aceite adquiere presión por efecto de una bomba que impulsa el aceite por el circuito hidráulico. En casi todos los cambios automáticos, como bomba de aceite se utiliza una bomba meniscal. La acciona el motor del vehículo al régimen del mismo.
Las bombas en forma de menisco son robustas, de funcionamiento seguro y generan la necesaria presión de trabajo (hasta unos 25 bares).


Ellas aseguran el suministro de aceite

El aceite se enfría en un pequeño circuito aparte mediante el líquido refrigerante del motor. En el dispositivo hidráulico del cambio (dispuesto usualmente debajo del mismo) tiene lugar la regulación y distribución de la presión.

 

Distribuidor hidráulico del cambio
Este distribuidor hidráulico representa la central de mando para la presión del aceite. En él se regula la presión del aceite, con arreglo a las señales del mando electrónico del cambio y
se distribuye a los elementos del cambio. Por regla general, el distribuidor hidráulico se compone de varias carcasas de válvula.
Una carcasa de válvulas representa el cuerpo para todas las válvulas que se se encuentran allí (válvulas de conmutación, válvulas magnéticas de regulación, válvulas reguladoras de presión). Además, contiene los canales de aceite de acuerdo con el esquema hidráulico.
Los canales de aceite en la carcasa de válvulas están conducidos sin cruzamiento. Los cruzamientos necesarios se diseñan mediante orificios dispuestos en un bloque intermedio. De este modo se pueden formar vías de aceite en diferentes carcasas de válvulas que se encuentran superpuestas.
Las válvulas activadas eléctricamente por la unidad de control electrónica (válvulas magnéticas) están caladas desde el exterior en las carcasas de válvulas. De este modo, son fácilmente accesibles y cambiables para trabajos del Servicio.
El dispositivo hidráulico del cambio, además de sus enlaces eléctricos con la unidad de control electrónica, está unido mecánicamente con la palanca selectora mediante una corredera
manual.
El dispositivo hidráulico suele estar montado debajo del cambio. En tal caso, la caja del cambio contiene parte de los canales de aceite. Los canales de aceite también pueden estar dispuestos en una placa aparte.

 

Esquema hidráulico
El esquema hidráulico comprende todos los elementos que intervienen para el accionamiento de los embragues y frenos, asi como el convertidor de par.


En la figura inferior se ve un extracto simplificado del esquema hidráulico de un cambio automático. Sobre este sistema queremos explicar el complicado laberinto del mando hidráulico.
Se representan dos elementos del actuadores del cambio, Según el diseño del cambio, en un moderno cambio de cuatro marchas pueden ser de seis fricción u ocho elementos de fricción (embragues y frenos).


 

Las presiones en el sistema hidráulico
En el sistema hidráulico se necesita el aceite en diferentes escalones de presión. Las válvulas reguladoras de presión y las electroválvulas de regulación se utilizan para generar los necesarios niveles de presión.





 

 

Elementos hidráulicos del cambio
En el cambio automático de mando electrónico se utilizan electroválvulas como elementos hidráulicos (electroválvula de conmutación, electroválvula de regulación).
Además encuentran aplicación válvulas de conmutación que sólo trabajan hidráulicamente.

 




 

Funcionamiento de electroválvula de conmutación y válvula de conmutación
Este ejemplo nos muestra que un elemento del cambio no recibe presión de trabajo mediante la electroválvula.

 



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