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¿Cómo se elige el escalonamiento o desarrollos de una caja de cambios?

José Luis Gómez | @jlgomez1995 | 30 Ene 2021
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¿Te has preguntado alguna vez cómo se eligen los desarrollos del cambio? Lo cierto es que es algo muy curioso, y gran parte de las sensaciones que transmite un coche depende de ello, pues un cambio de buen tacto y bien escalonado puede hacer brillar un propulsor que de otra forma no destacaría.

Así pues, y aunque en la actualidad con la proliferación de modernas y rápidas transmisiones automáticas con siete, ocho o incluso nueve velocidades y la búsqueda del menor consumo posible para firmar unos buenos resultados en el ciclo WLTP la sistemática ha cambiado, vamos a dar unas pinceladas de cómo se eligen los desarrollos de un cambio dejando de lado toda la parte matemática, que por cierto, no es para nada complicada.

Consideraciones previas antes de comenzar

Sin embargo, antes de nada convendría realizar unos pequeños apuntes. Como sabes, el objetivo de una caja de cambios es aumentar o disminuir el par proporcionado por el motor haciendo que la velocidad de giro varíe. Es lo mismo que sucede en una bicicleta, para subir una pronunciada pendiente necesitamos que el par en la rueda sea mayor a costa de perder velocidad, mientras que en una llanura sucede justamente lo contrario.

Así pues, en cualquier coche existen dos puntos donde se “transforma” el par de salida del cigüeñal. El primero de ello nos lo encontramos en la propia caja de cambios, mediante el conjunto de engranajes del eje primerio y secundario, y el segundo de ellos en el diferencial, el cual es una relación fija. Estrictamente el par que en realidad llega al suelo depende también del diámetro del neumático, por lo que realidad estaríamos hablando de tres “estaciones de transformación”.

Nosotros nos vamos a olvidar de todos ellos y vamos a suponer que tenemos un cambio manual de seis velocidades cuyas relaciones debemos de elegir. Asimismo, es necesario remarcar que este es un proceso iterativo, pues lo que contamos a continuación es una primera aproximación para tener una referencia, y a partí de ahí se perfilan los resultados en base a cómo queda el diagrama y a los componentes estándar que tiene el fabricante.

1) Selección de las velocidades inmediatas: cuarta y segunda

Comenzamos por lo fácil, que es elegir la cuarta y segunda que queremos, pues son relaciones casi inmediatas. Existe una velocidad que se conoce como directa, y ello se debe a que mantiene el giro del motor. Por costumbre (y porque “encaja”) la directa se suele asociar a la cuarta relación, aunque según lo que se busque también puede hacerse a la quinta si se busca un poco más de aceleración.

En cuanto a la segunda es muy simple, el régimen de potencia máxima en segunda debe coincidir con una velocidad de 100 km/h. La explicación de esto es muy simple, y no es otra que conseguir un buen registro en aceleración (0 - 100 km/h), pues si se elige una relación de transmisión más larga se está desaprovechando capacidad de aceleración, y se es más corte obliga al conductor a cambiar a tercera, lo que cuesta un valioso tiempo frente al crono.

Sin embargo, con las actuales cajas automáticas que son capaces de hacer un cambio en milésimas de segundo, en un tiempo menor que lo que tardemos en mover el pie izquierdo y la mano derecha, y con más velocidades, es posible que esos 100 km/h de alcancen en tercera si se pretende una optimización del consumo.

2) Elección de la primera

En un coche de calle la primera sólo tiene una función: iniciar la marcha bajo cualquier circunstancia. Por ello, esta velocidad es sumamente corta de forma que de transmita un alto par a las ruedas tractoras, para afrontar el inicio en tesituras tan complicadas como arrastrando una caravana de mil kilos en una pendiente ascendente del 10 %.

Así pues, se toman una serie de parámetros normalizados como la pendiente máxima a superar, el peso del vehículo, una masa remolcada, una aceleración inicial de salida… y se calcula haciendo equilibrio de fuerzas. Obtener un valor aproximado de “andar por casa” es algo muy simple, pero no vamos a entrar en ello pues no es el objetivo que perseguimos.

3) Elección de la marcha de velocidad máxima: quinta

Hace años los coches alcanzaban su velocidad máxima en la última marcha, una característica que era prácticamente seña de identidad de BMW, y que también denotaba un escalonamiento del cambio de carácter deportivo en busca de las mejores aceleraciones posibles. Sin embargo, eso ha cambiado, y como estarás pensando, el consumo y las emisiones son las responsables de ello.

Así pues, nuestro cambio de seis relaciones hallará en la quinta velocidad su marcha de máxima velocidad, lo cual se hace haciendo coincidir el régimen de potencia máxima con el de la velocidad máxima que es capaz de alcanzar nuestro coche, pero ¿cuál es?

Pues bien, la velocidad punta de un coche está limitada o bien por la relación de transmisión o por la potencia del motor. La primera situación, que no es nuestro caso, se daría cuando estás circulando en la marcha más alta, ves como el motor sigue empujando con fuerza sobrada, pero la aguja del tacómetro ya está en la zona roja.

Sin embargo, lo que sucede en la mayoría de las situaciones es que la potencia del motor no es capaz de vencer la fuerza de resistencia aerodinámica, y es que se puede decir que "la aceleración de un coche depende de las relaciones de transmisión, pero la velocidad máxima sólo lo hace de la potencia de su motor".

Como hemos dicho en otras ocasiones, a partir de unos 60 km/h la mayor resistencia que se encuentra un coche a avanzar es la propia fuerza aerodinámica, más que otras como el rozamiento con el asfalto. Así pues, sabiendo que la potencia necesaria para vencerla depende del cubo de la velocidad, es posible estimar una velocidad máxima teórica, que será más exacta cuantos más datos y experiencia empírica se tenga, algo que los fabricantes y sus ingenieros tienen de sobra.

4) Elección de la marcha de “desahogo”: la sexta

La sexta velocidad tiene un claro objetivo en nuestros coches, y nos es más que servir de una marcha de deshago para conseguir el menor consumo posible. Así pues, teniendo en cuenta que la velocidad máxima a la que se viaja en la mayoría de los países europeos se sitúa en los 120 km/h, se hace coincidir el régimen de menor consumo específico del motor (que suele situarse en el entorno donde se consigue el par máximo) con esa velocidad en sexta. De hecho, si tienes un dos litros turbodiésel de unos 150 CV es muy probable que tu coche clave los 120 km/h con las 2.000 rpm en sexta.

5) ¿Y dónde queda la tercera?

Con todas las relaciones elegidas nos quedaría “ver dónde ponemos la tercera”. Digamos que en esta es dónde juega un especial papel la pericia de los encargos de seleccionarla, pues no existe un criterio tan claro como los anteriores, sino que se debe hacer un poco más "a ojo".

Así pues, es necesario que esta tercera relación no suponga un salto importante entre la segunda y ella, y entre ella y la cuarta, y también que permita rodar cómodamente ciudad a unos 40 km/h. Asimismo, también debería cumplir con la armonía entre régimen de par máximo y régimen de potencia máxima que comentamos a continuación.

Puntualizaciones finales

Llegados a este punto ya tendríamos elegidas nuestras seis relaciones de transmisión, pero recordemos que en realidad se trata de una primera iteración, de un punto de partida. Así pues, repasemos brevemente que la primera dependía de las condiciones para iniciar la marcha, la segunda para marcar un buen 0 a 100 km/h, la tercera era a ojo, con una cuarta que coincidía con el régimen de giro del motor, la quinta la alcanzar la velocidad máxima y la sexta para lograr unos buenos consumo en autovía.

Con todo ello se suele hacer un gráfico, en el que el eje de abscisas o eje X corresponde a la velocidad del vehículo, y el eje de ordenada o eje Y al régimen de giro del motor. En él se representa una serie de rectas que indican a qué régimen gira el motor circulando en una determinada marcha y a una determinada relación.

De esta forma, lo ideal es que cuando se alcanza el régimen de potencia máxima y se cambia a una marcha superior las revoluciones del motor caigan hasta el régimen de par máximo, correspondiendo esto a la armonía que comentábamos líneas más arriba.

Como te habrás dado cuenta, no existe un manual donde se explique paso a paso como elegir un escalonamiento o relaciones de transmisión perfectas, pero sí que hay unas consideraciones básicas de dónde partir y tener en cuenta. Con ello espero que hayas aprendido algo nuevo, y que conozcas un poquito mejor el por qué tu coche tiene esos desarrollos.

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