Análisis Técnico – Transmisión

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Al igual que en un coche de calle, los monoplazas de Fórmula 1 tienen embrague, caja de cambios y diferencial para transferir los cerca de 800 caballos de potencia a las ruedas traseras. A pesar de realizar la misma función, la transmisión de un coche de Fórmula 1 es radicalmente diferente.

El motor ha de instalarse de forma que despliegue toda su potencia de forma correcta, transmitiendo la energía a las ruedas traseras para que éstas no patinen. El motor está conectado al volante motor, que a su vez está conectado al eje de la transmisión – o accionamiento – a través del embrague. El eje va unido a la caja de cambios que conecta los ejes del coche – las 4 ruedas – mediante los engranajes y el diferencial.

Sabiendo cómo funciona la caja de cambios, lo siguiente a considerar es cómo se cambia de engranaje. El eje que conecta con los engranajes al final del eje de accionamiento gira en la caja de cambios por ello es complicado cambiar de un engranaje a otro ya este eje está en movimiento constante. Por ello cuando se intenta cambiar de marcha en pleno movimiento del coche se escuchan chirridos molestos – ese ruido es la rueda dentada girando y mordiendo el eje de accionamiento. Repetir este hecho reiteradamente puede acabar rápidamente con la vida de la caja de cambios.

Por este motivo, el tren de transmisión de un vehículo incopora un embrague. En Fórmula 1, hay multitud de distintos diseños que ayudan a mejorar la selección de una marcha. Diseños más ligeros y con menos diámetro se traducen en menor inercia permitiendo un cambio de engranajes más rápida. El volante motor – o volante de inercia – sólo mide 10 centímetros de diámetro.

transmission

En la actualidad, los pilotos no usan el embrague manualmente para cambiar de marcha – únicamente cuando el coche está parado. Sólo han de presionar la leva que acciona la siguiente o anterior marcha para cambiar de una a otra. El ordenador de a bordo se encarga de cortar al motor, separar las ruedas de la caja de cambios y seleccionar una distinta en un abrir y cerrar de ojos.

En Fórmula 1, todo este proceso se controla electrónicamente y el piloto no tiene la necesidad de preocuparse de este detalle. Aquí la ventaja está en que todo se realiza en una fracción de segundo – mucho más rápido de lo que se ejecutaría usando un embrague manual, aparte de permitir al piloto no apartar la vista de la carretera. Por otro lado, las almohadillas de embrague se desgastarían menos al no ver proceso intermedio (explicado en el artículo técnico de embrague).

El motor y la transmisión de los Fórmula 1 modernos son unas de las piezas más llevadas al límite del planeta, por ello suelen tener tan poca duración – el ingeniero Ferdinand Porsche sostenía que el coche de carreras perfecto es aquel que cruza la línea de meta y se destruye. Aunque esto ya no es así, ya que la regulación de la FIA limita la duración de los motores a 5 por temporada en un periodo de 19 carreras y 4 caja de cambios por campaña, por lo que ha de existir un equilibrio entre fiabilidad y potencia suministrada.

La fase de salida en Fórmula 1 es una de las más importantes de la carrera, donde el devenir del Gran Premio se decide en fracciones de segundo, en los primeros cientos de metros hasta la primera curva. Por esta razón, se emplea la ingeniería más sofisiticada y secreta que ayude al piloto a salir antes que el resto de la parrilla.

Esto se limitó en 2008, ya que la FIA instauró la ECU estándar para todos los equipos prohibiendo cualquier tipo de ayuda electrónica, como el control de tracción. En conclusión, ajustar parámetros como el embrague, la transmisión o el cambio es esencial para una mejor salida de carrera.

Con las ayudas electrónicas, el embrague sufría sobreexplotación junto con desequilibrio entre las pinzas de carbono. Como resultado, esta parte del tren de transmisión estaba sujeto a cargas extremadamente altas, entre 2 y 10 segundos, superando los 1000 grados Celsius.

Para comprender mejor este hecho, algunas cifras clave que ilustran las cargas extremas a las que se somete un embrague: el embrague de Fórmula 1 ZF Sachs no pesa más de 860 gramos, con unos muelles de diafragma que aplican 1,6 toneladas de presiones a las tres paletas de embrague, con una carcasa de 100 milímetros que soporta más de 700 grados Celsius.

De esta forma se puede deducir que la nueva normativa libera considerablemente el trabajo del embrague, pero todo lo contrario. Si un piloto pierde el punto de presión y libera demasiado rápido el embrague, el motor se estancaría, teniendo que volver a presionar el embrague para desatascarlo revolucionando en exceso el motor para terminar soltando el embrague. A menudo, este hecho ocurre en demasiadas ocasiones, lo que elevaría la temperatura y la presión mucho más que con el control electrónico. Por ello, los ingenieros deben construir este sistema previendo que vaya a suceder.

Las cajas de cambios actuales – tanto las antiguas de 7 marchas, como las de 8 – no tienen ninguna influencia en el embrague, ya que, desde el punto de vista técnico, no se requiere el embrague para cambiar las marchas más largas. Este problema de carga se vio abordado desde hace unos cuantos años.

Por razones de seguridad, todos los monoplazas han de disponer de un medio para desatascar el embrague con facilidad, desde fuera del propio coche y por los comisarios de pista. Este control se sitúa normalmente en la parte exterior justo al lado del cockpit estando marcado con una ‘N’ roja en un círculo blanco.

Cuando se pisa el acelerador, el motor hace girar el volante motor, explicado con anterioridad. El volante de inercia transfiere la energía a la caja de cambios que la dirige hacia el diferencial, el cual se encarga de hacer girar las ruedas que traspasan la potencia al suelo. Una de las partes más importantes de este complejo mecanismo se encuentra entre el diferencial y las ruedas. El eje de la transmisión, o simplemente transmisión, es el único medio que conecta la caja de cambios y el diferencial con las ruedas.

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Esta transmisión no es una simple unión. El hecho es que mientras este eje no funcione, no hay potencia que transmitir a ninguna parte. Este eje es el encargado de soportar el par de torsión – torque o par motor – y está sujeto a la torsión y el estrés de cizalla, es decir, la diferencia entre el par de entrada y de carga, o lo que es lo mismo, la energía que produce un motor de 800 caballos de potencia en plena aceleración. Por ello deben ser lo suficientemente fuertes para soportar esta presión, sin generar excesivo peso que produzca mayor inercia.

Teniendo en cuenta las variaciones que se pueden formar en la alineación y distancia entre el diferencial y las verticales de la rueda, los mangos de la transmisión han de incorporar uno o más conectores universales. En Fórmula 1 sólo existe un conector de este tipo, llamado yugo, yugo de deslizamiento o deslizamiento conjunto, situado en el extremo del eje uniendo el diferencial y la transmisión. El yugo de deslizamiento y el de piñones tienen multitud de usos en aplicaciones de alto rendimiento. Estos conectores son físicos vinculando la transmisión, los mangos y el diferencial.

Todo el par y potencia del motor se cede a estas juntas, por lo que en Fórmula 1 un yugo de piñones es lo suficientemente fuerte para aguantar 800 caballos. Sin embargo, toda esta potencia estresa en menor medida a las articulaciones que un coche de 2 toneladas de 500 caballos. Pero todos tienen algo en común, cuando esta pieza falla, falla todo el mecanismo dejando el coche en la cuneta.

Renault F1 2006 R26 Rear upright with drive shaft

El material empleado en la construcción de este eje es tan importante como su longitud y diámetro. Desde hace algún tiempo se viene usando el cromo de molibdeno o aluminio ligero, siendo el cromo el material metálico más resistente posible. Este material incrementa la resistencia de torsión en un 22% y la velocidad crítica en un 19%. El problema del acero es su pesadez, lo que incrementa la carga que soporte el tren de alimentación, siendo el aluminio el material más comúnmente usado.

El eje de aluminio de peso ligero reduce la masa rotacional, lo que libera mayor caballería del motor reduciendo la pérdida parásita. El aluminio ayuda a soportar hasta 1000 caballos de fuerza, haciéndolo una elección perfecta de peso ligero para la mayoría de muscle cars, aun no siendo igual de fuerte que el acero.

Los monoplazas de Fórmula 1 más modernos usan la fibra de carbono. Los tubos de fibra de carbono son extremadamente caros, pero son los más eficientes. Cuando se busca aguantar hasta los 1500 caballos de potencia, la fibra de carbono es la mejor opción, no sólo por su resistencia, sino por su alto grado de torsión además de un mayor aguante a impactos en la parte trasera. La fibra de carbono tiene el mayor módulo de elasticidad a velocidades altas, es decir, el eje no flexará a velocidades bajas, como otros componentes, lo que le hace único frente al aluminio y, sobre todo, al cromo de molibdeno.

El principal fallo de estos elementos es la velocidad crítica que soportan, es decir, el número de revoluciones que es capaz de soportar sin convertirse en inestable, y por consecuencia comenzar a doblarse en forma de S. Un eje largo, pero de diámetro pequeño se traduce en una velocidad crítica menor. Esta velocidad crítica se expresa en vibraciones que causa la completa falla de la unidad.

Para calcular la velocidad crítica, se ha de conocer previamente la longitud, diámetro, espesor del componente y el módulo de elasticidad del material. El módulo de elasticidad es el parámetro más importante en esta ecuación, siendo 30 para el acero, 10 para el aluminio y valores variables para la fibra de carbono, ya que depende del proceso usado por cada fabricante – valores no disponibles.

fuente: formula1-dictionary

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