ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALESINDUSTRI INJINERUEN GOIMAILAKO ESKOLA

UNIVERSIDAD DE NAVARRA • NAFARROAKO UNIBERTSITATEADonostia • San Sebastián

CAMBIOS SECUENCIALES

Raúl Antón Remirez 65871Isaac Elorza Braüer 65713María José García Tárrago 65751Elena López Tamayo 62411Miguel Sáiz García 65748

1.INTRODUCCIÓN

Es un hecho aceptado que las transmisiones de tipo automático no tienen granaceptación en nuestro mercado, aunque actualmente se venden muchos mas cochescon cambio automático que hace unos pocos años. No ocurre así en algunos mercadoseuropeos, y muchísimo menos en Estados Unidos- representan más del 90%-, país enel que es impensable comercializar un automóvil sin cambio automático. Tampoco enJapón, con el 80% de su mercado.

De todos modos, el auge que vive el cambio automático en paises europeos comoSuiza (21,5%del mercado) o Alemania (13%), ha animado a fabricantes eimportadores a ofrecer transmisión automática en sus nuevas gamas de turismos eincluso en vehículos todo terreno.

Los cambios automáticos actuales están controlados por pequeñas computadoras ypresentan pautas de funcionamiento inteligente. Además, estos vehículos se conducencon mayor facilidad y con una suavidad igual o superior a la de los manuales.

En la figura superior vemos las variables que controlan el cambio automático.

Consumos parecidosEn muchos casos, los automáticos actuales tienen consumos parecidos a los de losmanuales o inferiores, como ha demostrado Renault. De la misma forma que nadie seatrevería a cuestionar su utilidad en ciudad, quien haya probado en carretera unamoderna caja de cambios secuencial (el conductor cambia manualmente de marchaspero sin usar el embrague) es muy probable que no vuelva a conducir un cocheconvencional.

Y esta mejora del cambio automático, el cambio secuencial, es el objeto de nuestrotrabajo. Veremos que hay coches que en la actualidad solo tienen control secuencialde las marchas basándose en una idea que surgío para el cambio automático, el CVT( variación de tracción continua).

El Ferrari F-355 F1, un superdeportivo de 380 CV, 300Km/h de velocidad, utiliza uncambio secuencial tomado directamente de los monoplazas de F.1 de la marca deMaranello.Tampoco este coche lleva pedal de embrague y las marchas se engranan

con dos palancas situadas detrás del volante. Otro ejemplo de sofisticaciontecnológica automatizada en deportivos lo constituye el Tiptronic del Porsche, queintegra los controles de cambio en el volante.

Este cambio secuencial (tiptronic), también se emplea en los modelos Audi A4, A6 yA8. El tiptronic permite una utilización completamente automática- la centralitaelectrónica decide cuando hay que cambiar- o bien el uso secuencial controlado por elconductor.En este momento varias marcas tienen desarrollado un cambio secuencial, quenormalmente se coloca en los coches de lujo o gama alta. BMW, Honda, Nissan, elgrupo PSA cuentan con sus modelos pero nosostros vamos a analizar los modelos másavanzados y desarrollados.

Los técnicos que desarrollaron el original Smart, también valoraron positivamente eluso de una transmisión de este tipo y lo dotaron de un cambio automático que puedefuncionar de forma secuencial. Es muy fácil de usar, y el coche nunca se para alarrancar. Renault por su parte, ofrece el Twingo Easy con embrague pilotado.

En este caso no se trata de un cambio automático, puesto que el conductor tiene queengranar las marchas manualmente haciendo los movimientos característicos enforma de “H”. Sin embargo, tampoco lleva pedal de embrague.

La mayoría de las marcas ofrecen cambio automático en sus modelos más pequeños.

2-El cambio del cambio.

Los tipos de cajas de cambio automáticas están evolucionando continuamente ytambién se crean nuevos sistemas. Para poder comprender en que consiste el cambiosecuencial es necesario conocer de donde viene, y para ello vamos a explicarbrevemente los sistemas que le han precedido:

2-1 La Transmisión Automática Clásica

Es la más utilizada. En vez de embrague un convertidor de par hidraúlico se encargade engranar el motor y el cambio. Según sea el régimen del motor , la velocidad yteniendo en cuenta otros parámetros se selecciona automáticamente la marcha másadecuada en cada momento. Las más actuales cuentan con gobierno electrónico ypermiten elegir entre varios modos de funcionamiento , o se adaptan al estilo deconducción. Sólo hay que seleccionar la posición D en la palanca y en función a unaley preestablecida el cambio selecciona una marcha superior al llegar a un régimendeterminado, aunque el conductor puede forzar una reducción pisando a fondo elacelerador o bien seleccionando una marcha inferior.

En los 3 cambios siguientes en vez de programas fijos un ordenador analiza lascondiciones de la carretera y el estilo del conductor en base a los datos que recoge desensores que miden la velocidad del vehículo, el ángulo y velocidad con que se pisa elacelerador, el ángulo de giro del volante, presión y número de veces que se actúa

sobre los frenos, etc. Una vez procesados el ordenador memoriza estos datos yselecciona la secuencia de cambio más lógica.

2-2 La Transmisión de Variación Contínua

El sistema está compuesto por dos cónicas conectadas por una correa de mallas deacero; según el régimen del motor, la velocidad del coche y otras variables, la aberturaentre las poleas varía, modificando así la relación de transmisión. Lo mejor de estesistema es que tiene infinitas relaciones de reducción Este sistema es la evolución delcambio automático con engranajes. En el se basan los cambios secuenciales.

2-3 Embrague Pilotado

Estos vehículos están equipados con una caja de velocidades mecánica (engranajes) ycon un embrague. Un pequeño motor eléctrico se encarga de embragar y desembragarcada vez que el conductor ejecuta un cambio sobre la palanca. Un sensor en la propiapalanca de cambios y otro en el acelerador detectan la intención del conductor decambiar de marcha, y mandan una señal a una bomba de presión que se encarga dedirigir la horquilla del embrague. El ordenador detecta los cambios de marchacambios rápido y enérgicos o suaves y hace que el sistema embrague o desembraguecon mayor rapidez.

El Renault Twingo Easy , o el Mercedes Clase A utilizan este sistema, en el que lapalanca se mueve de modo convencional, mientras que el Smart lo hace de formasecuencial con toques de palanca hacia arriba o abajo.

2-4 Cambio Secuencial

Podemos denominar cambio secuencial al que permite seleccionar las marchas con“golpes” de palanca, es decir, movimientos de la palanca hacia un lado, suben o bajande marcha y vicieversa. Estos sistemas suelen ser la opción manual de cambiosautomáticos con convertidor hidraúlico (Tiptronic de Porsche y Audi, Steptronic deBMW, etc) o incluso se ofrecen cajas manuales de embrage pilotado como el BMWM3 o el propio Smart.

Ambos tienen 5 marchas y funcionan de manera similar: con la palanca en un pasillose comportan como un automático adaptativo, que elige la secuencia del cambio enfunción de la carretera y del conductor. En un pasillo paralelo funcionan como uncambio secuencial. Este cambio sigue teniendo algo de automático, pues pasa a unamarcha superior cuando llega al corte de inyección, no permite selecciones queprovoquen sobrerrégimen e insertan automáticamente la primera marcha si nosdetenemos por completo.

3.TIPOS DE CAMBIO SECUENCIAL

Hasta hace relativamente poco el cambio secuencial era algo casi despreciado por losconductores, pero estos prejuicios han ido desapareciendo y se ha observado unaprogresiva aceptación de esta tecnología, ya sea en forma de Tiptronic(Porsche,Audi),Septronic(BMV), SMG(BMV), F1(Ferrari) o de los más avanzado: elMultitronic(Audi) o el Hypertronic(Nissan). A continuación se explican cada uno delos cambios:

• TIPTRONIC ->Porsche 911 y Audi A4, A6 Y A8 y SEPTRONIC -> BMV 740i

Para quienes sigan empeñados en querer cambiar a mano Audi y BMV ofrecen loscambios automáticos Tiptronic y Septronicrespectivamente, que se encuadran en lo que se podríadenominar cambios automáticos secuenciales. Ambostienen 5 marchas y funcionan de manera similar. Elcambio está gestionado por un sofisticado computadorque impide cualquier maniobra que pueda dañar elmotor o poner en peligro la seguridad. En conducciónrápida e incluso deportiva el sistema Triptonic da todotipo de satisfacciones ya que, gracias a unescalonamiento muy bien ajustado y un manejo bastanterápido es posible aprovechar bastante bien la caballeríadisponible. Nunca bloquea completamente y porejemplo, cuando se llega al regimen de potenciamáxima pasa automáticamente a la relación superior.

Tampoco admite retenciones bruscas y prueba de ello es que el motor nunca superalas 5500 rpm en retención ni las 3500 cuando el paso es de 2ªa1ª.

En el Porsche al igual que en el BMV el sistema utilizado es el Tiptronic

SMG ->BMV M3

Este cambio es como el Septronic de BMV pero en vez de convertidor hidráulico depar tiene un embrague para que la transmisión de potencia sea instantánea. Se trata dela adaptación de un embrague automático al cambio de seis marchas del M3, que enmodo manual funciona como un cambio secuencial(cambio de marchas a base detoques de palanca), pero que también permite un funcionamiento totalmenteautomático.

Las ventajas son claras:se puede cambiar sin levantar el pie del acelerador y aldecelerar sobre el asfalto deslizante el sistema incluso controla la capacidad dedeceleración del motor de forma electrónica. Tras una frenada de emergencia o alparar en un semáforo, el sistema selecciona de forma automática la marcha adecuada,y resulta imposible fallar un cambio:la electrónica evita sobrerrégimen, ni seleccionaruna marcha tan larga que pusiera en apuros al motor. En el cuentavueltas existe unpequeño display que permite ver la marcha engranada y un testigo rojo luminoso seenciende antes de alcanzar el rágimen máximo que permite cada marcha.

En modo automático, cómo no, contamos con programa winter, que arranca ensegunda de manera muy suave. Y tampoco aquí hace falta levantar el pie delacelerador para cambiar:durante las 250 milésimas de segundo que dura la operaciónde cambio, el sistema electrónico es capaz de ajustar el encendido o inclusos cortar laalimentación de un cilindro para proteger el motor. Y en deceleración, el sistema hacesólo el punta-tacón, pisando de forma automática el acelerador entre que actúa elembrague y se conecta la marcha.

F1 -> Ferrari 355

El cambio F1 se basa en un embrague pilotado. Unaunidad de potencia electrohidráulica acciona tanto elembrague como el selctor de cambio y el conductor sólodebe preocuparse de agarrar firmemente el volante ypulsar dos accionamientos anclados a la columna dedirección: la de la izquierda para bajar marchas y la de laderecha para subirlas.

Desde que se pulsan dichos interruptores hasta que seproduce el cambio de marcha apenas pasan 200milésimas de segundo. Rapidísimo ycon muchas ventajas: no hay que dejar de acelerar y no hace falta soltar las manos delvolante, como en los monoplazas de Fórmula 1. Eso sí, hay una ventaja añadida queno tienen los pilotos de los Ferrari de carreras:cuando se llega a un atasco se puedeseleccionar un modo completamente automático con tres programas defuncionamiento:normal, sport (se endurecen las suspensiones y el embrague actúa deforma algo más rápida, pero también más brusca), o para firmes deslizantes.

MULTITRONIC -> Audi

Introducción

El Multitronic es un cambio de variador continuo desarrollado por Audi y que no sólosupera al Triptónic sino que también es superior en todo a uno manual: más rápido,más suave, proporciona más prestaciones reduce el consumo. Esta cambio es unaevolución hecha por Audi del variador continuo, con una serie de modificaciones. Sufuncionamiento puede ser totalmente automático, o bien secuencial con seis relacionesfijas.

Las variaciones externas respecto alTriptonic consiste en que se cambiala correa por una cadena (formadapor eslabones y pasadores) y elconvertidor hidráulico por unembrague multidisco.

La mecánica

El principio de funcionamiento de esta caja de variador es el mismo que el de las queexisten ya en el mercado: hay dos poleas de diámetro variable (formada por doselementos cónicos), una solidaria con el motor y la otra con las ruedas. El desarrollocambia con la relación de tamaño que tienen esas poleas; se llega a la más largaposible cuando la del motor alcanza su diámetro máximo y la de las ruedas el mínimo.Se dice que esta caja tiene infinitas relaciones porque el número de puntos entre elmáximo y el mínimo es infinito. La cadena de transmisión entre estas dos poleas esprecisamente una de las innovaciones del Multitronic. Otros sistemas de variadorexistentes tienen una correa, hecha con una cinta metálica sobre la que hay láminasque se apoyan en la polea. Las solución de Audi es distinta: una cadena formada pormuchos eslabones planos, unidos por pasadores. Son estos pasadores los que seapoyan en las poleas. Esto es posible porque las poleas aprietan a estos eslabones conuna presión de hasta 6.6 toneladas. Un mérito del sofisticado sistema hidráulico.

La hidráulica

En el sistema hidráulico hay un reparto del caudal de aceite entre un circuito de altapresión y otro de refrigeración. El circuito de alta se encarga de presionar el elementode transmisión (cadena o correa) y a la vez de variar el diámetro de las poleas. En loscambios de variador existentes hasta ahora hay un sólo sistema hidráulico para estasdos funciones; el Multitronic de Audi los tiene separados. De esta forma la variaciónde diámetro es más rápida y .la potencia de bombeo necesaria es menor

Esta mejoras en el sistema hidraúlico hacen que se resuelva uno de los defectos propiodede la transmisión CVT tradicional que es el “efecto resbalamiento” o “síndrome defricción del embrage”.

La electrónica

Cuando se acelera a fondo con un cambio de variador, el motor se poneinstantaneamente a régimen de potencia máxima; a partir de ahí se va alargando eldesarrollo para que el coche gane velocidad. Esta soluciónes óptimade cara aconseguir la máxima aceleración, pero produce una sensación rara, como si patinara elembrague. Sin embargo el Mulitronic no se pone inmediatamente a régimen depotencia máxima, sino un poco por debajo; apartir de ahí el régimen aumentaprogresivamente con la velocidad.

Cuando se acelera en modo automático el motor no pasa en ningún caso de 5900 rpm.( da la potencia máxima a 6000 rpm). En modo secuencial, en cambio, es posiblellegar hasta el corte de inyección. Cambiar de marcha en modo manual es mucho mássuave de lo que puede ser un cambio automático, incluso en fuertes retenciones, y másrápido que uno manual.

La electrónica reconoce también la forma de conducir, dependiendo de losmovimientos del pedal del acelerador,y escoge desarrollos más o menos lasrgos, Audilo ha llamado :DRP programa dinámico de regulación.El Mutitronic se podría poner en motores con par de un 10% el del Audi A6 2.8, y síse podría poner en motores con menos par y que tengan motor en disposiciónlongitudinal. Ahora están trabajando en un Multitronic para motores en disposicióntransversal (A2,A3).

Embrague multidisco

Una de las ventajas del sistema Multitronic es que no tiene convertidor de par, unmecanismo hidráulico que funcionalmente equivale a un variador, pero con unproblema: tiene un cierto resbalamiento que perjudica las prestaciones y el consumo.En el Multitronic, Audi ha reemplazado el converidor por un embrague multidiscocontrolado electrónicamente. La ventaja es que su posicionamiento estácontroladoelectrónicamente. Por ejemplo, cuando el coche está parado con el motoren marcha, el resbalamiento es mayor para que el motor no haga fuerza en vano.También es capaz e reconocer cómo arranca el conductor y, en función de eso,adecuar el resbalamiento. Como haría un buen conductor, hace deslizar el embraguemás o menos.

La opción manual

La “guinda” de este sistemaelectrónico es la función manual conla cual se pueden elegir (sin sacudidaalguna) seis niveles fijos dedesmultiplicación. Basta con unbreve toque sobre la palanca deselección hacia adelante o haciaatrás, o por medio de un interruptorespecial situado en el volante.

En este gráfico sepuede comparar cómo varía el régimen con la velocidad al acelerar,entres tipos de cambios distintos. Abajo del gráfico se pude ver la posición delacelerador ( la zona verde). Al acelerar mucho (cuando pasa del 20 al 80 por ciento)según el tipo de cambio sucede lo siguiente:

• Un cambio de marchas fijo (pero automático) con color rojo, sube elrégimen con la velocidad, hasta el límite del motor. En ese punto cambia a unamarcha más larga, cambia el régimen y empieza asubir de nuevo.• En En verde se puede ver lo que hace un cambio de variador. Alacelerar mucho, el motor sube inmediatamente de régimen y se mantiene ahí amedida que el desarrollo se alarga y el coche gana en velocidad.• En azul está la gráfica del Multitronic, que tiene una respuestaintermedia entre las dos. No se pone a un régimen fijo inmediatamente, sinoque tarda un tiempo. Al ser un cambio de variador, el desarrolllo aumentaprogresivamente con el régimen. Es una de las razones por las que con elMultitronic se consume menos.

Bibliografía

- Revistas:• Automóvil nº 242• Coche actual nº 554• Coche actual nº 565• Coche actual nº602• Autopista plus nº2099• Catálogo de Nissan Primera

- Libros• Handbook of Automotive Powertrains and Chassis Design,Fenton, John. Professional Engineering Publishing. 1998.

- Internet• www.ferrari.it• www.coches.net• www.nissan_primera.com• www.audi.vw_audi.es• www.nissan.es• www.formula1.inode.es

- Visitas• Concesionario de Audi• Concesionario de Nissan