lunes, 24 de enero de 2011

¿QUE ES EL OBD?



OBD (ON BOARD DIAGNOSTIC - DIAGNOSTICO A BORDO) es una normativa que intenta disminuir los niveles de contaminación producida por los vehículos a motor.

La Comisión de Recursos del Aire de California (California Air Resources Board - CARB) comenzó la regulación de los Sistemas de Diagnóstico de a Bordo (On Board Diagnostic - OBD) para los vehículos vendidos en California, comenzando con los modelos del año 1988.
La primera norma implantada fue la OBD I en 1988, donde se monitorizaban los parámetros de algunas partes del sistema como:

  • La sonda lambda
  • El sistema EGR y
  • ECM (Modulo de control).

Una lámpara indicadora de mal funcionamiento (MIL), denominada Check Engine o Service Engine Soon, era requerida para que se iluminara y alertara al conductor del mal funcionamiento y de la necesidad de un servicio de los sistemas de control de emisiones.



Un código de falla (Diagnostic Trouble Code - DTC) era requerido para facilitar la identificación del sistema o componente asociado con la falla. Para modelos a partir de comienzos de 1994, ambos, CARB y la Agencia de Protección del Medio Ambiente (Environmental Protection Agency - EPA) aumentaron los requerimientos del sistema OBD, convirtiéndolo en el hoy conocido OBD II (2ª generación). A partir de 1996 los vehículos fabricados e importados por los USA tendrían que cumplir con esta norma.
Según esto OBD II es un conjunto de normalizaciones que procuran facilitar el diagnostico de averías y disminuir el índice de emisiones de contaminantes de los vehículos. La norma OBD II es muy extensa y está asociada a otras normas como SAE e ISO.

Estos requerimientos del sistema OBDII rigen para vehículos alimentados con gasolina, gasoil (diesel) y están comenzando a incursionar en vehículos que utilicen combustibles alternativos.
El sistema OBD II controla virtualmente todos los sistemas de control de emisiones y componentes que puedan afectar los gases de escape o emisiones evaporativas. Si un sistema o componente ocasiona que se supere el umbral máximo de emisiones o no opera dentro de las especificaciones del fabricante, un DTC (Diagnostic Trouble Code) debe ser almacenado y la lámpara MIL deberá encenderse para avisar al conductor de la falla. El sistema de diagnóstico de abordo no puede apagar el indicador MIL hasta que se realicen las correspondientes reparaciones o desaparezca la condición que provocó el encendido del indicador.

Un DTC es almacenado en la Memoria de Almacenamiento Activa (PCM Keep Alive Memory - KAM) cuando un mal funcionamiento es inicialmente detectado. En muchos casos la MIL es iluminada después de dos ciclos de uso consecutivos en los que estuvo presente la falla. Una vez que la MIL se ha iluminado, deben transcurrir tres ciclos de uso consecutivos sin que se detecte la falla para que la MIL se apague.

El DTC será borrado de la memoria después de 40 ciclos de arranque y calentamiento del motor después que la MIL se halla apagado.
En adición a las especificaciones y estandarizaciones, muchos de los diagnósticos y operaciones de la MIL requieren en OBD II el uso de Conector de Diagnóstico standard (Diagnostic Link Connector - DLC), enlaces de comunicaciones y mensajes standard, DTCs y terminologías estandarizados.

Ejemplos de información de diagnóstico standard son los Datos Congelados en Pantalla (Freeze Frame Data) y los Indicadores de Inspección y Mantenimiento Inspection Maintenance Readiness Indicators - IM). Los datos congelados describen los datos almacenados en la memoria KAM en el momento que la falla es inicialmente detectada. Los datos congelados contienen parámetros tales como RPM y carga del motor, estado del control de combustible, encendido y estado de la temperatura de motor.

Los datos congelados son almacenados en el momento que la primera falla es detectada, de cualquier manera, las condiciones previamente almacenadas serán reemplazadas si una falla de combustible o pérdida de encendido (misfire) es detectada. Se tiene acceso a estos datos con un scaner para recibir asistencia en la reparación del vehículo.

Monitores de Emisiones OBDII
Una parte importante del sistema OBDII de los vehículos, son los Monitores de Emisiones (autodiganostico de los elementos que intervienen en la combustión del motor y por lo tanto en las emisiones de escape), que son indicadores usados para averiguar si todos los componentes de emisiones, han sido evaluados por el sistema OBDII. Estos monitores procesan periódicamente pruebas en sistemas específicos y componentes, para asegurar que se están ejecutando dentro de límites permisibles.
Actualmente, hay 11 Monitores de Emisiones (o Monitores I/M) definidos por la Agencia de Protección Ambiental U.S (EPA). No todos los monitores están soportados por todos los vehículos y el número exacto de monitores en cada vehículo depende de la estrategia de control de emisiones de los fabricantes de motores de vehículos.

Monitores Continuos
Algunos de los componentes o sistemas de un vehículo se comprueban continuamente por el sistema OBDII del vehículo, mientras que otros son comprobados solo bajo condiciones específicas de operación del vehículo. Los componentes continuamente monitorizados enumerados a continuación están siempre listos:

  1. Fallos del Encendido
  2. Sistemas del Combustible
  3. Componentes Globales (CCM)

Una vez que el vehículo se pone en marcha, el sistema OBDII está continuamente comprobando los componentes citados anteriormente, monitoriza los sensores clave del motor, vigilando los fallos de encendido del motor, y monitorizando las demandas de combustible.

Monitores no Continuos
A diferencia de los monitores continuos, muchas emisiones y componentes del sistema del motor, requieren que el vehículo esté funcionando bajo condiciones específicas antes de que el monitor esté listo. Estos monitores son llamados monitores no-continuos y se enumeran a continuación:

  1. Sistema EGR
  2. Sensores O2
  3. Catalizador
  4. Sistema Evaporativo
  5. Calentador Sensor O2
  6. Aire Secundario
  7. Catalizador calentamiento
  8. Sistema A/C

Estado Monitores de Emisiones OBDII
Los sistemas OBDII deben indicar en cualquier caso, si el sistema de monitor PCM del vehículo ha completado las pruebas en cada componente. Los componentes que han sido comprobados se reportarán como “LISTO”, o “COMPLETO”, significando que han sido comprobados por el sistema OBDII. El propósito de registrar el estado de los monitores de Emisiones es permitir inspecciones para determinar si el sistema OBDII del vehículo ha comprobado todos los componentes
y/o sistemas.
El módulo de motor y transmisión (PCM) pone el monitor a “LISTO” o “COMPLETO” después de que un ciclo de conducción apropiado, ha sido realizado. El ciclo de conducción que habilita un monitor y activa los códigos de emisiones a “LISTO” varía para cada monitor individualmente. Una vez que un monitor es puesto a “LISTO” o “COMPLETO”, permanecerá en ese estado. Un número de factores, incluyendo borrado de códigos de averías (DTC) con un Escáner o una
desconexión de la batería, pueden ocasionar que los monitores de emisiones se pongan en estado “NO LISTO”. Puesto que los 3 monitores continuos, están constantemente siendo evaluados, se encontrarán en estado “LISTO” en todo momento. Si la comprobación de un monitor no-continuo soportado, no ha sido completada, el estado del monitor se indicará como “NO COMPLETO” o “NO LISTO”.
Para que el sistema de monitores OBD se encuentre listo, el vehículo debería conducirse bajo una variedad de condiciones normales. Estas condiciones pueden incluir una mezcla de conducción por carretera, paradas y marchas, conducción por ciudad, y al menos un periodo de conducción nocturna. Para información específica, sobre como conseguir que los monitores de emisiones estén listos, consulte el manual de su vehículo.

Un ciclo de conducción debería realizar un diagnostico de todos los sistemas. Normalmente tarda menos de 15 minutos y requiere de los siguientes pasos:

  1. Arranque en frió: El motor debe estar a menos de 50 ºC y con una diferencia no mayor a 6 ºC de la temperatura ambiente. No deje la llave en contacto antes del arranque en frió o el diagnóstico del calentador de la sonda de oxigeno puede fallar,
  2. Ralenti: El motor debe andar por 2 minutos y medio con el aire acondicionado y e! desempañador de la luneta trasera conectados. A mayor carga eléctrica mejor. Esto prueba el calentador de la sonda de 02, Purga del Canister, Falla en el Encendido, y si se entra en ciclo cerrado, el ajuste de combustible.
  3. Acelerar: Apague el aire acondicionado y todas las cargas eléctricas, y aplique medio acelerador hasta que se alcancen los 85 km/h
  4. Mantenga la velocidad: Mantenga una velocidad constante de 85 km/h durante 3 minutos. Durante este periodo se prueba la respuesta de la sonda de 02, EGR, Purga, Encendido y Ajuste de combustible
  5. Desacelere: Suelte el pedal del acelerador No reduzca marchas, ni pise el freno o embrague. Es importante que el vehículo disminuya su velocidad gradualmente hasta alcanzar los 30 km/h.
  6. Acelere: Acelere 3/4 de acelerador hasta alcanzar los 85 - 95 km/h.

EOBD (European On Board Diagnostic)
El EOBD es una conjunto de normas parecida a la OBD II que ha sido implantada en Europa a partir del año 2000. Una de las características innovadoras es el registro del tiempo de demora o kilometraje desde la aparición de un defecto hasta su diagnóstico. La normativa Europea obliga a los fabricantes a instalar sistemas de diagnosis compatibles con los americanos, con conectores e interfaces estandarizados. Los fabricantes también estarán obligados a publicar detalles de las partes importantes de sus sistemas de diagnostico, de los cuales hasta ahora han sido propietarios. Las directrices de la Unión Europea se aplican a motores de explosión (motores de gasolina) registrados en el 2000 y posteriores y a motores Diesel registrados en 2003 y posteriores.
Hoy en día ya que los fabricantes estando obligados a instalar estos puertos de diagnostico, han ampliado sus funciones para poder controlar y gestionar muchos mas aspectos cotidianos del vehículo. A través de dicho puerto, se puede leer cualquier código de error que haya registrado la centralita, activar o desactivar funciones del vehículo, solicitar a la centralita del vehículo que realice testeos en todos los sistemas: cuadro de mandos, abs, inyección, encendido, etc., reduciendo así los tiempos de taller para la búsqueda de un problema. Además de varias utilidades mas que se pueden suponer y no están confirmadas (ej: reprogramación de la centralita para aumento de potencia).

Control en los motores de gasolina

  • Vigilancia del rendimiento del catalizador
  • Diagnóstico de envejecimiento de sondas lambda
  • Prueba de tensión de sondas lambda
  • Sistema de aire secundario ( si el vehículo lo incorpora)
  • Sistema de recuperación de vapores de combustible (cánister)
  • Prueba de diagnóstico de fugas
  • Sistema de alimentación de combustible
  • Fallos de la combustión - Funcionamiento del sistema de comunicación entre unidades de mando, por ejemplo el Can-Bus
  • Control del sistema de gestión electrónica
  • Sensores y actuadores del sistema electrónico que intervienen en la gestión del motor o están relacionados con las emisiones de escape

Control en los motores diesel

  • Fallos de la combustión
  • Regulación del comienzo de la inyección
  • Regulación de la presión de sobrealimentación
  • Recirculación de gases de escape
  • Funcionamiento del sistema de comunicación entre unidades de mando, por ejemplo el Can-Bus
  • Control del sistema de gestión electrónica
  • Sensores y actuadores del sistema electrónico que intervienen en la gestión del motor o están relacionados con las emisiones de escape

Conector de diagnosis
El conector del sistema OBDII tiene que cumplir las siguientes especificaciones según la normativa, ISO 15031-3:2004. La normativa estipula que el conector para diagnostico de OBDII o EOBD, debe de estar situado en el compartimento de los pasajeros, cerca del asiento del conductor. Esto es lo contrario a los sistemas anteriores donde el conector estaba en el compartimento motor. El conector estará situado detrás del cenicero o debajo del panel de instrumentos o en la consola central detrás de una tapa que lo cubre.



El sistema OBDII utiliza un conector de 16 pines, aunque no todos están ocupados.


2 - J1850 (Bus +)
4 - Masa del Vehículo
5 - Masa de la Señal
6 - CAN High (J-2284)
7 - ISO 9141-2 "Línea K"
10 - J1850 (Bus -)
14 - CAN Low (J-2284)
15 - ISO 9141-2 "Línea L"
16 - Batería +





Acceso a la información del sistema OBDII
Cuando el sistema almacena alguna información de error, nos indica, generalmente con una señal luminosa, que algo esta funcionando incorrectamente y por tanto es
aconsejable que acudamos a un taller para que revisen el automóvil.
Una vez en el taller, el equipo de mecánicos, conectará nuestro automóvil un escáner o lector del sistema OBDII que le facilitara la información almacenada. A
principios de los 80, cuando se extendió, el uso de este sistema de diagnosis, cada fabricante era libre de incorporar su propio conector y utilizar los códigos de error que quisiera. Esto dificultaba mucho la utilización de este sistema para la reparaciones, ya que la inversión que requería en los talleres mecánicos era altísima y poco practica (debían disponer de muchos lectores y de muchas tablas de códigos). Para que el uso de este sistema fuera practico y viable, en 1996, se llego a un consenso entre los fabricantes y se estandarizaron los códigos y el conector. Así con un único lector de códigos y una tabla de errores, se puede diagnosticar un error en cualquier coche, independientemente del fabricante.

Lectores de códigos
Para poder extraer los datos del OBDII de un vehículo, se necesita un interfaz de conexiones, que recodifique la información que obtiene del vehículo, para que esta
pueda ser entendida por el software del pc.
Dichos interfaces son bastante sencillos, y como podemos ver en la siguiente imagen, no se necesitan grandes conocimientos de electrónica, ni materiales difíciles de conseguir para fabricar uno.
Como se ha comentado en el apartado anterior, para cada protocolo, es necesario utilizar un interfaz diferente, o bien crear un interfaz capaz de trabajar con todos los protocolos. A continuación se enseñan los esquemas internos de los interfaces, para protocolo simple, más comunes.



Esquema eléctrico de un interfaz OBDII

Existen otras posibilidades a la hora de leer los códigos, algo más simplificadas, y que pueden ser adquiridas fácilmente. Se trata de instrumentos de lectura de códigos, que disponen de capacidad de lectura del OBDII sin necesidad de ningún PC. Estos sistemas realizan el tratamiento de la información del OBDII del vehículo y muestran en su pantalla los códigos de error.





Código de Falla (DTC)
El estándar SAE J2Q12 define un código de 5 dígitos en el cual cada dígito representa un valor predeterminado. Todos los códigos son presentados de igual forma para facilidad del mecánico. Algunos de estos son definidos por este estándar, y otros son reservados para uso de los fabricantes.

El códígo tiene el siguiente formato YXXXX (ej, P0308)

Donde Y, el primer dígito, representa la función del vehículo:

  • P - Electrónica de Motor y Transmisión (Powertrain)
  • B - Carrocería (Body)
  • C - Chasis (Chassis)
  • U - No definido (Undefíned)

El segundo dígito índica la organización responsable de definir el código,

  • 0 - SAE (código común a todos las marcas)
  • 1 - El fabricante del vehículo (código diferente para distintas marcas)

El tercer dígito representa una función especifica del vehículo:

  • 0 - El sistema electrónico completo
  • 1 y 2 - Control de aire y combustible
  • 3 - Sistema de encendido
  • 4 - Control de emisión auxiliar
  • 5 - Control de velocidad y ralentí
  • 6- ECU y entradas y salidas
  • 7 - Transmisión

El cuarto y quinto dígito están relacionados específicamente con la falla.
Entonces el código P03Q8 indica un problema en la electrónica de motor (P), definido por SAE (0) y común a cualquier vehículo, relacionado con el sistema de encendido (3), y falla en el cilindro #8 (08).


Datos capturados para cada avería
Cuando se produce un fallo relativo a emisiones, el sistema OBDII no solo registra un código, sino que también registra una instantánea de los parámetros de operación del vehículo (estado de los sensores) para ayudar a identificar el problema.
Este conjunto de valores se conoce como Datos Capturados (en inglés Freeze Frame), y pueden incluir parámetros importantes del motor, como las R.P.M., velocidad, flujo de aire, carga del motor, presión del combustible, temperatura del refrigerante, tiempo de ignición, o estado de bucle cerrado.

Protocolos de comunicación
Básicamente existen 3 protocolos de comunicación del sistema OBDII con los lectores de fallas. Los fabricantes han escogido que protocolo utilizar y todos los vehículos que salen de su fábrica salen con el mismo protocolo, por tanto es fácil saber que tipo de protocolo funcionan las comunicaciones de nuestro coche.

  • ISO 9141-2 en vehículos Europeos, Asiáticos y Chrysler con variantes (Key Word Protocol = Palabra Clave)
  • SAE J1850 VPW que significa Ancho de Pulso Variable (Variable Pulse Width) y lo utiliza GM USA (General Motors)
  • SAE J1850 PWM que indica Modulación Ancho de Pulso (Pulse Width Modulatión) utilizado por Ford USA.
  • KWP 1281 y KWP 2000 utilizado por el grupo VAG.
  • ISO 14230 que lo utiliza Renault, etc.

Como es fácil deducir, cada uno de estos protocolos, requiere de un tratamiento de la información diferente, antes de conectar el OBDII con el PC. Y por tanto, se
requieren interfaces de conexión diferentes. Esto no es del todo exacto, ya que existe la posibilidad de fabricar un interfaz de conexión del OBDII con el PC, capaz de utilizar todos los protocolos e incluso seleccionar automáticamente cual es el protocolo utilizado por el vehículo a conectar.

¿Cuál es la Diferencia entre el VAG-COM y un Programa Diagnóstico de OBD-II ó EOBD?
El OBD-II ó EOBD es un protocolo de diagnóstico exigido por el Gobierno de EEUU cuya función primaria es diagnosticar problemas relacionados con las emisiones. Un programa de OBD-II ó EOBD funciona con diferentes marcas de automóviles, mientras el VAG-COM usa el protocolo propietario de Volkswagen y sólo funciona con VW, Audi, SEAT y Skoda. A pesar de que se puede usar un programa de diagnóstico de OBD-II ó EOBD en todos los automóviles compatibles con OBD-II ó EOBD, el programa de OBD-II ó EOBD sólo va a poder comunicar con el motor y parte del cambio automático pero con ninguno de los demás sistemas electrónicos del automóvil. ¿Quiere reprogramar el cierre centralizado o el radio? ¿Quiere diagnosticar un problema del ABS, de los airbags o del inmovilizador? ¿Adaptar el inmovilizador después de un cambio de la unidad de control del motor? Un programa de OBD-II ó EOBD no puede hacer nada de esto.

El VAG-COM a partir de la versión 504.1 también es compatible con OBD-II / EOBD genérico para vehículos que soportan los protocolos ISO 9141-2 ("CARB"), ISO 14230 ("KWP-2000") o ISO 15765 ("CAN"). Las interfaces VAG-COM no soportan los protocolos SAE J1850-VPW ni SAE J1850-PWM usados en la mayoría de los modelos estadounidenses de GM y muchos Ford a nivel mundial (a partir del 2003, Ford va cambiando a ISO 15765 ("CAN")). La mayoría de los primeros Chrysler compatibles con OBD-II (1996-2000) usaron ISO 9141-2. Muchos Chrysler nuevos usan SAE J1850. La mayoría de los vehículos europeos y asiáticos usa ISO 9141-2. En modelos estadounidenses, la compatibilidad con OBD-II es requerida a partir del 1996, en modelos canadienses a partir del 1998, en Europa a partir del 2001 (gasolina) y 2004 (diesel). El diagnóstico por CAN-BUS (ISO 15765) requiere las interfaces

Los elementos fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son:

  • un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida, al par que necesita la transmisión.
  • un tren epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio.
  • un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epicicloidales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos.

Precisamente el control electrónico es la mayor innovación que disponen los cambios automáticos actuales dando al conductor la posibilidad de elegir entre varios programas de conducción (económico, deportivo, invierno) mediante una palanca de selección, llegando actualmente a existir sistemas de control que pueden seleccionar automáticamente el programa de cambio de marchas más idóneo a cada situación concreta de conducción.
Entre los datos que utilizan estos sistemas para sus cálculos se encuentran, la frecuencia con que el conductor pisa el freno, la pendiente de la carretera, el numero de curvas de la misma, etc.

Antes de estudiar el funcionamiento de la caja de cambios automática, hay que explicar de forma individual, los elementos básicos que la forman.

Embrague hidráulico
El embrague hidráulico que mas tarde evolucionara llamandose convertidor de par, actúa como embrague automático entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos, suele ser automática o semiautomática. Dicho embrague permite que el motor gire al ralentí (en vacío) y además transmite el par motor cuando el conductor acelera.
Está fundado en la transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a una turbina por mediación de un líquido que generalmente es aceite mineral.
Para comprender bien este principio se puede poner el ejemplo de dos ventiladores (figura inferior) colocados uno frente al otro. El ventilador (1), conectado a la red, mueve el aire y lo proyecta como impulsor o bomba sobre el otro ventilador (2) que está sin conectar; éste último, al recibir el aire, se pone a girar como una turbina.


Constitución del embrague hidráulico

Está constituido, como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y turbina) que tienen forma de semitoroide geométrico y están provistas de unos tabiques planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va unida al árbol motor por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga; la otra, unida al primario de la caja de cambios con giro libre en el volante, constituye la turbina o corona arrastrada.
Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.

Funcionamiento
Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia rotación de la bomba o rotor conductor, formándose así un torbellino tórico.
La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar.
Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo.
A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague.
Cuando el motor gira rápidamente desarrollando su par máximo, el aceite es impulsado con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de transmisión máximo).

El par motor se transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente.
Al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.

Ventajas e inconvenientes de los embragues hidráulicos
Este tipo de embrague presenta el inconveniente de que no sirve para su acoplamiento a una caja de cambios normal, es decir, de engranes paralelos; ya que aun funcionando a ralentí, cuando el resbalamiento es máximo, la turbina está sometida a una fuerza de empuje que, aunque no la haga girar por ser mayor el par resistente, actúa sobre los dientes de los engranajes y no permite la maniobra del cambio de velocidades.
Por esta razón este embrague se utiliza en cajas de cambio automático. Para su acoplamiento a una caja normal, habría que intercalar un embrague auxiliar de fricción que permita desacoplar la caja de cambios en el momento del cambio.
Debido a la inevitable pérdida de energía por deslizamiento del aceite en su acoplamiento para obtener el par máximo, los vehículos equipados con este tipo de embrague consumen algo más de combustible que los equipados con un embrague normal de fricción. Presentan también la desventaja de un mayor coste económico, así como la necesidad de tener que acoplar una caja de cambios automática.

Como contrapartida de estos inconvenientes, la utilización del embrague hidráulico presenta las siguientes ventajas:

  • Ausencia de desgaste.
  • Duración ilimitada, incluso mucho mayor que la vida útil del vehículo.
  • Las vibraciones por torsión en la transmisión están fuertemente amortiguadas, cualidad muy importante para su utilización en los motores Diesel.
  • Arranque muy suave, debido a la progresividad en el deslizamiento.
  • Bajo coste de entretenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico de aceite cada 15 000 ó 20 000 km.


Convertidor de par
El convertidor de par tiene un funcionamiento que se asemeja al de un embrague hidráulico pero posee una diferencia fundamental, y es que el convertidor es capaz de aumentar por sí sólo el par del motor y transmitirlo. En la figura inferior vemos el principio de funcionamiento tanto del embrague hidráulico y del convertidor. En a tenemos una rueda con unas cazoletas como si se tratara una rueda de noria de las utilizadas para sacar agua de los pozos. Hacemos incidir un chorro de aceite a presión sobre la cazoleta, esta es empujada moviendo la rueda. Vemos que la fuerza de empuje no es grande ya que con un dedo de la mano paramos la rueda. En b hemos añadido una placa deflectora entre el chorro de aceite y la cazoleta: Ahora el chorro de aceite empuja la cazoleta pero en vez de perderse rebota en la placa deflector que lo dirige otra vez contra la cazoleta por lo que se refuerza el empuje del chorro contra la cazoleta. Vemos ahora que el empuje del chorro sobre la cazoleta es mayor y necesitamos mas fuerza en la mano para evitar que gire la rueda.


En la figura inferior se muestra un esquema de los componentes del convertidor hidráulico. Además de la bomba y de la turbina característicos de un embrague hidráulico, el convertidor de par dispone de un elemento intermedio denominado reactor. La rueda de la bomba está accionada directamente por el motor mientras que la turbina acciona el eje primario de la caja de velocidades. El reactor tiene un funcionamiento de rueda libre y está apoyado en un árbol hueco unido a la carcasa de la caja de cambios.
Tanto la bomba como la turbina y el reactor tienen alabes curvados que se encargan de conducir el aceite de forma adecuada.


Funcionamiento
Al girar la bomba accionada directamente por el movimiento del cigüeñal, el aceite se impulsa desde la rueda de bomba hasta la rueda turbina. A la salida de ésta el aceite tropieza con los alabes del reactor que tienen una curvatura opuesta a los de las ruedas de bomba y turbina. Esta corriente de aceite empuja al reactor en un giro de sentido contrario al de la bomba y la turbina. Como el reactor no puede realizar ese giro ya que está retenido por la rueda libre, el aceite se frena y el empuje se transmite a través del aceite sobre la bomba. De esta forma mientras exista diferencia de velocidad de giro entre la bomba y la turbina el momento de giro (par) será mayor en la turbina que en la bomba. El par cedido por la turbina será pues la suma del transmitido por la bomba a través del aceite y del par adicional que se produce por reacción desde el reactor sobre la bomba y que a su vez es transmitido de nuevo sobre la turbina. Cuanto mayor sea la diferencia de giro entre turbina y bomba mayor será la diferencia de par entre la entrada y la salida del convertidor, llegando a ser a la salida hasta tres veces superior.
Conforme disminuye la diferencia de velocidad va disminuyendo la desviación de la corriente de aceite y por lo tanto el empuje adicional sobre la turbina con lo que la relación de par entre salida y entrada va disminuyendo progresivamente.
Cuando las velocidades de giro de turbina e impulsor se igualan, el reactor gira incluso en su mismo sentido sin producirse ningún empuje adicional de forma que la transmisión de par no se ve aumentada comportándose el convertidor como un embrague hidráulico convencional. A esta situación se le llama "punto de embrague"


La ventaja fundamental del convertidor hidráulico de par sobre el embrague hidráulico es que el primero permite, en situaciones donde se necesita mayor tracción como subida de pendientes o arranques, el movimiento del reactor con lo que el par transmitido se ve aumentado respecto al proporcionado por el motor en caso de necesidad. Además el convertidor hidráulico amortigua a través del aceite cualquier vibración del motor antes de que pase a cualquier parte de la transmisión.
A pesar de ser el convertidor hidráulico un transformador de par, no es posible su utilización de forma directa sobre un vehículo ya que en determinadas circunstancias de bajos regímenes de giro tendría un rendimiento muy bajo. Además no podría aumentar el par más del triple. Todo esto obliga a equipar a los vehículos, además de con un convertidor, con un mecanismo de engranajes planetarios que permitan un cambio casi progresivo de par.

convertidor de par

Engranaje planetario
También llamado "engranaje epicicloidal", son utilizados por las cajas de cambio automáticas. Estos engranajes están accionados mediante sistemas de mando normalmente hidráulicos o electrónicos que accionan frenos y embragues que controlan los movimientos de los distintos elementos de los engranajes.
La ventaja fundamental de los engranajes planetarios frente a los engranajes utilizados por las cajas de cambio manuales es que su forma es mas compacta y permiten un reparto de par en distintos puntos a través de los satélites, pudiendo transmitir pares mas elevados.

Si quieres ver como funciona un engranaje planetario haz click aquí.

En el interior (centro), el planeta gira en torno de un eje central.
Los satélites engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón central.
Los satélites se alojan con sus ejes en el portasatélites
El portasatélites inicia el movimiento rotatorio de los satélites alrededor del piñón central; con ello, lógicamente, también en torno del eje central.
La corona engrana con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal. El eje central es también centro de giro para la corona.


Estos tres componentes (planeta, satélites y corona) del tren epicicloidal pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los componentes, los restantes pueden girar, transmitiendose el movimiento con la relación de transmisión resultante según la relación existente entre sus piñones. Si se bloquean dos de los componentes, el conjunto queda bloqueado, moviendose todo el sistema a la velocidad de rotación recibida por el motor.

Las relaciones que se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si ante una entrada o giro de uno de sus elementos existe otro que haga de reacción. En función de la elección del elemento que hace de entrada o que hace de reacción se obtienen cuatro relaciones distintas que se pueden identificar con tres posibles marchas y una marcha invertida. El funcionamiento de un tren epicicloidal es el siguiente:

  • 1ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena la corona, los satélites se ven arrastrados por su engrane con el planetario rodando por el interior de la corona fija. Esto produce el movimiento del portasatélites. El resultado es una desmultiplicación del giro de forma que el portasatélites se mueve de forma mucho más lenta que el planetario o entrada.

  • 2ª relación: si el movimiento entra por la corona y se frena el planetario, los satélites se ven arrastrados rodando sobre el planetario por el movimiento de la corona. El efecto es el movimiento del portasatélites con una desmultiplicación menor que en el caso anterior.

  • 3ª relación: si el movimiento entra por el planetario y, la corona o el portasatélites se hace solidario en su movimiento al planetario mediante un embrague entonces todo el conjunto gira simultáneamente produciéndose una transmisión directa girando todo el conjunto a la misma velocidad que el motor.

  • 4ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena el portasatélites, se provoca el giro de los planetarios sobre su propio eje y a su vez estos producen el movimiento de la corona en sentido contrario, invirtiendose el sentido de giro y produciéndose una desmultiplicación grande.

Relación Corona Planeta Portasatélites Desmultiplicación
Fija Salida de fuerza Impulsión Grande
Salida de fuerza Fijo Impulsión Menor
Fija Fijo Salida de fuerza Sin desmultiplicación
Impulsión Salida de fuerza Fijo Inversión de giro

Invirtiendo la entrada y la salida en las relaciones de desmultiplicación se obtendrían relaciones de multiplicación.
Estas relaciones se podrían identificar con las típicas marchas de un cambio manual, sin embargo se necesitarían para ello distintos árboles motrices por lo que en la aplicación de un tren epicicloidal a un automóvil las posibilidades se reducen a dos marchas hacia delante y una hacia atrás. La entrada del par motor se realizaría por el planetario y la salida por el portasatélites o la corona. La primera relación descrita y la tercera serían la 1ª marcha y la directa respectivamente y la cuarta relación seria la marcha atrás.

Para poder combinar tres o más velocidades se usan habitualmente combinaciones de engranajes epicicloidales. Las cajas de cambio automáticas utilizan combinaciones de dos o tres trenes epicicloidaidales que proporcionan tres o cuatro relaciones hacia adelante y una hacia detrás. Como ejemplo tenemos la figura inferior.


Caja de cambios automática Hidramatic

Esta caja cuenta con cuatro velocidades y marcha atrás, esta formada por un embrague hidráulico o convertidor de par y tres trenes de engranajes epicicloidales (I - II - III), que comunican movimiento del motor al árbol de transmisión de forma automática y progresiva según la velocidad del vehículo.

La corona (C1) del tren de epicicloidal (I) es solidaria al volante de inercia (4) y recibe, por tanto, el movimiento directamente del motor. Los satélites (B1) van unidos a la bomba (P) del embrague hidráulico y a la corona (C2) del segundo tren de engranajes (II) por medio del embrague (E2). El planetario (A1) puede ser frenado por la cinta de freno (F1) o hacerse solidario a los satélites (B1) por medio del embrague (E1).
La corona (C2) del tren (II), puede ser frenada por la cinta de freno (F2) o hacerse solidaria a los satélites (B1) por medio del embrague (E2). Los satélites (B2) se unen directamente al eje de transmisión (3) y son los encargados de transmitir el movimiento de la caja de cambios en cualquier velocidad. El planetario (A2) recibe el movimiento directamente de la turbina (T) a través del árbol (2)..
El tren de engranajes (III) sólo funciona para la marcha atrás y tiene la misión de invertir el giro de los satélites (B2) y del árbol de transmisión. La corona (C3) gira libremente y sólo es bloqueada por un mando mecánico de la palanca de cambios para obtener la inversión de giro. Los satélites (B3) se unen directamente a los satélites (B2) a través del árbol de transmisión. El planetario (A3) va unido a la corona (C2) de donde recibe movimiento.
Los satélites de todos los trenes de engranajes pueden girar libremente en sus ejes o sufrir movimiento de translación cuando se lo comunican cualquiera de los demás componentes de los trenes epicicloidales.


Funcionamiento y relaciones de transmisión
Las distintas velocidades en la caja de cambios se obtienen automáticamente de la siguiente forma:

  • Primera velocidad
    Los mecanismos de mando hidráulico de la caja de cambios (fig. inferior) accionan los frenos (F1 y F2) dejando libres los embragues (E1 y E2), con lo que el giro que llega del volante de inercia (4) a la corona (C1) del primer tren de engranajes (I) se transmite a los satélites (B1), que son arrastrados por ella al estar el planeta (A1) bloqueado.
    El movimiento de estos satélites se transmite a la bomba (P) del embrague hidráulico, que arrastra a la turbina (T), comunicando su giro al planeta (A2) del segundo tren de engranajes (II). El giro del planeta (A2) se transmite a los satélites (B2) que giran desplazándose sobre la corona (E2) al estar frenada.
    El movimiento de los satélites (B2) se transmite al árbol de transmisión (3), obteniendose una reducción de movimiento a través (I y II).

  • Segunda velocidad
    Al llegar a una determinada velocidad, el mecanismo de mando hidráulico acciona automáticamente el embrague (E1) y el freno (F2), dejando libres (F1 y E2), con lo cual el giro transmitido por el volante (4) a la corona (C1) (fig. inferior) se transmite integro a la bomba del embrague (P) por estar enclavados (A1 y B1) a través del embrague (E1). La bomba, en este caso, se mueve a la misma velocidad que el motor, arrastrando a la turbina (T) que da movimiento al planeta (A2) sin reducción alguna.
    El giro de este planetario (A2) mueve a los satélites (B2), que como en el caso anterior, al estar frenada la corona (C2), ruedan sobre ella comunicando el movimiento al árbol de transmisión de salida (3).
    La reducción de velocidad en este caso sólo se efectúa a través del tren de engranajes (II).

  • Tercera velocidad
    A la velocidad correspondiente para que entre la tercera velocidad, el mecanismo de mando hidráulico acciona el freno (F1) y el embrague (E2), dejando libres (F2 y E1). El giro del árbol motor (1), a través de la corona (C1), se transmite a los satélites (B1), por estar el planeta (A1) frenado y, a su vez, a la corona (C2) por la acción del embrague (E2).
    Por otro lado, el movimiento de los satélites (B1) se transmite a la bomba (P) del embrague hidráulico, que arrastra a la turbina (T) dando movimiento al planeta (A2). Al girar el planeta y la corona del tren (II) a la misma velocidad, se efectúa una acción de enclavamiento en el segundo tren de engranajes y sus satélites (B2) se desplazan a la misma velocidad que el conjunto, comunicando su movimiento al árbol de salida de transmisión (3).
    La reducción de velocidad en este caso, sólo se efectúa, por tanto, en el primer tren de engranajes.

  • Cuarta velocidad
    Con el vehículo circulando a la velocidad correspondiente para que entre la cuarta velocidad, los mecanismos de mando hidráulicos accionan los embragues (E1 y E2) dejando libres los frenos (F1 y F2). El giro motor que llega a la corona (C1) se transmite integro a la bomba (M), por estar enclavadas (A1 y B1) por el embrague (E1). Este giro motor se transmite a su vez integro a la corona (C2) del segundo tren de engranajes (II) por la acción del embrague (E2) y como el movimiento de la bomba (P) se transmite integro a través de la turbina (T) al planetario (A2), se produce el enclavamiento del segundo tren que arrastra a los satélites (B2) y al árbol de salida (3) en la caja de cambios a la misma velocidad del motor sin reducción alguna. Por lo tanto no hay reducción, se puede denominar a esta marcha "directa".

  • Marcha atrás
    Al accionar la palanca de cambios en posición de marcha atrás, se enclava mecánicamente la corona (C3) accionandose a su vez el freno (F1) y quedando libres (F2, E1 y E2). En esta posición, el giro del motor (1), a través de la corona (C1), se transmite a los satélites (B1) y a la bomba del embrague hidráulico (P), arrastrando a la turbina (T) que da movimiento (A2).
    El movimiento del planeta (A2) hace girar a los satélites (B2) que arrastran a la corona (C2) en sentido contrario y está, a su vez, al planeta (A3), que hace rodar los satélites (B3) sobre la corona (C3), que esta enclavada, en sentido contrario al giro motor. Como los satélites (B2 y B3) van unidos al árbol de transmisión, comunican el movimiento al mismo, con la reducción correspondiente a los trenes (I y II), pero en marcha atrás.


Características particulares de este tipo de caja de velocidades
Este modelo de caja automática presenta la particularidad de que el embrague hidráulico va colocado entre el 1º y 2º tren de engranajes, con lo cual, en 1ª y 3ª velocidad, la bomba funciona con una cierta reducción de giro a través de (B1). Esta circunstancia evita el arrastre del vehículo a ralentí, cuando está metida la primera velocidad, y mejora el rendimiento del embrague.
El par motor transmitido al árbol de salida se comunica por dos caminos; uno; a través de los engranes de los trenes, y el otro a través de la turbina al planetario del segundo tren, con lo que se consigue disminuir el resbalamiento del aceite en el y se mejora el rendimiento, sobre todo cuando, por calentamiento, se debilita la turbulencia formada.

Sistema de mando para el cambio automático
Hemos visto el funcionamiento del convertidor de par y de los trenes epicloidales, ahora veremos como funcionan los elementos que controlan el cambio de velocidades. El sistema de control del cambio automático en la caja de cambios Hidramatic está formado por un circuito hidráulico y una serie de elementos, situados en el interior del cárter de la caja de cambios, que realizan las operaciones de cambio automático para las distintas velocidades, sin que tenga que intervenir el conductor.

Hay dos elementos principales que se encargan de frenar uno o varios de los componentes del tren epicicloidal para conseguir las diferentes reducciones de velocidad. Estos elementos son: la cinta de freno y el embrague.

  • La cinta de freno: consiste en una cinta que rodea un tambor metálico. Este tambor puede estar fijado al piñón planeta tal como se muestra en la figura, o puede ser la superficie exterior de la corona de engrane interior. Cuando la cinta de freno esta aplicada, queda inmovilizado el piñón planeta y el engranaje epicicloidal actúa como un reductor de velocidad. La corona interior estará girando, pues esta montada sobre el eje de entrada. Esta disposición hacen que giren los piñones satélites, a la vez que circunden el piñón planeta, arrastrando consigo al portasatélites, el cual girara animado de una velocidad de rotación inferior a la de la corona interior.

  • El embrague: consiste en una serie de placas la mitad de las cuales están fijadas en el anillo exterior, llamado tambor de embrague que es solidario con el planeta y la otra mitad lo están al portasatélites. Cuando la presión del aceite aprieta entre si los dos juegos de placas del embrague, éste estará conectado. Cuando actúa el embrague diremos que el engranaje epicicloidal esta "bloqueado" ya que hacemos solidarios dos de sus componentes y el engranaje epicicloidal girara al completo sin ningún tipo de reducción.
    El aceite a presión que entra a través del tubo de aceite produce la aplicación o acoplamiento del embrague. El aceite a presión empuja hacia la izquierda al pistón anular dispuesto en el tambor del piñón planeta, de manera que las placas del embrague son apretadas las unas contra las otras, quedando así aplicado el embrague.
    En esta situación, el portasatélites y el piñón planeta son solidarios. El juego de engranaje epicicloidal esta ahora en transmisión o marcha directa.

El dispositivo de la figura superior es solo uno de los varios que se usan en las cajas de cambios automáticas. En algunas de éstas, cuando la cinta esta aplicada, permanece inmovilizada la corona interior o el portasatélites. Las diferentes cajas de cambio pueden, sin embargo, inmovilizar diferentes miembros conjuntamente cuando está aplicado el embrague. No obstante, en todas las cajas de cambios automáticas el principio es el mismo. Hay reducción de marcha cuando está aplicada la cinta y hay transmisión en directa cuando está aplicado al embrague.


Circuito de mando hidráulico

El sistema es gobernado por el pedal del acelerador (1) (figura inferior) y la velocidad del vehículo, seleccionando la marcha más adecuada de forma automática, sin que el conductor tenga que preocuparse del cambio de velocidades ni de accionar el embrague.
Estas cajas suelen llevar una palanca de cambios (2) con tres posiciones: una para la marcha atrás (MA): otra (Lo) para cuando el vehículo rueda por terreno malo o con trafico congestionado, en la que sólo se seleccionan las marchas más cortas; y la tercera posición (Dr) para el automatismo total en que se seleccionan todas las marchas hacia adelante en función de la velocidad del vehículo. El punto muerto se encuentra (N). Esta nomenclatura varía según los fabricantes del mecanismo.

Los elementos que componen este circuito de mando son los siguientes:

  • Cárter y bombas de aceite
    El fluido para el mando hidráulico es a base de aceite especial para este tipo de cajas de cambio y se aloja en el cárter (3) de la misma. Este aceite es utilizado para la lubricación de los engranajes, para llenar el embrague hidráulico o convertidor de par y para el circuito de mando.
    El aceite es distribuido en el circuito por dos bombas de engranajes (4 y 5), que aspiran el aceite del cárter y lo envían a presión a los elementos de mando a través de tuberías (a, b y c) de acero estirado en frío sin soldadura, capaces de soportar la presión con que circula el aceite por ellos.
    La bomba (4) recibe movimiento del árbol motor y realiza la lubricación de los mecanismos, el llenado del embrague hidráulico y suministra aceite con la suficiente presión al circuito de mando para accionar la primera velocidad.
    La bomba (5) recibe el movimiento del árbol de transmisión y añade su flujo de aceite al circuito de mando para el accionamiento del resto de las velocidades. Una válvula limitadora de presión mantiene constante la presión en el circuito a unos 6 kgf/cm2.

  • Corredera
    Este mecanismo de accionamiento mecánico (fig. inferior) consiste en una válvula corredera (6) accionada por una palanca (2) situada al alcance del conductor.
    En la posición (N) correspondiente al punto muerto, deja pasar la presión de aceite por la salida (a), dejando libres los frenos y embragues, con lo cual, los trenes giran en vacío sin transmitir movimiento alguno, cortando además el suministro de fluido al regulador centrífugo (7) y al distribuidor (8).
    En la posición (Dr), correspondiente al cambio automático (fig. inferior), la válvula deja pasar el aceite por las canalizaciones (b y c) hacia el regulador centrífugo (7) y al bombín del freno (11). La posición (Lo) da paso de aceite a un circuito de bloqueo en el distribuidor, de forma que sólo se seleccionan las velocidades más cortas.
    En la posición de marcha atrás (MA), se bloquea mecánicamente la corona del tercer tren y se deja paso de aceite para el funcionamiento del circuito en posición de marcha atrás.


  • Regulador centrífugo
    Este mecanismo (7) (fig. inferior) recibe movimiento en su eje (B) del árbol de transmisión, de la misma toma que la bomba de aceite (5). Está formado por un grueso plato (A) que recibe movimiento por su árbol (B). En el interior de este plato o volante centrífugo van montadas dos válvulas desplazables (V1 y V2) unidas a los contrapesos (C1 y C2) de distinto tamaño y peso que, por la acción centrífuga, se desplazan hacia afuera abriendo paso al aceite que llega por el conducto (c) hacia el distribuidor.
    La válvula (V1), por la acción del contrapeso (C1), se abre aproximadamente a las 1 300 r. p. m., dando paso al aceite con la presión suficiente para accionar la válvula (1-2) del distribuidor (8) y pasar de 1ª a 2ª velocidad. La válvula (V2), por la acción del contrapeso (C2), se abre a las 3 000 r. p. m., dejando pasar el aceite a mayor presión, que se suma al anterior para accionar las válvulas (2-3) y (3-4) del distribuidor, para los cambios de 3ª y 4ª velocidad.

  • Retardador
    Este elemento, señalado con la marca (10) en el conjunto general, consiste (fig. inferior) en una válvula accionada por el pedal acelerador que tiene la misión de aumentar la presión en la cara opuesta de las válvulas del distribuidor. Esta presión refuerza la acción de los muelles de las válvulas, consiguiendo que la presión mandada por el regulador sea mayor, para actuar los cambios de marcha. Con ello se consigue apurar más las velocidades, sobre todo en caso de pendientes, donde interesa mantener una velocidad más corta.

  • Distribuidor
    Este elemento (8) (fig. esquema principal) constituye el cerebro del mando automático y se compone de tres válvulas (1-2), (2-3) y (3-4) reguladas a distinta presión de funcionamiento, las cuales reciben el aceite a presión del regulador (7) en función de la velocidad del vehículo.
    Según la presión que llegue a las válvulas, actúa una u otra, mandando el aceite a presión a los mecanismos que actúan los frenos de cinta o embragues de los trenes epicicloidales.

  • Válvula de mando y bombines de accionamiento
    La válvula de mando (9) (fig. esquema principal) ejecuta las maniobras de cambio según reciba el aceite a presión por uno u otro lado de sus pistones. Los bombines de accionamiento (11, 12, 13 y 14) realizan las maniobras de apertura y cierre de las cintas de freno y embragues de acuerdo a la marcha seleccionada.

Funcionamiento del circuito
El funcionamiento del circuito en las correspondientes posiciones de la palanca de cambios, es el siguiente.

Punto muerto
Estando la palanca de cambios en la posición (N), el aceite suministrado por la bomba (4), ya que la (5) no recibe movimiento, pasa por la canalización (a) hacia el bombín de freno (12), venciendo la acción de su resorte y dejando libre al freno (F1). Como el freno (F1) y los embragues (E1 y E2) no reciben presión por estar cortado el circuito en la corredera (6), todos los elementos quedan liberados y, por tanto, los trenes giran en vacío sin transmitir movimiento.

Posición de cambio automático
Colocando la palanca en posición (Dr), se corta la presión de aceite en la canalización (a) y se da paso al circuito por (b y c); el sistema actúa de la siguiente forma:

  • Primera velocidad.
    Al cesar la presión en el canal (a), el bombín (12), por la acción de su resorte, cierra el freno de cinta (F2).
    La presión del canal (b) acciona el bombín (11) que cierra el freno (F1). La presión del canal (c) que llega al regulador (7) no tiene paso al distribuidor (8), ya que al girar a pocas revoluciones el volante del regulador, no actúan los contrapesos, impidiendo la apertura de las válvulas y, por tanto, el paso de aceite. En estas condiciones se tiene:



  • Segunda velocidad.
    Cuando el vehículo alcanza mayor velocidad, la transmisión mueve el regulador centrífugo (7) actuando la válvula (V1) y dejando pasar algo de aceite a las válvulas del distribuidor, cuya presión es suficiente para vencer el resorte de la válvula (1-2) (tara más pequeña), permaneciendo cerradas las demás.
    Esta válvula manda aceite a presión a la válvula de mando (9), pasando al bombín (13) que acciona el embrague (E1) y a la cara posterior del bombín (11) que, ayudado por el resorte, abre el freno (F1). Como los bombines de los elementos (E2 y F2) no reciben presión, estos permanecen en su estado de reposo; o sea:




  • Tercera velocidad
    Al aumentar más la velocidad del vehículo, la presión de aceite, por efecto de la bomba (5), es mayor y también lo es el paso del mismo por el regulador centrífugo (7), con lo cual aquella es capaz de vencer el resorte de la válvula (2-3) del distribuidor (8). La presión suministrada por esta válvula llega al bombín (11) abriéndolo y al (12) cerrándolo; llega también a la válvula (8), desplazando el pistón grande hacia la izquierda y, por tanto, cerrando el suministro de la válvula (1-2). Al quedar sin presión, el bombín (13), corta el paso de aceite al bombín (11) que, por la presión del conducto (b), cierra el freno (F1). En estas condiciones se tiene:




  • Cuarta velocidad
    A mayor velocidad del vehículo, el regulador (7) abre las dos válvulas mandando aceite con la suficiente presión para vencer el resorte de la válvula (3-4) del distribuidor (8).
    La presión de esta válvula llega a la válvula (9) desplazando sus pistones hacia la derecha, por ser este émbolo de mayor sección. Este desplazamiento deja libre el paso de aceite procedente de la válvula (1-2) que cierra el bombín (13) y abre el bombín (11).
    De la misma forma, el aceite procedente de la válvula (2-3), cierra el bombín (14) y abre el (12) con lo que resulta:



  • Marcha atrás
    Para efectuar la marcha atrás, se sitúa la palanca en posición (MA). De este modo se accionan mecánicamente unas palancas que producen el enclavamiento de la corona del tren (III), al mismo tiempo que la corredera (6) permite el paso del aceite por (a) y (b), obteniéndose:

Efecto del retardador
Se ha podido observar que el paso de una velocidad a otra se realiza siempre a velocidades determinadas del vehículo, lo que no resulta adecuado pues, a veces, se necesita una velocidad más corta con el motor más acelerado (pendientes, arranque, aceleraciones, etc.).
Esto se consigue con el retardador (10), movido por el pedal acelerador, que manda aceite a menor o mayor presión según su recorrido al lado opuesto de las válvulas del distribuidor, con lo cual, el aceite suministrado por el regulador, necesitará mayor presión para accionar estas válvulas, o lo que es lo mismo, mayor velocidad del vehículo para conseguir el mismo efecto. De esta forma se consigue apurar más los cambios, actuando sobre el pedal acelerador y retardador.

Selección de marchas cortas
Generalmente, estas cajas de cambio llevan una posición de la palanca de cambios (Lo), con la que se efectúa un enclavamiento de la válvula (2-3), impidiendo el paso a la 3ª velocidad. En estas condiciones el vehículo circula solamente en 1ª y 2ª velocidad. Esta posición se selecciona para circular con tráfico muy intenso o cuando las pendientes a subir o bajar son muy pronunciadas.

En la figura inferior tenemos un esquema se un sistema hidráulico de control de la cinta de freno y embrague de un tren epicicloidal que no es exactamente igual al estudiado hasta ahora pero si muy parecido. En este sistema, normalmente, en reposo la cinta de freno esta aplicada y el embrague en posición de desacoplado, con lo cual se produce una reducción de velocidad. Pero cuando la "válvula de mando" se desplaza, el aceite a presión procedente de la bomba se introduce por la parte anterior del pistón que acciona la cinta de freno, asi como en el pistón del embrague. Esto hace que la cinta de freno se afloje y que se accione el embrague. En este momento el embrague bloquea simultáneamente dos elementos del sistema epicicloidal funcionando como un acoplamiento directo.


Constitución



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.

Caja de cambios automática

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:

Caja de cambios automática

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.

Caja de cambios automática

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:

Situaciones

1

2

3

4

5

6

Corona

D

T

H

H

T

D

Soporte

T

D

D

T

H

H

Planetario

H

H

T

D

D

T

Velocidad

I

L

L

I

I/R

L/R

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:

  • Sistema de creación de presión: la bomba suministra presión a todos los mando hidráulicos y al embrague.

  • Válvula de regulación de presión: la válvula reguladora de presión controla la presión principal a un valor que depende de la apertura de la mariposa del carburador. Esta válvula centrífuga regula en función de la velocidad del vehículo el cambio en ambos sentidos (Kick-Down).

  • Válvula de control del circuito: Esta válvula manual permite introducir las diferentes velocidades a voluntad del conductor, válvula de paso de 1ª a 2ª y 2ª a 1ª, y válvula de paso de 2ª a 3ª y de 3ª a 2ª.

  • Embragues, servos y acumuladores de presión: los dos embragues y los dos servos son desplazados hidraúlicamente para accionar los embragues y apretar las bandas.

  • 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.

    velocidad:

    Elemento Motor: planetario P1.

    Elemento Reacción: portasatélites.

    Elemento Salida: Corona.

    Relación: 2,71:1

    velocidad:

    Elemento Motor: planetario P1.

    Elemento Reacción: planetario P2.

    Elemento Salida: Corona

    Relación: 1,65:1

    velocidad:

    Elemento Motor: planetario P1y P2.

    Elemento Reacción: planetario P1y P2.

    Elemento Salida: Corona

    Relación: 1:1

    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.


    Intervención del conductor

    Sin intervención del conductor







    - Pisar acelerador a fondo y soltar (Kick-down).

    Por disminuir la velocidad del vehículo.



    - Pisar a fondo (acelerar).




    - Actuando en la palanca, cambia siempre que sea posible.




    - Acelerador levantado del todo.



    - Principio de funcionamiento:

    Se resume esquemáticamente de la siguiente manera


    Ruedas


    motor


    conductor



    !


    !


    !



    Velocidad


    r.p.m.


    acelerador



    !


    !


    !



    Gama de marchas seleccionada

    !

    Selección de la mejor marcha en función de las r.p.m.

    !

    Paso a la marcha superior o inferior





    !







    Marcha acoplada