Tipos de desarrollos y de relación en caja de cambios

El motor produce la energía que desplaza el automóvil, par y potencia, pero se ha de adaptar a las condiciones de marcha y peso transportado, esta adaptación es la función de la caja de cambios.

Hay diferentes tipos de cajas de cambios y pueden tener distinto número de marchas, cada una de estas marchas con una determinada adaptación del par y la potencia, estas adaptaciones son las relaciones de transmisión. Los valores del par y potencia pueden ser muy diferentes según cada motor, así como la forma de sus curvas, lo que necesita un estudio muy elaborado y específico de las diferentes adaptaciones de transmisión que es necesario en cada automóvil según las particularidades de utilización previstas.

Este artículo puede ser tal vez denso para los que no sean muy aficionados al automóvil, nos hemos decidido a incluirlo en el blog al ser el tema de caja de cambios el más visitado. Esta es la razón de que hayamos tratado este tema en bastantes artículos del blog, indicamos sus enlaces al final para quienes están interesados.

Concepto de desarrollos de transmisión

Para la explicación de los desarrollos de transmisión se inicia la animación con un velocímetro y un cuenta RPM.

    • Desarrollo de transmisión es la relación entre la velocidad del automóvil (km/h) y el régimen de giro del motor (RPM) en cada una de las marchas de caja de cambios, en este caso de seis marchas.
    • Se representa la caja de cambios en un automóvil situada en posición transversal delantera y con el diferencial integrado, son motrices las ruedas delanteras.
    • Se ve en detalle ampliado la caja de cambios con el diferencial, dispone esta caja de seis relaciones. No se incluye la marcha atrás.
    • Seguidamente se identifican los conjuntos de piñones que dan las relaciones de adaptación del par y la potencia en cada marcha; 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª y 6ª. Se observa como los piñones acoplados al eje de salida del motor tienen diferente diámetro, y número de dientes, que los que están en el eje que conecta a través del piñón de ataque (PA) con la corona del diferencial (CR), la relación entre el número de dientes de cada conjunto de piñones de cada marcha es su relación de transmisión.
    • También se identifica la relación en el diferencial DF entre el piñón de ataque (PA) y la corona (CR).

 

Se representan los piñones de cada marcha separados, suponiendo que engranan al insertar cada una de las relaciones. En realidad están permanentemente engranados, pero uno de cada marcha gira libre sobre su eje, al que se acopla mediante los desplazables y sincronizadores, que no se explican para centrar el tema de este artículo en los desarrollos de transmisión que dependen de la diferencia del diámetro, número de dientes, de los piñones de cada marcha y también de los del diferencial.

Cálculo de los desarrollos de transmisión

Con la caja de cambios de seis relaciones integrando el diferencial se explica como se calculan los desarrollos de transmisión.

    • La fórmula es esta: DT = CR x 60 / RM x RDF
      • DT; desarrollo de transmisión en km/h a 1.000 RPM
      • CR; circunferencia de las ruedas motrices en metros, en realidad es la circunferencia de rodadura que indica el recorrido en el suelo en metros de una rueda motriz tras una vuelta completa.
      • RM; relación entre el número de dientes de los piñones de cada marcha.
      • RDF; relación entre el número de dientes de la corona y el piñón de ataque del diferencial.
    • Se indica el número de dientes de los piñones de cada relación; dividiendo el número de dientes de cada piñón del eje que va al diferencial entre los del piñón correspondiente del eje del motor se obtiene la relación de cada marcha, estos son los resultados, incluyendo al final la relación del diferencial RDF (entre paréntesis se indica la adaptación del par y velocidad en cada relación y en el diferencial):
      • ; 52 / 12 = 4,33 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
      • ; 47 / 19 = 2,47 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
      • ; 42 / 24 = 1,75 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
      • ; 39 / 29 = 1,34 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
      • ; 42 / 39 = 1,07 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
      • ; 44 / 49 = 0,89 (desmultiplicación del par y multiplicación de la velocidad)
      • RDF; 56 / 15 = 3,73 (multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad)
    • Con estos datos y aplicando la fórmula se llega al cuadro de desarrollos de transmisión que aparece al final de la animación, son estos;
      • En 1ª; 7,2 km/h a 1.000 RPM
      • En 2ª; 12,6 km/h a 1.000 RPM
      • En 3ª; 17,2 km/h a 1.000 RPM
      • En 4ª; 23,2 km/h a 1.000 RPM
      • En 5ª; 29,0 km/h a 1.000 RPM
      • En 6; 34,5 km/h a 1.000 RPM

 

Se aprecia que cada relación tiene un desarrollo más largo que la anterior, más km/h a 1.000 RPM, lo que permite que al ir subiendo de marchas el automóvil vaya más rápido al mismo régimen del motor. Cuanto más km/h tiene un marcha es más larga y si son menos más corta.

Aplicando este comentario se observa que la 1ª es la más corta y la 6ª la más larga. Las relaciones superiores a 1 multiplican el par y desmultiplican la velocidad y a la inversa, esto último se produce en la 6ª relación de esta caja de cambios lo que permite más velocidad a menos RPM para reducir consumo y contaminación, desmultiplica el par y multiplica la velocidad.

El desarrollo de transmisión de la marcha atrás es similar al de la 1ª, con la particularidad de tener un piñón adicional intermediario para invertir el sentido de giro.

Desarrollo de transmisión; corto, largo y neutro

Ya se ha comentado que a más km/h a las mismas RPM el desarrollo es largo y corto cuando son menos km/h. A continuación se va a determinar el tipo de desarrollo, para lo que se toman tres automóviles diferentes.

    • Se distinguen los tres automóviles por su línea de carrocería y para que sea más fácil su identificación también por colores; el rojo es un coupé, el verde un familiar y el azul un tres volúmenes.
    • Aparecen el velocímetro y cuenta RPM para cada uno de los coches.
    • Seguidamente se ven los desarrollos de transmisión de cada uno de estos, los tres con seis marchas.
    • Coupé rojo:
      • La velocidad máxima (240 km/h) se obtiene en a 6.956 RPM y la potencia máxima está a 6.200 RPM.
      • Al ser superiores las RPM de velocidad máxima a las de potencia es un desarrollo corto, se priman las prestaciones de aceleración.
    • Familiar verde:
      • La velocidad máxima (190 km/h) se obtiene en a 3.429 RPM y la potencia máxima está a 4.000 RPM.
      • Al ser inferiores las RPM de velocidad máxima a las de potencia es un desarrollo largo, se busca reducir el consumo.
    • Tres volúmenes azul:
      • La velocidad máxima (225 km/h) se obtiene en a 5.498 RPM y la potencia máxima está a 5.500 RPM.
      • Al ser iguales (o muy próximas) las RPM de velocidad máxima y las de potencia es un desarrollo neutro, para equilibrar prestaciones y consumos.

 

Se ve como las relaciones de las marchas y del diferencial son diferentes en las cajas de cambios en cada uno de estos tres automóviles, como también pasa con sus neumáticos que tienen circunferencias de rodadura (CR) también distintas.

Tipo de relación; cerrada, media o abierta

Se toman los tres automóviles de la explicación anterior; coupé rojo, familiar verde y tres volúmenes azul.

    • Se representa el motor en los tres coches funcionando a las mismas RPM, en este caso son 4.000 RPM.
      • Coupé rojo;
        • Se indica la diferencia en km/h entre la relación de cada una de las marchas con la anterior, que como se ve en la animación dan estos valores en km/h; de 2ª a 1ª + 5,5. De 3ª a 2ª + 5,1. De 4ª a 3ª + 5,5. De 5ª a 4ª + 5,8. De 6ª a 5ª + 5,5.
        • Hay poco salto entre las marchas, poca caída de RPM al subir de marcha, por lo que es una relación cerrada, están muy próximos los desarrollos de cada una de las marchas.
      • Familiar verde;
        • Esta es la diferencia en km/h entre la relación de cada una de las marchas con la anterior; de 2ª a 1ª + 7,5. De 3ª a 2ª + 8,3. De 4ª a 3ª + 9,3. De 5ª a 4ª + 10,3. De 6ª a 5ª + 10,6.
        • Hay bastante salto entre las marchas, caída más apreciable de RPM al subir de marcha, es por tanto una relación abierta, están más separados los desarrollos de cada una de las marchas.
      • Tres volúmenes azul;
        • La diferencia en km/h entre la relación de cada una de las marchas con la anterior es; de 2ª a 1ª + 6,8. De 3ª a 2ª + 6,0. De 4ª a 3ª + 9,3. De 5ª a 4ª + 10,3. De 6ª a 5ª + 10,6.
        • El salto entre marchas es intermedio, la caída de RPM al subir de marcha está en un término medio por lo que es una relación media.

 

La relación cerrada propicia la aceleración y velocidad de respuesta, la abierta está enfocada a lograr buenos consumos sin primar las prestaciones, y la media busca el equilibrio entre ambas.

Comparación tipos de desarrollo y de relación

Se toman tres automóviles, con diferentes enfoques y distinto número de relaciones y de tipo de caja de cambios, para resaltar la selección de los desarrollos de transmisión y tipo de relación a sus enfoques respectivos.

    • Se ven los tres automóviles, sus desarrollos de transmisión y de relación.
    • Se indica la relación intermedia en cada coche; se suman las relaciones entre cada marcha y la anterior dividiéndola entre el número de marchas menos 1. En el coche verde da + 13,14. En el azul + 9,12. En el rojo + 8,04 (+ 6,26 si no se tiene en cuenta la 7ª). Según lo explicado el tipo de relación media es abierto en el coche verde (+ 13,14), medio en el azul (+ 9,12) y cerrado en el rojo (+ 8,04, + 6,26 sin contar la 7ª).
    • Coche verde:
      • La caja es automática de 5 marchas con convertidor de par.
      • El régimen de potencia máxima es 3.800 RPM, es un motor turbodiésel.
      • La velocidad máxima es de 227 km/h y se logra en 5ª a 3.316 RPM, desarrollo largo y en 4ª a 3.984 RPM, desarrollo corto.
    • Coche azul:
      • Caja manual de 6 marchas.
      • La potencia máxima se obtiene a 4.200 RPM, es un motor turbodiésel.
      • La velocidad máxima es de 228 km/h y se alcanza en a 4.234 RPM, siendo un desarrollo neutro.
    • Coche rojo:
      • Es una caja de cambios pilotada con siete marchas.
      • La potencia máxima está a 6.500 RPM, es un motor de gasolina (atmosférico, sin sobrealimentación).
      • Se logra la velocidad máxima, 287 km/h, en a 5.000 RPM, desarrollo largo y en a 7.095 RPM, desarrollo corto.

 

    • Resumen de estas explicaciones;
      • Coche verde; la relación es abierta para aprovechar el elevado par motor y reducir el consumo de combustible. La velocidad máxima se puede alcanzar en 4ª, desarrollo corto y 5ª, desarrollo largo. En 4ª si el conductor mantiene el acelerador muy pisado, al acelerar menos la caja automática pasa a 5ª.
      • Coche azul; relación media con el objetivo del equilibrio entre prestaciones y consumo. El desarrollo neutro lo confirma.
      • Coche rojo; relación cerrada hasta la 6ª para buenas prestaciones. La 7ª es abierta respecto a la anterior para bajar consumos en carretera. El desarrollo es corto en 6ª y largo en 7ª.

El hecho de disponer de más número de marchas permite que la última sea más larga sin reducir las prestaciones de las anteriores. Esta solución con caja manual tiene la particularidad de que exige al conductor saber cuándo utilizar cada marcha, lo que puede no ser fácil y requerir frecuentes cambios de marcha. Con caja automática, o pilotada con programa automático, es el control electrónico el que toma las decisiones sin trabajo adicional para el conductor.

Al final del artículo se explican los tres tipos de caja de cambios que se utilizan en esta animación y la siguiente.

Tipos de desarrollos y relación de transmisión según el par y la potencia

La selección de los desarrollos de transmisión se hace en base a las curvas de par y potencia de los motores, y para satisfacer los enfoques de cada automóvil. Complementando las explicaciones de las anteriores animaciones, se conjugan los tipos de desarrollos de transmisión y de relación con las respectivas curvas de par y potencia de cada automóvil.

    • Coche rojo y las curvas de par y potencia de su motor, resaltando sus valores máximos en el cuenta RPM:
      • El par y potencia están al final de las zonas media y alta respectivamente del cuenta RPM.
      • Relación cerrada y desarrollo corto, es la transmisión más adecuada para este automóvil en busca de aceleración.
    • Coche verde y las curvas de par y potencia, indicando en el cuenta RPM sus valores máximos:
      • Buen par desde bajas RPM y potencia al inicio de la zona alta de RPM.
      • Relación abierta y desarrollo largo, para sacar partido a la curva de par efectiva desde bajas RPM, obteniendo buenos consumos.
    • Coche azul con sus curvas de par y potencia, los valores máximos se indican en el cuenta RPM:
      • El par está en la zona media de RPM y la potencia poco después del inicio de la zona alta.
      • Relación media y desarrollo neutro, es la opción equilibrada entre prestaciones y consumo para este automóvil.

 

En un automóvil de turismo con cinco plazas y buen maletero hay bastante variación de peso posible, lo que implica que se ha de estudiar muy bien la transmisión en función del motor para satisfacer el comportamiento y consumo en diferentes situaciones de ocupación y orografía. Si el coche es de dos plazas las variaciones de peso son escasas, además el enfoque es generalmente prestacional indicando las soluciones más adecuadas. Con más número de marchas y sobrealimentación se pueden conjugar mucho mejor opciones que de otra forma no sería factible, es el camino seguido actualmente.

Caja de cambios manual, automática y pilotada (utilizadas en este artículo)

En este artículo hemos utilizado para las explicaciones de las dos últimas animaciones tres cajas de cambios, que se van a comentar seguidamente en las configuraciones sobre los automóviles que las equipan.

    • Caja de cambios manual con diferencial integrado, este automóvil tiene motor y caja de cambios transversal delantero y tracción (delantera). Esta caja tiene seis marchas
      • Conexión con el motor mediante embrague accionado por el pedal.
      • La inserción de las relaciones se realiza mediante desplazables y sincronizadores.
      • Los movimientos para realizar los cambios de marcha se transmiten desde la palanca de cambios mecánicamente, por varillas o cables flexibles de acero, a los desplazables que acoplan las relaciones mediante los sincronizadores.
    • Caja de cambios automática, se utiliza en este caso en un automóvil con motor y caja de cambios longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera), por lo que el diferencial está en el eje motriz y no en la caja de cambios. Esta caja automática es de cinco marchas.
      • Conexión con el motor mediante convertidor de par.
      • Hay dos pedales, acelerador y freno.
      • Los engranajes para las diferentes relaciones son conjuntos epicicloidales, coronas dentadas por su interior que engranan con grupos de piñones.
      • Las relaciones se obtienen acoplando y frenando conjuntos de piñones y coronas mediante embragues y frenos, ambos son conjuntos multidisco en aceite que actúan por presión.
      • El control de las secuencias de cambios de marchas lo realiza un calculador electrónico a través de un distribuidor hidráulico del aceite a presión, accionando los embragues y frenos.
      • La palanca de cambios tiene estas posiciones;
        • P aparcamiento; la caja de cambios bloquea las ruedas motrices.
        • R marcha atrás.
        • N punto muerto.
        • D automático; la caja va cambiando de marchas sin intervención del conductor según sus actuaciones sobre el acelerador.
        • + y ; selección manual de las diferentes marchas, para esta función puede haber también mandos en el volante.
      • Caja de pilotada con diferencial integrado, esta implantación es de un automóvil con motor longitudinal trasero y propulsión (tracción trasera). Cuenta esta caja de cambios con siete marchas.
        • La caja de cambios conecta con el motor a través de dos embragues multidisco en aceite, uno para las marchas impares y otro para las pares y la marcha atrás.
        • Hay solamente dos pedales, acelerador y freno.
        • Las relaciones se insertan mediante sincronizadores y desplazables, como en la caja de cambios manual.
        • Un calculador electrónico controla el distribuidor hidráulico que acciona los dos embragues y la inserción de las relaciones, moviendo los desplazables y sincronizadores, no lo hace el conductor.
        • La palanca de cambios tiene las posiciones P R N D + y con funciones iguales o similares a la caja automática con convertidor de par, también puede disponer de mandos en el volante para el accionamiento manual. El control electrónico acciona los embragues y los desplazables/sincronizadores, a través del distribuidor hidráulico, para obedecer las indicaciones del conductor según la posición de la palanca de cambios y actuaciones sobre el acelerador.

 

Como se ha comentado estas explicaciones corresponden a las cajas de cambios de los automóviles de este artículo, otras implantaciones de estos tipos de cajas de cambios tienen algunas variaciones, en los enlaces a otros artículos del blog hay más información.

 

Enlaces de interés relacionados

En el blog tienes estos artículos que puedes buscar en sus respectivas secciones si te interesan sus temas

    • En esta sección “Tecnología limpias”; “Más número de relaciones de caja de cambios” (21.01.2013).
    • En la sección “Nuevas tecnologías”; “Consumo del motor térmico” vídeo 4 (26.06.2013)
    • En la sección “Evolución de órganos y elementos”; “Tipos de caja de cambios I y II” (22.01.2013 y 3.02.2016) y “Circunferencia de rodadura” (4.03.2015).
    • En la sección “Actualidad”; “Indicador de relación óptima de cambio” (10.02.2014), “Lo que importa es el par motor” (17.03.2012), “Para subir cuestas; acelerar más o reducir de relación” (7.04.2013), “En caja automática ¿D en paradas? (5.05.2014), “Estilos de conducción” (19.05.2014), “La caja de cambios pilotada” (10.12.2014), “Mantenimiento de la caja de cambios automática” (5.04.2016).

 

Otros enlaces relacionados

Relaciones de transmisión

http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios.htm

http://www.taringa.net/post/apuntes-y-monografias/11752882/Calcula-las-velocidades-de-una-caja-de-cambios-Calculos.html

Página de km77 donde se pueden ver los desarrollos de transmisión y calcular el tipo de relación y de desarrollo

Enlace ⇒ marca ⇒ modelo ⇒ ficha técnica y busca “Transmisión”. Los datos de RPM de potencia máxima están en “Motor de combustión” y la velocidad máxima en “Prestaciones y consumos homologados”

http://www.km77.com/precios-coches

 

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8 comentarios

  1. armando rafael solorzano

    el articulo es muy util. un pregunta. tengo malibu 75 que relacion tiene un motor 305. y caja 350 que relasion dene tener en el diferencial para que se desplase mae rapido

    • Ese motor traducido a nuestra forma de dar la cilindrada equivale a 5.000 cc, es decir 5 litros, por lo que es un V8, lo que llaman en USA «small bolck»). La caja automática 350 no la conozco en cuanto a sus desarrollos de transmisión, pero a ti te interesa el diferencial o grupo. Supongo que te será fácil lograr información de la relación del diferencial de tu coche, o calcularlo; con el diferencial desmontaddo sale de dividir el número de dientes de la coronona entre los del piñon de ataque. Si le pones otro con relación más corta (número más alto) tendrás más aceleración al hacer funcionar al motor a más RPM, el consumo subirá, bueno ya debe ser alto.

  2. para cuando las cajas son solo de 4 cambios , como seria la relación ?

  3. Se selecciona el desarrollo de transmisión en 1ª con el que se pueda iniciar la marcha en subida, sin hacer patinar en exceso el embrague. Los desarrollos de las siguientes tres relaciones se escalonan según el tipo de automóvil y utilización previstas, no es igual un coche con cinco plazas y buen maletero que un deportivo de dos con poca variación de peso. Una forma de hacerlo es esta; se busca para la 4ª un desarrollo que permita una velocidad máxima acorde con el tipo de coche sin que se superen las RPM de potencia máxima. Como ya se tiene la 1ª y la 4ª se calculan los desarrollos de 2ª y 3ª más o menos abiertos, cerrados o medios según el par motor, las RPM a que se obtiene el peso con sus variaciones y el tipo de coche. A partir de las 5 marchas se puede mantener el criterio anterior de solamente 4 y hacer más larga la 5ª para bajar RPM en carretera, o incluirla como una más y cerrar los desarrollos. Con 6 marchas más de los mismo.

  4. Me pareció un buen articulo, pero mi duda es, ¿por qué se toma como referencia las 1000 RPM? y, ¿por qué en la formula de desarrollo de transmisión es necesario multiplicar CR x 60?

  5. La velocidad del coche a 1.000 RPM es el punto de partida que se ha tomado en el cálculo para vehículos con motor, y desde este valor se obtienen las velocidades a las RPM que que se quiera, siendo par y potencia las RPM de más interés. Tomar este valor de 1.000 RPM facilita los cálculos, pues al dar ls circunferencia de rueda en metros se habría de dividir por 1.000 si se calculase el desarrollo por vuelta de rueda y así no es necesario. Supongo que en la bicicleta el desarrollo se calculará por vuelta.
    60 es para adecuar las unidades de los datos que intervienen a los resultados, en Km/H (kilómetros / HORA) a 1.000 RPM (revoluciones por MINUTO.

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