Test Drive La historia de las transmisiones automotrices - Parte 3

En esta última parte, encontrará varios tipos de soluciones modernas en esta área.

Hoy en día, el mundo de las transmisiones es más diverso que nunca, y las empresas automotrices y los proveedores están vinculados por relaciones y acuerdos complejos que conducen a la creación de productos de tecnología extremadamente alta, desde pequeñas transmisiones CVT hasta transmisiones automáticas de nueve velocidades.

En los años 50, todo parecía tomar una imagen nítida: para los estadounidenses, la transmisión automática ahora es primordial, y para los europeos, la transmisión manual sigue siendo una prioridad. Sin embargo, la misma afirmación se puede aplicar a los años 70: no debemos olvidar que la verdadera "motorización" de Europa (occidental) comenzó precisamente entonces, porque los años 80 aún son años para reconstruir las ruinas de la guerra. La historia muestra que el panorama no era muy diferente en la década de 2000, aunque en algunos lugares de Europa las automáticas comenzaron a aparecer en autos más lujosos. No fue hasta la década de 90 que la llegada del gobierno electrónico comenzó a cambiar el rumbo a favor de las transmisiones automáticas y el Viejo Continente. Pero incluso en 80, cuando la participación de la automatización en los autos nuevos alcanzó el 15 por ciento en los EE. UU. y el 4 por ciento en Japón, solo el 5 por ciento de los europeos eligió esta solución. Por supuesto, uno no puede subestimar el componente psicológico en este caso y el deseo muy decidido de este último de cambiar de marcha por su cuenta. En ese momento, todavía eran predominantemente 2002 y 6.ª marcha; no fue hasta el '8 que ZF presentó la primera generación de su transmisión de seis velocidades de 8HP para llevarla hasta XNUMXHP, siete años más tarde en ZF XNUMXHP. Este último se convierte en una auténtica revolución, no sólo por el número de marchas, sino también por el perfecto confort de manejo, que gracias a los ingenieros de BMW y su precisa integración en la séptima serie se ha llevado a la perfección.

Este es realmente un período de cambio increíble porque en ese momento ZF continuaba suministrando 4HP para el Peugeot 407 y 5HP para VW y Skoda. De hecho, durante 13 años, la proporción de transmisiones automáticas en todo el mundo se ha disparado, alcanzando el 46 % en 2014. A pesar del aumento en el número de engranajes, el tamaño y el peso se reducen, y aquí ya hay algo para todos. Incluso los autos pequeños como el Honda Jazz también tendrán cajas de cambios de doble embrague. Mercedes y ZF presentan nueve unidades de paso en sucesión. Desarrollo conjunto activo GM y Ford están trabajando arduamente en un proyecto de transmisión automática de diez velocidades para contrarrestar a Chrysler en Estados Unidos, que mientras tanto está lanzando una versión con licencia del ZF 8HP. Mientras que la evolución de las transmisiones manuales avanza hacia mejores marchas, simplificación y cambios más precisos, llevando algunos autos a tal perfección que sería un sacrilegio privarlos, las automáticas ahora tienen una gran selección de opciones. De todos los autos con transmisión automática vendidos en 2014, el 49 por ciento son transmisiones automáticas clásicas con 6 o más marchas, y solo el 15 por ciento tienen menos de 6 marchas. Las CVT representan el 20 por ciento, las transmisiones de doble embrague el 9 por ciento y las transmisiones manuales automatizadas solo el 3 por ciento, al igual que las transmisiones de vehículos híbridos y eléctricos. Estas cifras esconden algunos detalles estrictos: la mayor parte de las transmisiones DSG, por ejemplo, está en el mercado en Europa, las clásicas en Europa y EE. UU., y una gran parte de las transmisiones CVT se encuentran en Japón. Al mismo tiempo, las nuevas unidades no son de ninguna manera más pesadas o más grandes que sus predecesoras: si la transmisión automática de 5 velocidades de Mercedes 2004 requiere cuatro engranajes planetarios y siete dispositivos de bloqueo, gracias a su arquitectura inteligente, el nuevo 9G-Tronic lo es. también maneja cuatro engranajes planetarios, pero con seis embragues como elementos de bloqueo. Una cosa está clara: muy pronto, incluso las marcas de gama media seguirán a los fabricantes de artículos de lujo y ahora pasarán a transmisiones con más marchas. Un buen ejemplo de esto es el hecho de que Opel se encuentra en las etapas finales del desarrollo de una transmisión automática de ocho velocidades. . La idea de un automóvil con una transmisión automática que hace que el motor acelere de manera incómoda y crea una extraña sensación sintética ahora está completamente en los anales de la historia.

Alianzas y acuerdos

Sin embargo, Mercedes es una excepción, ya que es un fabricante de automóviles que desarrolla y produce sus propias transmisiones. Mazda, PSA y Hyundai/Kia son similares, pero en la práctica la mayoría de los fabricantes de automóviles están vinculados en gran medida por relaciones complejas y empresas conjuntas entre sí y con proveedores de cajas de cambios como ZF y Aisin. Con una transmisión automática ZF de 8 velocidades en diferentes variantes, por ejemplo, los modelos están equipados por Audi, BMW y Rolls-Royce. En virtud de un acuerdo de licencia, Chrysler produce la misma transmisión para los modelos Evasion, Chrysler y Jeep, pero también para Maserati y Fiat. GM fabrica el Hydra-Matic de ocho velocidades en el Corvette, pero trabajó con Aisin para desarrollar una transmisión de ocho velocidades para Cadillac y suministró transmisiones automáticas a BMW hace una década. Al mismo tiempo, el gigante americano está trabajando con Ford para desarrollar una caja de cambios de diez velocidades, mientras que su filial europea Opel está desarrollando su propia caja de cambios de ocho velocidades. Hyundai/Kia también desarrolló su propia transmisión de ocho velocidades. Getrag, que desde entonces ha adquirido una amplia experiencia en la producción de transmisiones de doble embrague, ofrece sus unidades para los modelos compactos de Ford y Renault, así como para las versiones BMW M, y los dos embragues para estos son suministrados en su mayoría por LUK. La famosa transmisión DSG de VW y Audi fue diseñada con la ayuda de BorgWarner, y la transmisión del Veyron fue diseñada por Ricardo. Transmisión con dos embragues y siete marchas. Porsche PDK es obra de... ZF, BorgWarner y Aichi Machine Industry, quienes desarrollan y producen conjuntamente la transmisión para el Nissan GT-R.

Competencia de automatización clásica

En la parte anterior te contamos en detalle sobre la creación y desarrollo de las transmisiones automáticas clásicas. Agregaremos que en versiones anteriores, el sistema hidráulico presurizado que activa los elementos de bloqueo (ver más abajo) se controla mecánicamente en base al vacío en los colectores y mediante un regulador centrífugo. Posteriormente todo se basa en la electrónica y los parámetros relacionados con el control de motores. Es importante señalar que los nuevos aceites sintéticos también contribuyen de manera significativa al rendimiento preciso de las transmisiones modernas. Sin embargo, el rápido desarrollo de las transmisiones automáticas clásicas en los últimos años les ha ayudado a ser hoy insuperables en términos de comodidad de cambio de marchas con una suavidad excepcional y alta velocidad, y hasta ahora son líderes en número de marchas (ya 9). La desconexión rápida del convertidor de par los hace más eficientes y sin interrupción de la tracción, lo que los acerca al DSG, los tiempos de cambio son cada vez más cortos, y con la ayuda de acumuladores de presión no se integra el sistema start-stop. pregunta. Es interesante notar que mientras que los autobuses usan principalmente transmisiones automáticas clásicas, la prioridad para los camiones grandes es una transmisión manual con cambio de marchas neumático automático.

Transmisiones automáticas

Hace solo una década, su futuro parecía prometedor... Después de que ingresaron al automovilismo en los años 80 y cambiaron a cajas de cambios secuenciales de alta velocidad, ahora son cada vez menos comunes en los autos de producción, dando paso a las cajas de cambios de dos velocidades. embrague. Las opciones de transmisión mecánica con cambios neumáticos e hidráulicos siguen siendo la prioridad para los camiones y las secuenciales para los autos de carreras. Esto último es un hecho bastante paradójico y es argumentado por la FIA por el afán de abaratar costes. Se ha llegado al punto en el que es probable que pronto todos los coches de Fórmula 1 obtengan cajas de cambios del mismo proveedor. Además, están limitados en materiales, en la cantidad de engranajes y en el ancho de los engranajes, una decisión bastante extraña en el contexto de la introducción de nuevos motores turbo.

De hecho, todo empezó como una revolución en la incubadora extrema de la Fórmula 1, y su generador conceptual fue el diseñador jefe de Ferrari a mediados de los 80, John Barnard. Su idea profunda en la práctica no es encontrar una nueva forma de cambiar, sino eliminar los complejos y pesados ​​mecanismos de la cabina del automóvil. Dado que en ese momento ya existía una base tecnológica en forma de dispositivos electrohidráulicos (como un elemento de la suspensión activa de los automóviles), decidió que dicho activador podría usarse para este propósito. Ni siquiera se trata de quitar primero el pedal del embrague. Los primeros prototipos incluían dispositivos para cambiar cada marcha, y esta solución permitía mover las palancas del volante. Solo entonces surgió la idea de soltar el pedal del embrague y abrirlo simultáneamente con la ayuda del cerebro electrónico de control. Esta arquitectura y las mejoras del microprocesador, así como la introducción de aceleradores controlados electrónicamente, permiten cambios de marcha completamente automáticos. ¿Será este el último clavo en el ataúd de una transmisión automática clásica? En los años noventa, esas voces comenzaron a escucharse cada vez más. Además, las transmisiones automáticas están mejorando rápidamente, avanzando hacia una arquitectura completamente nueva con un diseño ordenado (secuencial), en el que las palancas de los sistemas de cambio se colocan en canales o siguen los contornos de un tambor giratorio.

Automático clásico ahora con anulación manual

Pero al mismo tiempo que las transmisiones semiautomáticas basadas en transmisiones manuales daban sus primeros pasos en el gran deporte, Porsche resolvió el problema opuesto al crear una transmisión automática clásica con la capacidad de cambiar usando palancas en el volante. Por supuesto, la transmisión pertenece a ZF, que junto con Bosch juega un papel principal en el proyecto (Porsche crea la idea principal y lidera el proyecto, ZF desarrolla el equipo y Bosch es la dirección). La implementación del proyecto se demuestra en forma de equipos adicionales para el 911 y el 968, y luego Audi y Mitsubishi compran licencias para el proyecto. El nombre de esta transmisión tiptronic proviene de la palabra alemana tippen (empujar) debido a la capacidad de cambiar empujando y tirando de una palanca. Este tipo de caja de cambios ya tiene la función de cambiar su modo en función del estilo de conducción del conductor.

Mientras tanto, la creación de John Barnard tiene el lugar que le corresponde en automóviles -por supuesto, para aquellos con espíritu deportivo, o al menos con pretensiones de serlo- como el Ferrari F360 Modena y el mucho más modesto Alfa 147 Selespeed con transmisión secuencial (basado en en una transmisión estándar de cinco velocidades con una palanca de cambios añadida y el cerebro de Magnetti-Marelli Pero, como mencionamos, el nacimiento de la transmisión de doble embrague pareció abrasar las ambiciones de las transmisiones automáticas en el mundo de los automóviles grandes, y este último recurrió a modelos más modestos y la posibilidad de automatización más barata de las transmisiones existentes (como el Opel Easytronic que mientras tanto ha recibido su nueva tercera edición). Esto se implementa por medios más simples que la arquitectura en serie: para esto se usa una unidad de control adicional, que ya es bastante compacta. Sin embargo, la solución al sueño de larga data de los diseñadores de cambios y desacoplamientos automáticos sincronizados sigue siendo solo una utopía; en la práctica, esto nunca sucede, y todas las transmisiones de este tipo adolecen de una falta de cambio armonioso de una marcha a otra. . Los fabricantes de automóviles deportivos se han centrado en las transmisiones de doble embrague (DCT o DSG). Un ejemplo típico en esta dirección es la colaboración entre BMW y Getrag, que se materializó como una caja de cambios SMG secuencial para la generación anterior del M5 y se convirtió en una caja de cambios DCT de siete velocidades para la actual.

Con dos embragues sin interrupción de tracción

Todo comenzó en 2003 cuando VW presentó Direct Shift Transmission (o Direct Schalt Getriebe en alemán) desarrollado conjuntamente con BorgWarner. Tan pronto como se introdujo, demostró la capacidad de cambiar más rápido y sin los tirones de las transmisiones manuales y automáticas, sin pérdida de tracción y sin deterioro en el consumo debido a la falta de un convertidor. Sin embargo, volviendo a la historia se muestra que Audi usó una caja de cambios similar en sus autos de rally a mediados de los 80 (como el Sport Quattro S1 Pikes Peak), pero la tecnología tendrá que esperar un tiempo antes de que los sistemas electrónicos lo suficientemente rápidos estén disponibles. control para la producción en serie, materiales de acoplamiento adecuados y actuadores hidráulicos rápidos. A diferencia de una transmisión convencional, el DSG tiene dos ejes coaxiales, cada uno con su propio embrague. Estos conectores están dispuestos concéntricamente entre sí, conectando el exterior con el interior de los dos ejes y el interior con la sección exterior hueca. Uno de los ejes acepta engranajes impares y el otro, pares. Cuando, por ejemplo, se engrana la primera marcha, la segunda ya está preparada, y el engrane se produce desengranando una y engranando la otra simultáneamente sin interrumpir la tracción. Los engranajes se accionan mediante sincronizadores clásicos, pero en lugar de varillas y horquillas mecánicas, se hace mediante elementos hidráulicos. Los embragues multidisco difieren en diseño de los de las transmisiones mecánicas y, en este sentido, están cerca de los mecanismos que sirven como elementos de bloqueo en las transmisiones automáticas: su desarrollo ha contribuido a la evolución del DSG. Sin embargo, los dos tipos no solo son similares en términos de apertura y cierre de embragues hidráulicos, sino también en términos de control electrónico basado en múltiples sensores. En versiones anteriores, la transmisión tenía embragues en baño de aceite para una mejor transferencia de calor, pero con los avances en los materiales, ahora se utilizan embragues secos más eficientes. Las transmisiones DSG ahora son una prioridad principalmente para los modelos deportivos, pero también se usan a menudo como una alternativa para modelos compactos y pequeños como Ford Focus y Renault Megane (equipados con Getrag), VW Golf, Audi A3, Skoda Octavia (VW-BorgWarner). automática y automatizada. Entonces, hoy, con la ayuda de la electrónica, todos los tipos de transmisiones automáticas tienen la capacidad de cambiar mecánicamente los diferentes modos de operación de las máquinas automáticas.

¿Y qué pasó con el variador mientras tanto?

La idea de una transmisión continuamente variable es tan antigua como el mundo, y los proyectos incluyen muchas variaciones. Su problema suele ser que no hay engranajes y la transferencia de par a las superficies deslizantes conduce al boxeo. A principios del siglo XX, el suizo Weber tenía una transmisión de este tipo, pero solo en 20 los hermanos Dorn lograron crear una solución práctica de este tipo; este último apareció en forma de Variomatic en el automóvil holandés DAF. El principal problema con un cambio continuo simple y prometedor en una amplia gama de diseños con actuadores hidráulicos desplazados axialmente y elementos cónicos conectados por una correa biselada es su desgaste. Por ello, en diseños posteriores, se sustituyó por un elemento metálico segmentado de acero de alta fricción, en el que el movimiento no es de tracción, sino de empuje, lo que proporciona un mayor par. A finales de los 1955, muchas empresas como Ford, Fiat, Subaru y ZF empezaron a coproducir con Van Doorne, y para transmitir más par que en el 80, Audi creó una transmisión CVT por cadena. En 2000, Nissan, que ciertamente respeta estas transmisiones, gracias en gran parte al fabricante local Jatco, equipó al Murano con una transmisión CVT, y la actual versión de transmisión automática del Subaru Legacy usa una de LUK.

Allá por finales del siglo XIX, se crearon las primeras transmisiones CVT, que utilizaban acoplamiento directo con discos de diferentes diámetros, y en los años 19, Citroen y GM produjeron por primera vez las primeras versiones de producción. Su interés por esta solución tecnológica volvió a finales de los 20, nuevamente con el desarrollo de materiales, y sus custodios fueron la empresa británica Torotrak y la ya mencionada Jatco, esta última como líder en transmisiones CVT. Recientemente, han aparecido cada vez más nuevas soluciones de este tipo, como la Transmisión Doble Rollet CVT Ultimate, que aún no han demostrado su viabilidad.

En una transmisión CVT estándar, generalmente se coloca un engranaje planetario pequeño delante del engranaje principal para proporcionar velocidades de avance, retroceso y punto muerto. Varias soluciones de arranque utilizan conectores magnéticos o un convertidor estándar (Subaru o ZF Ecotronic CVT). Las cajas de cambios CVT, que se han descuidado durante mucho tiempo en los últimos años, están atrayendo nuevamente un mayor interés, especialmente de los fabricantes japoneses. Todavía tienen una gran participación en la producción total de transmisiones automáticas. Las tecnologías de transmisión de Bosch están trabajando cada vez más en esta área. Al igual que con otros, nuevos materiales y componentes electrónicos vienen al rescate.

Diseño básico de una transmisión automática clásica

En su nueva transmisión 9G-Tronic, Mercedes utiliza el llamado convertidor de par hidrodinámico, que es un dispositivo extremadamente complejo, pero el principio de su funcionamiento no es diferente al de los primeros dispositivos de este tipo (ver foto). En la práctica, consta de una bomba conectada al volante del motor, una turbina conectada a engranajes y un elemento intermedio llamado estator. La dinámica de fluidos en este dispositivo es extremadamente compleja, pero simplemente el aceite colocado en él se bombea alrededor de su periferia en un movimiento circular, similar a la parte superior de la Figura 8, pero en una versión 50D en la que las líneas de intersección están desplazadas. en relación unos con otros. La forma específica de los álabes de la turbina, como signo del brazo, es de hecho una curvatura calculada con extrema precisión que absorbe de manera óptima la fuerza del flujo, que, a su vez, cambia de dirección abruptamente. Como resultado, el par aumenta. Desafortunadamente, tan pronto como cambia la dirección, el flujo ya tiene un efecto negativo, porque se dirige hacia atrás contra las paletas de la bomba. Aquí viene al rescate el estator, cuya función es cambiar la dirección del flujo, y es este elemento el que convierte el dispositivo en un convertidor de par. Está diseñado de tal manera que tiene un mecanismo de bloqueo que lo mantiene estacionario bajo esta presión. Como consecuencia de todo lo anterior, en el arranque se produce el mayor incremento de par. Aunque el flujo se invierte a cierta velocidad, a medida que su velocidad circunferencial de la turbina aumenta gradualmente en la dirección opuesta, su velocidad neta se vuelve la misma que en la dirección de la turbina. Para entender esto, imagina que conduces un tranvía a 30 km/h y haces rebotar una pelota a 20 km/h, en este caso el flujo de aceite pasa por detrás de las palas del estator, se desactiva su bloqueo y comienza a girar. libremente, y cuando se alcanza el 90 por ciento de la velocidad de la bomba, el flujo de vórtice se vuelve radial y se detiene el aumento del par. Por lo tanto, el automóvil arranca y acelera, pero esto siempre se asocia con pérdidas, incluso con unidades modernas. En las transmisiones modernas, poco después de comenzar, el convertidor se apaga o, más bien, su acción se bloquea con la ayuda de los llamados. embrague de traba, lo que aumenta la eficiencia general de la transmisión. En versiones híbridas, como el ZF 8HP, se reemplaza por un motor eléctrico que aumenta el par, y en algunas soluciones, como el AMG 7G-DCT, el convertidor se reemplaza por un conjunto de embragues de placas. Y, sin embargo, para optimizar la dinámica del flujo de aceite, en algunos casos, las palas del estator tienen un ángulo de ataque variable que, según la situación, cambia el par.

Conjunto de engranajes planetarios

Como se mencionó en la sección anterior, el engranaje planetario fue elegido como el engranaje más adecuado debido a su capacidad para manejar varios engranajes sin engranajes ni sincronizadores. El mecanismo es una corona dentada (corona) con dientes internos, un planetario y ruedas planetarias que lo rozan y acoplan con la corona anular, las cuales van conectadas a una guía común. Cuando uno de los elementos (corona, guía o rueda solar) está bloqueado, el par se transfiere entre los otros dos, y la relación de transmisión depende del diseño. Los elementos de bloqueo pueden ser embragues o frenos de banda y son accionados mecánicamente por actuadores hidráulicos en las transmisiones más antiguas y controlados electrónicamente en las más nuevas. Incluso las primeras transmisiones automáticas como GM Hydra-Matic o Chrysler Torque-Flite no usaban engranajes planetarios convencionales sino diseños compuestos como los de Simpson. Este último lleva el nombre de su creador, el ingeniero estadounidense Howard Simpson, e incluye dos engranajes planetarios (epicíclicos) completamente idénticos, en los que una de las partes del segundo está conectada con la primera (por ejemplo, una guía con una rueda solar). En este caso, los elementos de fijación son dos embragues multidisco, dos correas de freno y un embrague unidireccional que proporciona transmisión directa de par. Un tercer mecanismo, que proporciona la llamada sobremarcha, se puede agregar por separado a la caja de cambios. Varios diseños más modernos utilizan un engranaje planetario más complejo que el convencional, como el Ravigneaux (llamado así por su creador, Paul Ravigneau), que se combina con uno y dos engranajes estándar para aumentar el número de engranajes a cinco. Incluye una corona común y una combinación de dos tipos diferentes de satélites y ruedas solares, entre los cuales tienen lugar flujos de energía aún más complejos. La primera transmisión automática de 6 velocidades de ZF, presentada en 2002, usa el mecanismo Lepelletier (diseñado por Paul Lepelletier), lo que resultó en menos componentes, menos peso y volumen. La inteligencia de las soluciones modernas reside principalmente en la capacidad, gracias al análisis informático, de integrar mecanismos de bloqueo, ejes y engranajes más compactos, permitiendo que más elementos interactúen y, por tanto, conseguir más engranajes.

A la vanguardia de las 9 marchas: Mercedes 9G-Tronic.

La nueva transmisión Mercedes 9G-Tronic tiene una relación de transmisión (relación de transmisión de la primera a la novena) de 9,15. Así, equipado con esta transmisión, el E 350 Bluetec puede viajar en novena velocidad a 120 km / ha tan solo 1350 rpm. La capacidad de moverse a velocidades más bajas también está respaldada por un amortiguador de torsión dual que reemplaza el volante, combinado con un dispositivo de péndulo centrífugo. Aunque puede manejar hasta 1000 Nm de par, esta transmisión, basada en una gran cantidad de simulaciones por computadora, es más liviana y compacta que antes. La carcasa de dos piezas está hecha de aluminio en el convertidor de par hidrodinámico y aleaciones de magnesio en caso contrario con un cárter de polímero. Se realizaron numerosos análisis antes de que se lograra la posibilidad de realizar nueve engranajes con solo cuatro engranajes planetarios. Esta transmisión se utilizará ampliamente en otros modelos de montaje transversal y la DSG se utilizará para modelos compactos.

Retroceso fantástico ZF: 9HP

Las raíces del 9HP se remontan a 2006 cuando ZF decidió volver al segmento transversal (los productos anteriores eran transmisiones de cuatro velocidades y CVT, que se suspendieron a finales de los 90). Por lo general, tarda unos 4 años en desarrollarse, pero la empresa no quiere que vuelvan con una automática de 6 velocidades porque ya existen. El hecho de que la empresa tarde 7 años en completar la meta habla del tremendo trabajo de diseño que se requirió para crear esta transmisión. La solución es una solución increíblemente de alta tecnología que, incluso en la versión de 480 Nm, pesa solo 86 kg. Gracias a la nueva caja de cambios, el consumo de combustible se reduce en aproximadamente un 10 por ciento en comparación con una caja de cambios de 6 velocidades, y a una velocidad constante de 120 km / h la reducción es del 16 por ciento. La arquitectura inteligente incluye la colocación de cuatro engranajes planetarios anidados entre sí y la adición de conectores de clavija adicionales que tienen menos fricción residual cuando están abiertos. Se ha añadido un sistema de amortiguación de varias etapas al convertidor de par.

Texto: Georgy Kolev