Introducción a las tecnologías de transmisión manual

Introducción a las tecnologías de transmisión manual

Descripción general del tipo de transmisiones

Podemos definir 2 tipos principales de transmisiones, la transmisión manual (MT) y la transmisión automática (AT). El tipo de transmisión automática se divide entonces en 4 subgrupos:

  • AT clásico, con trenes de engranajes epicíclicos (sin pérdida de tracción durante el cambio de marchas)
  • Transmisión Variable Continua (CVT), con poleas cónicas y correa empujada (infinidad de relaciones de transmisión entre la relación más baja y la más alta)
  • Transmisión Manual Automatizada (AMT). Es una transmisión manual con actuadores automatizados para la liberación del embrague y el cambio de marchas (pérdida de tracción durante el cambio de marchas)
  • Transmisión de doble embrague (DCT o DSG), con 2 embragues que permiten la preselección de marchas (casi sin pérdida de tracción durante el cambio de marchas)

Los diseños de la caja de cambios son de dos tipos:

  • FF (Motor delantero, tracción delantera)
  • FR/FR (motor delantero, tracción trasera)

Podemos notar que todos estos tipos y diseños permiten la adaptación a la tracción a las cuatro ruedas.

Cuotas de mercado de transmisiones

Considerando todos los tipos de transmisiones, podemos decir que la tendencia de los volúmenes de transmisión es la misma que la de los volúmenes de vehículos. El siguiente gráfico muestra las tendencias de volumen a nivel mundial a lo largo de los años, incluidas las expectativas hasta 2015.división de transmisión en Europa OccidentalSe observa una gran caída de volumen alrededor de 2008, debido a la primera crisis de la industria automotriz. Sin embargo, a partir de 2010, la tendencia es mucho mayor gracias a la alta producción de vehículos en Brasil, Rusia, India y China (BRIC).



En 2009, el mercado mundial de transmisiones para automóviles de pasajeros se estima en alrededor de 60 millones de unidades con una distribución equitativa entre AT y MT. El mercado BRIC es el más grande con 19 millones de unidades, seguido de Europa (16 millones), América del Norte (12 millones) y Japón con 5 millones de unidades.

La división entre AT y MT también varía mucho entre esas regiones, principalmente por razones históricas y culturales:

  • Europa: 77% TM / 23% AT
  • América del Norte: 9% MT / 91% AT
  • Japón: 18% TM / 82% AT
  • BRIC: 83% TM / 17% AT

Sin embargo, la división está cambiando en algunas regiones, principalmente debido al contexto ecológico. Por ejemplo, la división en 2009 y la división esperada en 2015 se comparan en Europa Occidental en el siguiente gráfico:

Caja de cambios manual Renault PK4

Se puede decir que la parte de MT va a ser decreciente, en beneficio de DCT. Esto se explica por el hecho de que la tecnología DCT está madura en la actualidad y puede generar un ahorro de combustible en comparación con MT.

Los principales fabricantes de MT se pueden dividir en dos categorías, los históricos basados ​​en mercados históricos y los recién llegados que están apareciendo en mercados emergentes.

En Europa, los fabricantes de automóviles solían fabricar sus propias transmisiones manuales, aunque algunos proveedores como ZF o Getrag están cada vez más presentes en el mercado. Es la misma situación en Japón donde Toyota, Honda o Nissan fabrican MT pero también Aisin o Jatco como proveedores. En los BRIC, los recién llegados son Tata, BYD, FAW, Tsingshan o WIA.

Definición y función de un dispositivo de transmisión

La caja de cambios es un dispositivo de transferencia de energía, ya sea MT o AT. Permite el despegue del vehículo, la transferencia de la potencia del motor a las ruedas motrices, en sentido de avance y retroceso, de acuerdo a la demanda del conductor y logra una adecuada distribución de los torques y velocidades de rotación entre la derecha y la izquierda. ruedas motrices

Para ejecutar esas funciones, el dispositivo se compone de:

  • Un dispositivo de acoplamiento/desacoplamiento (por ejemplo, embrague o convertidor)
  • Una gama de relaciones de reducción (por ejemplo, engranajes o poleas)
  • Un dispositivo que permita cambiar las relaciones (por ejemplo, sincronizadores, actuadores hidráulicos, …)
  • Un dispositivo de distribución de energía (el diferencial)
  • Una conexión con las ruedas respetando sus grados de libertad (articulaciones y ejes motrices)
  • Un dispositivo de conexión con el controlador (perilla, almohadillas, …)

A continuación se presenta un ejemplo de dispositivo de transmisión (aquí una caja de cambios manual Renault PK4):

Centrémonos ahora en las solicitudes funcionales de la transmisión manual.

Solicitudes funcionales de transmisión manual

Las solicitudes funcionales se dividen en 5 áreas:

  • Consumo de combustible y rendimiento de conducción
  • Montaje y maquetación de vehículos
  • Acústica
  • Calidad de turno
  • Fiabilidad

Este artículo solo trata sobre el consumo de combustible y el rendimiento de conducción. Sin embargo, se abordarán otros temas en un próximo artículo dedicado.

Consumo de combustible y rendimiento de conducción

Por lo general, los vehículos están equipados con un motor de combustión interna que entrega su par o potencia máxima en un rango limitado de velocidad de rotación. Por lo tanto, con solo una relación de reducción entre el motor y las ruedas, el conductor alcanzaría los límites del motor en un rango limitado de velocidad del vehículo. Además, es necesario alcanzar la potencia máxima del motor en una amplia gama de velocidades del vehículo:

  • Velocidades bajas: despegue, escalada
  • Altas velocidades: Carreteras
  • Velocidades medias: adelantamiento, subida de pendientes

Entonces es necesario interponer entre el motor y las ruedas motrices una transmisión que ofrezca varias relaciones de reducción de velocidad y par. Esta variación de velocidades permite un uso racional del motor gracias a los engranajes convenientemente escalonados dentro de la transmisión.

La metodología para el diseño de las relaciones de reducción según las especificaciones del vehículo y del motor estará próximamente disponible en el artículoMetodología para el diseño de relaciones de transmisión manual.

Los criterios para evaluar el diseño de relaciones de transmisión son:

  • Consumo de combustible a velocidad estabilizada (90 km/h, 120 km/h y 150 km/h)
  • Consumo de combustible enciclos de conducción(NEDC, ciclo del cliente, …)
  • Índice de prestaciones (criterios Renault teniendo en cuenta la masa del vehículo, la potencia y el par máximos del motor, el S.Cx y la velocidad del vehículo a 1000 rpm en los 2 ratios más altos)
  • Actuaciones:
    • Capacidad de despegue y maniobrabilidad
    • Aceleración de despegue (0 a 100 km/h, 0 a 400 m o 0 a 1000 m)
    • Velocidad máxima en relación final
    • Aceleración media (30 a 60 km/h el 3, 80 a 120 km/h el 4, el 5 o el 6)

Al elegir la relación de la primera marcha, es necesario tener en cuenta la capacidad de despegue, incluidas las condiciones de remolque. Los valores clásicos para una relación de 1ra velocidad son de 18 a 12, lo que significa que el vehículo está aproximadamente entre 6,5 y 10 km/ha 1000 rpm.

Para el diseño de la relación de transmisión final se consideran la velocidad máxima, el consumo de combustible y las emisiones en los ciclos. Los valores clásicos para la relación de transmisión final son de 3 a 2,2, es decir, entre 40 y 55 km/h a 1000 rpm.

Para la elección de relaciones intermedias, los ingenieros tienen en cuenta la capacidad de conducción y las aceleraciones de rango medio, pero también el consumo de combustible en el ciclo.

Cuando se eligen todas las relaciones de transmisión, el indicador de rango de relación se calcula como la relación de la primera transmisión dividida por la relación de transmisión final. Este indicador expresa el tipo de diseño de la transmisión manual. Los valores clásicos generalmente están entre 4 (diseño de rendimiento) y 7 (diseño de economía de combustible). Un ejemplo de valores de relaciones de transmisión para la caja de cambios Renault PK4 se muestra en la siguiente tabla:Además del diseño de las relaciones, otros dos factores influyen en el consumo de combustible del vehículo, la masa de la caja de cambios y su eficiencia. En cuanto a la masa, es más o menos proporcional al par que puede transmitir la caja de cambios. Se dice que la relación es de 1 kg/10 Nm. La eficiencia de la caja de cambios depende de las pérdidas por rozamiento de engranajes y rodamientos, pérdidas por batido… La evaluación de esas pérdidas permite calcular el consumo de combustible del vehículo debido a MT.

El siguiente gráfico presenta el par de arrastre frente a la capacidad de par de una caja de cambios (en 5ª velocidad a 2000 rpm con un par de 30 Nm a 50 °C):Se puede decir que el par de arrastre aumenta proporcionalmente con la capacidad de par. Con la MT actual, la parte del consumo de combustible por pérdidas de MT está entre el 3 y el 5%, y su eficiencia entre el 85 y el 90%. A modo de comparación, un AT clásico puede representar hasta el 20% del consumo total de combustible.

Conclusión

La tecnología de transmisión manual se conoce desde el siglo XVIII y ahora la dominan los fabricantes de automóviles. Es una forma económica y eficiente de asegurar las funciones de transmisión. Para un correcto diseño se tienen en cuenta varios parámetros como el consumo de combustible, las prestaciones, la acústica o el embalaje. El diseño de la relación de transmisión es la forma de alcanzar el consumo de combustible y el rendimiento deseados. De hecho, la primera y la última marcha son de gran importancia para la velocidad máxima, el despegue y el ahorro de combustible. Y, por último, se evalúa y reduce la eficiencia de la caja de cambios, ya que también contribuye a la eficiencia total del combustible del tren motriz.