Caja de cambios automática

La caja de cambios es la encargada de transmitir el para motor y adaptarlo a las condiciones de carga y marcha del vehículo. En las cajas de cambio automáticas esto se realiza sin necesidad de que el conductor actúe directamente sobre los mecanismos del cambio, si bien el conductor puede intervenir, con distintas actuaciones, en el funcionamiento de la caja de cambios automática.

- Constitución

Veamos la caja de cambios automática “Hydra-Matic”

1 conjunto regulador

2 plato regulador almenado de bloqueo

3 embrague de una vía

4 freno de cinta anterior

5 embrague anterior

6 embrague posterior y toma directa

7 freno de cinta posterior

8 convertidor ( formado por Impulsor (o bomba), reactor y turbina)

9 bomba hidráulica

10 servo del freno de cinta posterior

11 caja comandada (válvulas limitadoras de presión, electroválvula de modulación, válvula manual, válvula de progresividad, válvulas de secuencia, válvula de corte)

12 membrana de presión

13 servo del freno anterior

• CONVERTIDOR DE PAR: (Convertidor hidráulico)

Las cajas de cambio automáticas se prescinde del embrague que se usa en las manuales, y su función la realiza ahora un convertidor hidráulico. De este modo, como se verá, el conductor no se encarga de embragar o desembragar como sucede en los cambios manuales.

La idea de funcionamiento de un convertidor hidráulico se entiende muy bien si nos imaginamos dos ventiladores enfrentados, si conectamos uno de ellos, produce viento que actúa sobre las palas del segundo ventilador y lo hace girar según el sentido de inclinación de sus palas. En este caso se ha producido un acoplamiento fluido entre los dos ventiladores y el fluido utilizado es el aire.

Si reducimos la distancia entre los dos elementos y los ponemos herméticamente cerrados o muy juntos mejoramos la eficiencia de este tipo de acoplamiento.

Basándonos en esta idea cogemos dos elementos, como medias “rosquillas huecas” partidas por la mitad, en cuyo interior haya unas aletas con la inclinación adecuada.

Las enfrentamos una con otra de forma que “hagan una rosquilla” y llenamos su interior de aceite, al hacer girar una de las dos mitades, el aceite también gira transportado por las aletas y al describir este movimiento de rotación, el aceite, por causa de la fuerza se va hacia el exterior lejos del eje, es decir que el aceite se mueve según una banda circular, como se ve en las flechas del dibujo.

De esta manera el aceite que está siendo arrastrado junto con el elemento motriz , penetra en el elemento conducido, (la media rosquilla que tiene en frente) con un ángulo que depende de la inclinación de las paletas, y de este modo el aceite al chocar contra las aletas del conducido con un cierto ángulo de incidencia, le transmite un par.

En principio, cuanto mas deprisa gira el elemento motriz respecto al conducido, más fuerte es el impacto del aceite sobre las aletas y por lo tanto transmite un mayor par.

A medida que la velocidad del conducido se aproxima a la del elemento motriz disminuye la fuerza efectiva del aceite sobre las aletas de aquél. Si los dos miembros se mantiene a la misma velocidad no pasa aceite de uno a otro, y no se transmite energía a través del acoplamiento, por lo que esta condición de igual velocidad de las dos partes no se produce cuando el motor está en marcha.

Si la velocidad del motor se reduce de manera que sea el coche el que mueva el motor sucede que habrá un punto en que ambos elementos giren a la vez y a partir de este punto el conducido se convertirá temporalmente en el elemento motriz y el que normalmente es el motriz pasa a ser conducido, con lo que se produce el efecto de freno motor.

Este sistema a la hora de llevarlo a la práctica tiene el inconveniente de que las turbulencias que se forman en el aceite en su interior provocarían un estado de movimiento violento e irregular en ciertas condiciones y se formarían remolinos en todas las direcciones, en especial en las secciones centrales con lo que se reduciría notablemente su eficacia, para solucionar este problema se incorpora un anillo guía que es como una rosquilla hueca que ocupa la parte central, está dividido en dos mitades, una corresponde a la parte del elemento motriz, y otra al elemento conducido.

Con este sistema el aceite no puede hacer turbulencias y se encuentra mucho mejor guiado.

Las aletas en este sistema no son planas, sino que tienen unas aletas curvadas con un diseño muy estudiado para optimizar la circulación de aceite y que permite que el aceite cambie de dirección bastante gradualmente cuando pasa del miembro propulsor a propulsado, y sobre todo evitar el efecto rebote que se puede producir cuando el elemento motriz gira bastante más deprisa que el conducido y el aceite es impelido sobre las aletas de este con un fuerza considerable, al chocar contra ellas rebota contra e elemento motriz produciéndose una pérdida de par.

Con las aletas que utiliza el convertidor de par el resultado es que cuando existe una gran diferencia de velocidad entre los elementos motriz y conducido, el par no disminuye, sino que por el contrario, en el convertidor de par el momento se multiplica.

Al elemento conductor se le llama impulsor o bomba, porque es el que recibe el movimiento del motor, al que está unido, e impulsa el aceite contra el conducido.

El elemento conducido se llama turbina, y va acoplada a la caja de cambios.

Pero el convertidor de par incluye un tercer elemento que viene a mejorar las condiciones de funcionamiento en la circulación del aceite, se trata del estátor.

Está montado sobre un mecanismo de rueda libre que le permite desplazarse libremente cuando los elementos del convertidor giran a una velocidad aproximadamente igual.

Sin embargo cuando tiene lugar un incremento del par, que conlleva una reducción de la velocidad, el estátor para y actúa como un elemento de reacción, es decir que el aceite se desvía en los bordes de salida de la turbina a una dirección más favorable antes de que se introduzca en la bomba. Gracias a esto el aumento máximo del para producido es algo superior al doble.

El aspecto final que presentaría un convertidor de par hidráulico sería como este:

A medida que la velocidad de la turbina se aproxima a las de la bomba, el incremento de par disminuye gradualmente hasta llegar a una relación de par de 1:1, cuando la relación de velocidades entre turbina y bomba alcanza un valor aproximado de 9:10, este es el momento en el que el aceite ya empieza a chocar contra las caras posteriores de las aletas del estator haciendo que este se ponga a girar, y así el aceite se desvía de su trayectoria y por lo tanto el convertidor de par actúa simplemente como un acoplamiento fluido.

Esta forma de embrague proporciona un acoplamiento suave y sin vibraciones entre el motor y la caja de cambios, resulta muy cómoda para los ocupantes, su mayor rendimiento se produce cuando las velocidades de los dos elementos son cercanas, por el contrario, cuando existe una gran diferencia de velocidades se pierde energía y el rendimiento baja. Aunque en la práctica decimos que se transmite el 100% realmente se transmite aproximadamente un 98%.

• CAJA DE CAMBIOS

El principio en que se basa la caja de cambios automática para obtener diferentes relaciones de transmisión es un sistema planetario de engranajes.

Este sistema consiste en una corona exterior, 3 piñones satélites cuyos ejes van montados en un soporte, y un engranaje planetario central. Se le da este nombre de sistema planetario por su similitud con los planetas del sistema solar que tienen un movimiento de rotación y otro de traslación alrededor del Sol.

El funcionamiento del sistema es el siguiente:

Cuando se mantiene fijo uno de los tres miembros, y hay otro que gira se producen una serie de situaciones según sobre que elemento actuemos, las distintas posibilidades se presentan en el siguiente cuadro:

D - Impulsado L - Reducción de velocidad

H - Fijo R - Inversión del sentido de marcha

I - Incremento de velocidad T - Motriz

Como vemos, fijando uno de los elementos del sistema planetario de engranajes puede obtenerse una reducción de velocidad, una multiplicación (según el elemento que se fije), o una inversión del sentido de giro (marcha atrás, si el soporte de los piñones planetarios se mantiene estacionario y se hace girar la corona o el engranaje planetario central, aquellos actúan como piñones inversores locos), y también si se bloquean dos elementos contiguos del conjunto obtendríamos una relación directa.

Los sistemas que se utilizan son dos: un embrague de platos múltiples y una banda de freno con tambor .

- Banda de freno con tambor. - Se emplean para el control de los piñones planetarios y causan a través de la misma, un cambio en la relación de transmisión. Esta fabricada con acero y tiene un forro de materias de asbesto resistente aplicado a él.. La banda de freno se ajusta holgadamente alrededor de un tambor que forma parte de la corona. La banda de freno se aplica bajo ciertas condiciones para detener la corona.

La banda de freno se aplica mediante el denominado servo. Con este mecanismo conseguimos producir una acción mecánica a partir de la presión hidráulica. Actuando en un cilindro cuyo vástago se aplica sobre la banda del freno por lo que incrementando la presión hidráulica puede hacer que el tambor deje de girar, posee un muelle para que retorne cuando disminuye la presión. Como quiera que el sistema de servo dispone de dos cámaras en las que se mueve el pistón, enviando presión a una o a otro conseguimos la acción deseada, frenar o liberar.

- Embrague de platos múltiples. - Son accionados hidráulicamente para conectar o separar un miembro giratorio del sistema planetario de engranajes. Poseen una serie de discos múltiples unidos, alternativamente, a una carcasa exterior o tambor y aun cubo interior. Cuando el embrague está desembragado , los dos miembros pueden girar independientemente unos del otro.

Sin embargo, cuando se embraga, los platos se empujan unos contra otros y el rozamiento que se produce entre ellos bloquea los dos miembros, lo cual obliga a que giren solidariamente. La acción de embragar se consigue mediante la presión de aceite que empuja un pistón anular, el cual a su vez presiona los platos. El pistón anulasr denominado también conjunto retén del embrague, es un anillo que se ajusta al borde interior del conjunto del tambor de embrague. El pistón se ajusta mediante su reborde al tambor pegado a la superficie interior del mismo con un sello deslizante.

Control del cambio. Ahora que ya sabemos el mecanismo por el cual se efectúa el cambio pasamos a conocer el mecanismo de control del cambio, pues el cambio de una marcha a otra tiene que estar controlado para que sólo se efectúe en las condiciones adecuadas.

Hay dos factores principales a controlar: Velocidad del coche y abertura del paso de combustible (posición de la mariposa).

Estos dos factores producen dos presiones de aceite diferentes que actúan contra extremos opuestos de la válvula de cambio. Una presión procede del regulador y depende de la velocidad del coche. La otra viene de la válvula moduladora y está mandada por el colector de entrada de vacío.

- Presión del regulador. El regulador tiene un rotor movido por el eje de salida de la caja de cambios. En el interior de la carcasa hay una válvula reguladora, sobre la cual actúan dos fuerzas opuestas, la fuerza centrífuga debida a la rotación y presión de la bomba de aceite.

Cuando el coche va a baja velocidad también va a baja velocidad el regulador , la válvula se sitúa cerca del centro de la carcasa, dejando pasar sólo una presión de aceite pequeña. Cuando la velocidad del coche aumente, la carcasa del regulador gira más rápidamente, lo cual hace que la fuerza centrífuga se incremente, desplazando la válvula hacia l exterior. De manera que la presión de aceite que pasa al extremo de la válvula de cambio es más elevada.

- Presión de la válvula de control de cambio. La válvula de control de cambio está controlada a su vez por la válvula moduladora. Esta lleva un fuelle mandado por el colector de entrada de vacío del motor. Cuando este está bajo , es decir , mientras el paso de combustible está parcial o totalmente abierto, el fuelle adquiere su mayor longitud , desplazando la válvula moduladora, en esta posición la presión de aceite pasa a través d ella válvula a un extremo de la válvula de control de cambio, desplazándola y haciendo que la presión de la bomba pase a un lado de la válvula de cambio. De esta manera, esta válvula se mantiene desplazada hacia la derecha, cerrando el paso de aceite al servo y al pistón del embrague.

- Cambio a una marcha más larga. Cuando el vehículo ha alcanzado la velocidad necesaria se cierra gradualmente el paso de combustible. Cuando ocurre la válvula moduladora se desplaza cortando el paso de aceite a la válvula de control del cambio, que bloquea la entrada de aceite a la válvula de cambio por uno de sus lado. Al mismo tiempo se ah incrementado la presión del regulador. La combinación de una presión baja en un extremo de la válvula de cambio y una presión elevada en el otro hace que ésta se mueva hacia un lado de manera que pasa presión de aceite al pistón del embrague y servo. El servo libera la banda de freno y el pistón del embrague hace que éste se acople. Con la banda de freno libre y el embrague acoplado, el sistema planetario de engranajes cambia a un acoplamiento directo.

- Válvula de cambio manual. Esta válvula está controlada por el conductor mediante el movimiento de una palanca de cambios situada en la barra de dirección o en la consola. Cuando la válvula manual se desplaza, abre y cierra varias líneas que llevan aceite a presión a las válvulas de la caja de cambios.

Es fundamental utilizar el fluido para la caja de cambios recomendado por el fabricante pues el empleo de otro distinto puede modificar las condiciones de trabajo de la caja de cambios y originar averías.

Esta es una idea muy básica del principio de funcionamiento de una caja de cambios automática, el sistema se va complicando con los distintos sistemas y circuitos hidráulicos que cada tipo de caja particular incorpora.

- Circuito hidráulico. Es la parte que se encarga de “dirigir” todas las operaciones, funciona por un complejo sistema de válvulas y circuitos hidráulicos con varias presiones. Tiene un laberinto de circuitos labrados, que van controlados por válvulas. Las principales son:

• Válvula manual: Impide o permite el paso del aceite a la presión de línea. Selecciona marcha hacia adelante o hacia atrás.

• Válvulas de secuencia: Son 3 y van gobernadas por otras 3 electroválvulas. Seleccionan las velocidades.

• Válvula de progresividad: Es la responsable del cambio de velocidades (sin

cambios bruscos).

• Válvula de modulación de presión (EVM): Regula la presión de línea.

• Otras válvulas, además de las anteriores hay otras válvulas como pueden ser las limitadoras de presión, de corte, limitadora de presión en línea.

El sistema de mando hidráulico tiene cuatro funciones:

El sistema de engranajes tren epicicloidal RAVIGNAUX.

Con este sistema se pueden obtener 4 velocidades hacia delante y una hacia atrás.

Consiste en 1 Planetario, 2 coronas y 2 conjuntos de satélites. Todo integrado en un bloque muy compacto. La entrada del movimiento puede realizarse por el primer planetario, que es el central, por el planetario segundo y por el portasatélites.

Se acopla al convertidor por tres embragues.

Los elementos de reacción son el planetario segundo y el portasatélites que se pueden inmovilizar por dos frenos

La salida del movimiento se efectúa siempre por la corona.

1ª velocidad:

Elemento Motor: planetario P1.

Elemento Reacción: portasatélites.

Elemento Salida: Corona.

Relación: 2,71:1

2ª velocidad:

Elemento Motor: planetario P1.

Elemento Reacción: planetario P2.

Elemento Salida: Corona

Relación: 1,65:1

3ª velocidad:

Elemento Motor: planetario P1y P2.

Elemento Reacción: planetario P1y P2.

Elemento Salida: Corona

Relación: 1:1

4ª velocidad:

Elemento Motor: portasatélites.

Elemento Reacción: planetario P2.

Elemento Salida: Corona

Relación: 0,68:1 (superdirecta)

Marcha atrás:

Elemento Motor: planetario P2.

Elemento Reacción: portasatélites.

Elemento Salida: Corona

Relación: 2,11:1

Nota: en la marcha atrás la presión es 2 o 3 veces mayor que en las velocidades hacia adelante.

- Actuación de la caja de cambios automática

Se llama umbral de paso al momento en que cambia de marcha.

En ascenso de velocidades el umbral de paso se retrasa.

En descenso de velocidades el umbral de paso se adelanta.

En la posición P (parking) se bloquea mediante un trinquete el plato regulador almenado de bloqueo para impedir que el vehículo se mueva.

Para arrancar el vehículo debe estar en la posición N o P.

- Principio de funcionamiento:

Se resume esquemáticamente de la siguiente manera

Pedro Herrero González Página 10

Exp. 39.990