Funcionamiento y Componentes Clave de las Cajas de Cambio Automáticas (DSG, CVT) y Sistemas 4x4

1. Cajas de cambio automáticas: Características y funciones

Las cajas de cambios automáticas realizan las mismas funciones que una manual, pero con funciones añadidas y de forma mejorada gracias a la incorporación de la electrónica. Los vehículos que equipan cajas de cambio automáticas no disponen de pedal de embrague; el cambio de velocidades se realiza bajo carga, sin necesidad de interrumpir la transmisión de fuerza del motor. Una caja de cambios automática está formada por una serie de elementos mecánicos, una serie de elementos electrónicos y otros elementos hidráulicos.

Funciones de la caja

• Conseguir las distintas relaciones de transmisión.
• Realizar la marcha atrás.
• Cambiar de velocidad automáticamente.
• Cambiar de velocidad sin interrumpir la transmisión.
• Permitir la función P (Parking).

Funciones del circuito hidráulico

• Lubricar las partes móviles de la caja y suministrar el caudal de aceite que necesita el convertidor de par.
• Transmitir el par.
• Activar los émbolos de los embragues y los frenos del tren epicicloidal.

2. Elementos Constituyentes: Trenes Epicicloidales

Un tren epicicloidal es un conjunto formado por un juego de engranajes: planetario, satélites y corona de dentado interno. La función principal de los trenes epicicloidales es obtener las diferentes relaciones de transmisión en cada velocidad. Esto se consigue frenando o accionando uno de los componentes del tren.

Ventajas del tren epicicloidal

• Realizan varias relaciones de transmisión, frenando o accionando un componente del tren.
• Capacidad de invertir el sentido de giro (marcha atrás).
• Permite efectuar el cambio de velocidad bajo carga, sin necesidad de interrumpir la transmisión.

Constitución del tren epicicloidal

Formado por un eje de accionamiento unido a un piñón planetario, sobre el cual se encuentran engranados los satélites. Estos satélites están unidos al eje del piñón planetario. En la parte más externa se encuentra una corona con dentado interno engranada a los satélites.

Tipos de acoplamientos de trenes epicicloidales

Existen tres tipos de acoplamientos:

• Simpson
• Ravigneaux
• Wilson

Acoplamiento Simpson

Los acoplamientos de tipo Simpson se caracterizan por disponer de dos trenes epicicloidales iguales unidos por un mismo planetario común para ambos trenes; el resto de elementos se acoplan entre sí.

Acoplamiento Ravigneaux

Los trenes epicicloidales de tipo Ravigneaux se conectan al acoplar dos o tres trenes en un solo conjunto usando una sola corona de dentado interior. También disponen de una salida, lengüetas y unas cortas.

Acoplamiento Wilson

Los trenes epicicloidales de tipo Wilson se conectan mediante el uso de varios trenes colocados en serie y acoplados entre sí. La entrada de fuerza se hace por el eje planetario del primer tren, y el eje planetario del primer tren se acopla al eje planetario del segundo. La salida de par se hace por el planetario del último tren.

Relaciones principales

• Punto muerto: Ninguno de los elementos del tren está frenado.
• Directa (relación 1:1): Dos elementos del tren están acoplados o inmovilizados conjuntamente.
• Relación de transmisión/marcha: Se obtiene frenando uno de los elementos del tren; la relación depende del componente inmovilizado.
• Marcha atrás: Se consigue frenando el planetario.

3. Función de frenos y embragues

Los frenos y embragues son los elementos encargados de frenar, unir o liberar un elemento del tren epicicloidal. Los más empleados son los de cinta y los de discos múltiples.

1. Frenos de cinta

   Permiten desacelerar elementos de giro (tambores como los de la corona del tren). El conjunto está formado por un tambor de freno rodeado por una cinta con material de fricción en su interior. Sin accionamiento, el tambor gira libremente. Cuando es accionado, el sistema hidráulico empuja el émbolo, haciendo tensar la cinta y frenando el tambor.

2. Frenos de discos múltiples

   Los frenos de discos están formados por unos discos internos y otros exteriores. Los exteriores se apoyan en la carcasa y los internos están unidos al componente del cambio. Los discos internos están formados por material de fricción y los exteriores son discos de acero. El funcionamiento es simple: cuando no hay presión hidráulica, los discos internos giran libremente; cuando hay presión hidráulica, los discos se comprimen, frenando el componente del cambio.

3. Embragues de discos múltiples

   Son elementos que se emplean para acoplar o separar la entrada de giro del eje principal. Su construcción y funcionamiento es similar al de los frenos de discos. La diferencia es que la presión hidráulica entra al conjunto por una ranura practicada en el eje y en la corona. La otra diferencia es que incorpora una válvula de descarga de presión.

4. Acoplamiento y Cruce de Frenos y Embragues

El cambio automático gestiona los cambios de velocidad, y cada marcha requiere que ciertos elementos de mando frenen o liberen los componentes del tren.

Cruce de frenos y embragues

Cuando se cambia de velocidad, un elemento se acopla y otro se desacopla. Esto se debe hacer de forma progresiva para que el cambio no sea brusco, lo que se conoce como cruce de presiones.

El elemento acoplado que se quiere desacoplar empieza a disminuir su presión, permitiendo que resbale y transmita menos par progresivamente.

El otro elemento, que se encuentra desacoplado y que queremos acoplar, comienza a subir su presión, iniciando el acoplamiento. La velocidad queda conectada cuando el elemento a acoplar supera la presión del elemento a desacoplar, asegurando una transición suave. Esta gestión de presiones es realizada por un módulo electrónico gracias a electroválvulas.

5. Variadores CVT (Transmisión Variable Continua)

Este tipo de cajas de cambios automáticas se caracteriza por disponer de una gran cantidad de relaciones de transmisión. Se puede decir que tienen infinitas, ya que la relación se ajusta continuamente mediante los variadores. Estas relaciones de transmisión se consiguen gracias al uso de poleas conductoras y conducidas, las cuales modifican su diámetro a medida que se acelera, asegurando mantener el motor en su régimen de par máximo.

Una marcha corta se consigue con el variador conductor en su diámetro más pequeño y el conducido en uno de mayor tamaño. Una marcha larga sería: el variador conductor de mayor tamaño y el conducido de un diámetro pequeño. Por lo general, el movimiento utiliza correas o cadenas. La correa o cadena necesita de una construcción especial para realizar esta función.

Los variadores consisten en poleas con diámetro variable. Este diámetro varía según las órdenes de la unidad de control, la cual determina la posición que debe tener el variador en función de las condiciones de conducción. La unidad de control hidráulica recibe la señal y actúa sobre las electroválvulas que gestionan la presión hidráulica.

6. Caja de cambios tipo DSG (Doble Embrague)

Las cajas de cambios de tipo DSG se caracterizan por su cambio muy rápido de velocidad y suavidad. Tienen un funcionamiento peculiar que explicaremos a continuación. Primero, veamos su composición.

Una caja de tipo DSG dispone de dos ejes primarios, uno insertado dentro del otro: el primario exterior para las marchas impares y el interior para las marchas pares. También dispone de dos ejes secundarios con sus respectivas marchas, uno para pares y otro para impares. Dispone de la salida al diferencial y del selector de marcha, etc.

Estas cajas utilizan embragues hidráulicos o multidiscos. Uno de los embragues está asociado a las marchas pares y el otro a las impares.

Ahora viene lo interesante: el funcionamiento. Cuando seleccionamos una marcha (por ejemplo, la primera), la siguiente marcha (la segunda) ya está preseleccionada en su eje correspondiente. Como el embrague de la segunda marcha aún no está acoplado, no transmite movimiento. La primera marcha, con su embrague acoplado, es la que transmite el movimiento al diferencial.

El módulo electrohidráulico envía presión hidráulica al embrague de la segunda marcha (ya preseleccionada) y desactiva la presión en el embrague de la primera marcha, logrando su desacople. Es decir, el cambio de marcha se realiza acoplando o desacoplando los embragues de las marchas pares o impares. En las cajas DSG, la siguiente marcha ya está acoplada internamente (pero sin transmitir movimiento), lo que explica su rapidez en el cambio.

7. Funciones del aceite ATF (Automatic Transmission Fluid)

• Transmitir el par en el convertidor.
• Lubricar los elementos mecánicos.
• Actuar como mecanismo hidráulico para la gestión del cambio.
• Refrigerar.

8. Sistemas de Tracción Integral y Componentes 4x4

8.1. Haldex

El Haldex consiste básicamente en un embrague que permite acoplar o desacoplar el eje trasero de forma automática. Encontramos dos tipos de Haldex: los reactivos (primeras generaciones) y los proactivos (más modernos).

Los reactivos son los que reaccionan al momento ante una pérdida de tracción, conectando el eje trasero. Los proactivos son los que se anticipan a la pérdida de tracción gracias a la información recibida por los distintos sensores (por ejemplo, temperatura exterior, condiciones del terreno, etc.). Los Haldex proactivos también regulan el par adecuado en cada momento, evitando que el vehículo patine.

Los Haldex están formados por una parte mecánica y una parte electrohidráulica. La parte mecánica la forman los piñones y los distintos paquetes de embrague. La parte electrohidráulica está formada por un depósito, una unidad de control electrónica, un filtro, un acumulador y una válvula de control.

El funcionamiento es simple: la unidad de control recibe la información de los distintos sensores y decide cuándo debe activarse el Haldex. Cuando decide activarlo, ocurre lo siguiente: en el acumulador disponemos de una presión constante de unos 30 bares. La unidad de control actúa sobre la electroválvula de forma gradual según el par necesario en el eje trasero. La electroválvula permite el paso de aceite a presión hacia los embragues, compactándolos y transmitiendo así el par a las ruedas traseras.

8.2. Tracción integral

Se consideran vehículos de tracción integral permanente a aquellos 4x4 que no disponen de la opción de desactivar la tracción total. Los vehículos con tracción integral necesitan un diferencial central encargado de repartir el par entre los dos ejes.

El principal problema en estos vehículos es el uso de diferenciales abiertos (sin bloqueo). En caso de pérdida de adherencia, el par se escapa por la rueda con menor tracción. Para evitar este problema, se utiliza un diferencial central con bloqueo manual, un diferencial de tipo Ferguson (viscoso) o un diferencial con control electrónico.

9. Bloqueo del diferencial central

Se realiza de la siguiente forma: el conjunto de bloqueo engrana con la carcasa del diferencial, anulando de este modo el efecto diferencial. Este accionamiento puede ser mecánico, electromagnético, neumático o hidráulico. En los modelos que tienen eje delantero sin un tren epicicloidal, ese diferencial central también necesita un mecanismo especial de bloqueo.

10. Árboles de transmisión

El árbol de transmisión es el encargado de transmitir el movimiento (par de giro) proveniente de la caja de cambios hasta el diferencial trasero. Consiste en una barra de acero perfectamente equilibrada que dispone de dos juntas cardán (si solo posee una, la velocidad de entrada será distinta a la de salida, lo que genera vibraciones).

11. Reparto de par a las ruedas (4x4)

Los vehículos 4x4 reparten el par disponible del motor entre las cuatro ruedas, mejorando la capacidad propulsora y la seguridad, debido a un mejor comportamiento dinámico del vehículo. Un vehículo 4x4 aprovecha más la potencia del motor y puede trabajar mejor en terrenos con baja adherencia o condiciones adversas.

12. Transmisión 4x4 con acoplamiento manual

A la transmisión se le acoplan los elementos necesarios para transmitir el par a los dos ejes (4x4). La unión entre los dos ejes debe disponer de un dispositivo repartidor (diferencial central).

Propulsión trasera o tracción delantera acoplable (4x4 conectable)

En esta configuración, el par se transmite a las ruedas traseras o ruedas delanteras, y se acopla el 4x4 mediante un eje a las ruedas delanteras. Este eje recibe movimiento vía caja de transferencia, y normalmente no llevan diferencial central; la caja de transferencia realiza esa función.

Caja de transferencia y reductora (Transfer Case)

La caja de transferencia consiste en un mecanismo que acopla el eje delantero. Dentro de esta caja encontramos la reductora, cuya misión es la multiplicación del par en caso de ser seleccionada esta opción. Esta caja de transferencia se encuentra a la salida de la caja de cambios y la podemos accionar mediante palanca o botón. La activación de esta caja de transferencia se realiza de forma mecánica (con una palanca) o de forma eléctrica (con un botón).

Con la caja de transferencia podemos seleccionar entre: Larga (propulsión trasera, sin 4x4 ni reductora), Larga 4x4 (se acopla el eje delantero, sin reductora) y Corta 4x4 (se acopla el eje delantero y se multiplica el par).