Análisis Técnico – Caja de cambios

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Una respuesta clásica de neófitos en el mundo de la automoción sobre qué es exactamente una caja de cambios es que sirve para mantener el combustible dentro del motor, lo que en una mínima parte, es cierto, hasta que se indaga un poco más en el tema.

Algunos la llaman caja de cambios, y otros transmisión, dependiendo del lado del Atlántico en el que se encuentre. Para los europeos – inventores del coche – se denomina caja de cambios. En inglés británico, el término transmisión se refiere a todo el tren de potencia, caja de cambios, embrague, diferencial y al eje de la transmisión. Sin embargo, en inglés americano, la caja de cambios se refiere a cualquier dispositivo que convierte velocidad y par motor, mientras que la transmisión es un tipo de caja de cambios que se desplaza ‘dinámicamente’ para cambiar la velocidad y la relación del par, como en un coche de calle. No obstante, se puede definir la caja de cambios como el componente central del sistema de la transmisión.

Tomando como base el funcionamiento básico y simple de los engranajes de una caja de cambios, entendemos que la carcasa de esta caja de cambios sirve para darle rigidez a los cojinetes de los ejes de estas ruedas dentadas de forma que mantienen a los engranajes el soporte preciso bajo carga inducida por el par de torsión, manteniendo, a su vez, la suciedad fuera y el lubricante en el interior.

Además, en la carcasa se debe localizar los mecanismos selectores y las bombas de aceite, así como permitir el acceso para montaje. Al igual que en cualquier coche de calle moderno, esta carcasa forma parte de la estructura principal del chasis, montada en la zaga del monoplaza junto con la suspensión trasera alimentando las cargas de la suspensión trasera a la cara opuesta del motor. El espacio sobrante se puede emplear para rellenarlo con el aceite del motor, hidráulicos y el decantador de aceite. En última instancia, las cajas de cambio de los Fórmula 1 actuales deben montar la estructura trasera de impacto que, normalmente, se recubre con una cubierta desmontable que también incopora la estructura del alerón trasero.

En el mundo de la competición no se usan cajas de cambios simples, tan sólo en categorías muy básicas. En Fórmula 1 dejaron de usarse este tipo de cambios hace 20 años. DTM, Fórmula 1, WTCC, IndyCar, carreras de camiones y un largo etcétera, utilizan cajas de cambio secuenciales con rotación de tambor para cambiar de marcha.

John Bernard, ex director técnico de Ferrari en la época de los 80, propuso esta innovación en 1988, siendo aceptada y adoptada por primera vez en 1989. La idea era cambiar de marchas lo más deprisa que se podía sin necesidad de usar el pedal del embrague. Esa primera idea desarrolló una palanca en el lado derecho del piloto, en lugar de la clásica palanca ‘H’ del cambio. El piloto movía hacia atrás y hacia adelante la palanca únicamente para subir o bajar marchas. Durante el tiempo que Bernard ejercía de ingeniero, evolucionó la idea hasta colocar dos botones a cada lado del volante para evitar que el piloto lo soltara.

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Más tarde, Bernard cambió la idea a dos levas detrás del volante – como en la actualidad – añadiendo una tercera más pequeña para el embrague, ya que sólo se utilizaba en las salidas y en boxes. La leva izquierda se utilizaba para bajar de marchas y la derecha para subir. El sistema ayudaba a que el embrague entrase en funcionamiento automáticamente mientras se cambiaba de marcha, siendo operado todo por un mecanismo electrohidráulico.

Caja de cambios secuencial del Ferrari 640 incrustada en el difusor y soportando el alerón trasero.

Caja de cambios secuencial del Ferrari 640 incrustada en el difusor y soportando el alerón trasero.

Durante años, hubo acuerdo ecuánime en la colocación detrás del diferencial de las cajas de cambio en Fórmula 1, para su fácil acceso con el objetivo de poder cambiar las relaciones del cambio, a pesar del compromiso que ésto suponía a la distribución de pesos y el rendimiento aerodinámico. Sin embargo, la tendencia actual es que la caja de cambios ha de ser movida de su posición actual, ya que el embrague está situado en la zona delantera del cambio. El tren de engranajes (tanto salida como entrada) está montada en una especie de ‘cassette’ extraíble, el cual se puede mover con facilidad de la estructura que lo sujeta a la suspensión y ala trasera en la zaga del coche.

El eje de entrada y salida ahora llevan cada uno 8 engranajes – en 2013 eran 7 – y cada par de engranajes – uno en el eje de entrada y otro en el de salida – es cuidadosamente estudiado para dar la mejor relación de marchas durante la temporada.

La normativa de la FIA estipula que todos los engranajes deben estar fabricados de acero, con un peso minimo de 0.6kg para cada par de engranajes, y un grosor mínimo de 12mm para cada engranaje.

Desde que el Ferrari 640 mostró el beneficio que aportaba las cajas de cambio semi-automáticas en 1989, todas las escuderías adoptaron esta idea para sus monoplazas. El desarrollo ha sido sorprendente: se han vuelto más pequeñas, más ligeras – debido al uso de materiales avanzados, particularmente en los engranajes y la carcasa – y, sobre todo, más rápidas. Para hacernos una idea de lo rápidas que son, un cambio de marcha completo ocurre en 10-15 minisegundos.

En este tiempo ocurren los siguientes sucesos:

  • El piloto demanda subir o bajar una marcha.
  • El control electrónico comprueba la posición del embrague, la velocidad del motor y la de las ruedas – usando diferentes sensores en el propulsor y el diferencial.
  • Inicio de la apertura del embrague (la electrónica da una señal al sistema electrohidráulico que opera en una válvula solenoide, la cual, se abre liberando aceite de alta presión en el pistón hidráulico que obliga a los discos del embrague a separarse.
  • Se produce el cambio de marcha. Desengranando el engranaje que estaba enganchado y engranando el nuevo – la electrónica da una señal al sistema electrohidráulico que opera sobre la válvulas solenoide que hace trabajar al selector ajustando el engranaje elegido a la posición deseada.
  • La ECU comprueba la posición correcta de los engranajes, comparando esta información con la velocidad del motor y las ruedas al mismo instante – usando diferentes sensores en el motor y el diferencial, si el piloto está a una velocidad incorrecta, el cambio no será realizado.
  • Si el paso anterior se ejecuta con éxito, la electrónica dará una nueva señal al sistema electrohidráulico que hace que la válvula solenoide libere más aceite para cerrar el embrague.
  • Si el paso anterior no se ejecuta con éxito, la electrónica engranará la marcha apropiada o volverá a la marcha original.

Todo este proceso de comprobaciones y ejecuciones es necesario debido a la velocidad a la que el sistema opera. Si algo falla, por mínimo que sea, se verá la famosa humareda blanca saliendo desde atrás o las ruedas bloqueándose originando que el coche trompee.

En los años recientes, algunas mentes pensantes de la ingeniería de la Fórmula 1 han evolucionado el funcionamiento de estas cajas de cambios. Los ingenieros piensan que los 10-15 milisegundos que se emplean en cambiar de marcha es demasiada pérdida de tiempo, por lo que comenzaron a desarrollar el sistema seamless – sin uniones.

A pesar de haberse utilizado durante años, hay demasiada desinformación sobre estos sistemas. Lo poco que se sabe es el que el sistema retiene los dos ejes convencionales y el embrague simple. Un embrague doble proporcionaría un mejor desempeño, pero la normativa es restrictiva en este punto.

Sabiendo que todos los equipos usan el mecanismo seamless, la elección del material de fabricación varía entre aluminio, magnesio, titanio o fibra de carbono, junto con la elección adicional de materiales metálicos híbridos más fibra de carbono. La rigidez y el peso son dos aspectos a tener en cuenta. Los brazos de la suspensión y amortiguadores dotan de más rigidez a la estructura, pero la colocación de la estructura de absorción de impactos en la parte trasera hace que el peso sea también un parámetro añadido.

Caja de cambios de titanio Xtrac

Caja de cambios de titanio Xtrac

En 2007, sólo Honda y McLaren utilizaron carcasas completamente de fibra de carbono. Ferrari, por su parte, evolucionó su diseño de titanio con partes de fibra de carbono, mientras que el resto de equipos siguieron usando cajas de cambio de magnesio y titanio con algunas áreas protegidas con fibra de carbono por rigidez.

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Caja de cambios de titanio

Todos los materiales tienen sus pros y sus contras. La fibra de carbono es muy ligera, pero la rigidez de torsión es un problema. El aluminio tiene rigidez torsional, pero el peso y la duración le supone una desventaja. A pesar de que la fibra de carbono es la más ligera, el titanio es rígido, ligero y fiable, pero es un material extremadamente caro y difícil de trabajar.

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Caja de cambios de fibra de carbono desarrollada por John Barnard.

La forma de una caja de cambios es muy importante ya que forma parte del paquete aerodinámico de la parte trasero, además del difusor.

En 2005, las cajas de cambio se hicieron más pequeñas debido a que la regulación limitaba bastante el espacio en la zaga. En 2006, el cambio de los motores V10 a V8 dio un poco más espacio a las cajas de cambios haciéndose más largas. En 2008, gracias a la introducción de la centralica electrónica – ECU – por parte de McLaren y Microsoft, la duración de las cajas de cambios pasó a durar 4 carreras en lugar de 1. Después de la introducción del KERS en 2009, la fiabilidad del cambio se puso en entredicho debido al desconocimiento del tratamiento de la electricidad en esta área del coche. En 2011, las regulaciones técnicas restringieron el uso de estos dispositivos a 5 carreras, por lo que el desarrollo de la tecnología de las cajas de cambio nunca cesa.

La caja de cambios es un producto de alta tecnología cuidadosamente esculpido, con sus 400 partes individuales especialmente producidos para cada escudería. Naturalmente, todo esto tiene un precio – según expertos – de 150000 euros aproximadamente.

Muchas de las partes internas provienen de suministradores como Xtrac y Hewland. Hewland, fue fundada en 1957 por Mike Hewland y opera con una larguísima lista de clientes dotando de transmisiones a multitud de competiciones de coches de carreras.

Diferencias entre las relaciones del cambio de los equipos en 2014

En el inicio de la temporada 2014, las escuderías deben seleccionar una relación del cambio única para toda la campaña – pudiendo ser cambiada una vez en toda la sesión si lo desean. Teniendo en cuenta que algunos equipos disponen del mismo propulsor y de la cantidad de pruebas que se realiza, resulta extraño que distintos equipos con mismo motor utilicen distintas relaciones del cambio, por lo que lleva a preguntarnos si hay una configuración óptima para la temporada.

Por simplicidad, vamos a comparar las relaciones de Williams y Mercedes – cuyas relaciones son totalmente opuestas llevando el mismo motor Mercedes. Para entenderlo, comparamos la vuelta rápida de Hamilton con neumático medio durante los Libres 2 con la vuelta rápida de Massa con neumático blando en los Libres 3, asumiendo que las relaciones que usaron fue la que utilizarían en clasificación, además de las distintas cargas de gasolina y diferentes probaturas que realizaban ambos en esos instantes (cortesía de @theWPTformula/FOM).

En conjunto, sin embargo, las marchas utilizadas por cada piloto pueden ser lo suficientemente representativo. No obstante, ante la ausencia de indicador de marchas en los vídeos, justo abajo aparece una tabla donde se puede observar las marchas que llevan cada uno en cada curva.

Felipe Massa Lewis Hamilton
Curva Nº de marcha Curva Nº de marcha
1 3 1 4
2 5 2 5
3 2 3 3
4 3 4 4
5 6 5 5
6 3 6 4
7 4 7 4
8 6/7 8 6
9 3 9 3
10 4 10 3/4
11 5 11 5
12 5 12 5
13 3 13 3
14 4 14 5
15 2 15 3
16 4 16 4

 

Se puede notar cómo Hamilton tiende a elegir marchas más largas en curva lenta respecto a Massa – Hamilton nunca usa segunda – aun siendo bastante similares en curva rápida. Massa, además, baja a marchas cortas a la salida de las curvas con el fin de controlar el par del coche, mientras que Hamilton no tiene esa necesidad debido a su permanencia en marchas más altas. Massa rápidamente alcanza la octava, mientras que Hamilton continúa en la mitad de revoluciones de la séptima.

Tradicionalmente, seleccionar una marcha corta en una curva permite al piloto controlar la velocidad mejor en el vértice consiguiendo una mejor aceleración a la salida de la misma sin deslizar la parte de atrás. Por lo que esta estrategia funcionaba mejor en la época de los motores aspirados ya que la mayor parte de la potencia proporcionada por el par se desplegaba al máximo de sus revoluciones, por lo que tener una marcha corta ayudaba a controlar este fenómeno.

En 2014, con los nuevos propulsores turbo, este fenómeno funciona de forma distinta, debido al ‘turbo lag’ que generan la turbina – bajo momento de inercia – y la pequeña cantidad de potencia que usa el motor de combustión en ese momento.

La reducción de la longitud de los escapes y la red de tuberías de refrigeración ayuda a reducir el turbo lag, pero el uso de dos MGUs virtualmente lo terminan eliminando. Esto es lo que algunos equipos denominan como ‘relleno del par’ – la brecha donde entre la potencia de salida del par bajo ocurre ahora está cubierta por el MGU-K impulsando el cigüeñal y el MGU-H empujando virtualmente al turbo consiguiendo que el aire comprimido entre antes al motor, o incluso ambos al mismo tiempo. Los ingenieros pueden jugar con estos dos parámetros en el mapeado del motor – y capar los cilindros – dotando al piloto de una mejor entrega de potencia.

Esto significa que el par – siendo 3 veces mayor que años anteriores – está mucho más disponible cuando el piloto pisa el acelerador. En consecuencia, utilizar marchas cortas ya no es tan efectivo como antiguamente, por eso Williams tuvo algunos problemas a principio de temporada con la degradación en los neumáticos traseros, aunque esto se ha resuelto mejorando el software de la unidad de potencia que evita que los neumáticos patinaran.

Williams emplea claramente una relación de marchas mucho más corta que Mercedes. La marca germana no ha llegado a utilizar casi en toda la temporada la octava marcha – sólo una vez en China y en las largas rectas de Alemania – y fue utilizada justo antes de frenar.

La ventaja de una relación de marchas más corta la está notando Williams en sus salidas, ya que consiguen una aceleración mucho mayor que el resto de escuderías motorizadas por Mercedes. Cambiar rápidamente de marchas les ayuda a manejar de una forma mucho más fácil el enorme par motor que tienen. Además, el mapa motor que tiene Williams les beneficia al extender el pico del torque en su máximo régimen a lo largo de todos los engranajes, de ahí que tengan una enorme velocidad punta, ayudado, también, por el diseño de baja carga aerodinámica – lo que no está del todo claro si fue intencionado o no.

Esta relación de marchas no es ideal en curva, sobre todo en curvas de media y alta velocidad. Si observamos el Gran Premio de Baréin, en el que los dos monoplazas de McLaren tuvieron que retirarse debido a un problema en el embrague – el cual, suele dar problemas en la salida o a la salida de una parada en boxes y no a mitad de carrera – podemos darnos cuenta de la carga que soportaba la caja de cambios en estas curvas, ya que el cambio se realiza en mitad de la curva y no antes

Para contrarrestar este problema, McLaren decidió soltar levemente el embrague en las curvas para amortiguar los palieres traseros y evitar que el eje posterior tuviera un mal comportamiento, por lo que, este esfuerzo extra provocó la rotura del embrague.

La relación de McLaren no es tan corta como la de Williams, pero es más corta que la de Mercedes, lo que les ha originado algunos problemas. Por este motivo, los de Woking decidieron cambiar la relación de marchas en el Gran Premio de Alemania a una de marchas más largas.

Una relación más larga es la mejor, ya que gestiona el par motor mucho más eficazmente hasta las 12.500 vueltas, que es donde permite llegar la restricción del flujo de combustible. Por ello Mercedes sigue teniendo la punta de velocidad en las trampas de velocidad sin llegar a usar la octava marcha – la cual, se especula que usarán plenamente en la recta principal de Monza con DRS a 350km/h.

Mirando al resto de equipos de la parrilla, los monoplazas motorizados por Ferrari – Ferrari, Sauber y Marussia – tienen incluso una relación más corta que los motorizados por Renault – Red Bull, Toro Rosso, Lotus y Caterham – visible en los vídeos a continuación.

El Red Bull de Vettel alcanza la octava marcha 50 metros después en la recta principal que el Ferrari de Alonso y Kimi. Esto ayuda a maximizar la pérdida de velocidad punta que adolecen los motores Renault y que no aprovecha al máximo el gran chasis que emplea la escuadra austriaca esta temporada.

Fernando Alonso/Kimi Räikkönen Sebastian Vettel
Curva Nº de marcha Curva Nº de marcha
1 3 1 3
2 5 2 4
3 2 3 2
4 3 4 3
5 5 5 5
6 3 6 3
7 4 7 4
8 6/7 8 5/6
9 2 9 3
10 3/4 10 4/5
11 5 11 5
12 5 12 5
13 3 13 2
14 4 14 4
15 2 15 2
16 3/4 16 3

fuente: formula1-dictionary

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