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Historia de las Cajas AutomáticasJonathan Samuel Vélez Salazar

Universidad de las Fuerzas Armada, Latacunga – Ecuadorjvelez91@hotmail.com

Resumen – El objetivo de este documento es para brindar información y crear un precedente sobre el estudio de la Historia de las cajas Automáticas.Además de que esta guía servirá para brindar ayuda sobre la investigación y evoluciones a las cuales se han sometido este tipo de cajas a través de la historia.

Abstract – The purpose of this document is to provide information and create a precedent for the study of the History of Automatic boxes. Besides that this guide will serve to provide help on a research and developments which have undergone this type of boxes throughout history.

Palabras claves – Cajas automáticas, Historia de las cajas automáticas, Caja de cambios secuencial, Tipos de cajas de cambios.

Keywords – Cajas automáticas, Historia de las cajas automáticas, Caja de cambios secuencial, Tipos de cajas de cambios.

I. INTRODUCCIÓN

Una transmisión automática es una caja de vehículos o también puede ser de otra clase de vehículos que es la encargada de realizar autónomamente las relaciones presentes al momento del cambio de marcha, ayudando así al conductor a realizar dicha acción y permitiendo que el mismo preste más atención a la vía el momento de conducir.

Este tipo de cajas también son utilizadas en una industria mucho más grande, es decir, se las utiliza para locomotoras a Diésel y maquinarias o equipos pesados como los que se utiliza en las obras públicas.Además de ser muy eficientes a la hora de transmitir un par muy elevado. Normalmente las desmultiplicaciones no se obtienen con engranajes paralelos, como en los cambios manuales, sino con engranajes epicicloidales.

Mediante unos dispositivos de mando hidráulico adecuado se inmoviliza selectivamente uno o más de los componentes de dichos trenes epicicloidales, denominados también engranajes planetarios.

El tipo de cajas de transmisión automática que más frecuentemente se puede ver en un vehiculo es la que trabaja hidráulicamente, usando un acoplamiento fluido o convertidor de par y un conjunto de engranajes planetarios para proporcionar una multiplicación del par.

II. FUNCIONAMIENTO

En una caja automática, el movimiento generado por el motor se transmite a la caja por un convertidor, que está compuesto, básicamente, por dos turbinas alojadas en un compartimento estanco lleno de aceite mineral. Así, es el aceite el que transmite la potencia, de modo que no hay fricción, tal como sucede con las cajas manuales. La gestión de las relaciones la realiza un distribuidor hidráulico, que maneja la repartición de presión para comandar los diferentes elementos.

Ilustración 1 TURBINAS Y CATATOR DE UN CONVERTIDOR

El convertidor de par consta de una bomba y una turbina (que recibe el aceite). La bomba lanza el fluido con una determinada fuerza y la turbina recibe de la bomba gran parte de la fuerza mecánica del mismo, alrededor de un 90%, siendo ese porcentaje incluso del 100% cuando el convertidor dispone de un "embrague de convertidor" o "puenteo" hidromecánico.

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Ilustración 2 CAJA AUTOMATICA SECCIONADA

En la última época los fabricantes han empezado a vender transmisiones variables y esto no es más que el cambio de relaciones de modo continuo en lugar de una serie limitada de relaciones. En otras palabras, este tipo de cajas pueden hacer que las desmultiplicaciones dentro de las mismas sean casi ilimitadas, mejorando de esta manera la performance de vehiculo aprovechando de una mejor manera las revoluciones del motor. A pesar de que los prototipos de estos sistemas de transmisión (denominados genéricamente CVT = Continuously Variable Transmission) existen desde hace décadas, es ahora cuando están alcanzando la viabilidad comercial.

Este tipo de transmisión deriva de la transmisión de fricción de las primeras décadas del siglo XX. El desarrollo reciente se originó en un diseño de NSK en la década de 1980. Posteriormente se añadió Nissan, que junto a NSK y una importante compañía de lubricantes japonesa lograron resultados satisfactorios. Se la denomina también transmisión toroidal. (S.G.M.)

III. TIPOS DE CAJAS

Además de la caja automática que conocemos, hay tres tipos de sistemas.

Robotizada: Es una alternativa de la caja mecánica común, en este tipo de cajas la acción de desembragar y cambiar la relación interna de la caja es realizada de manera electrónica. Como es una variación de la caja automática normal de igual manera el tipo robotizado no posee pedal de embrague y la palanca de cambios no tiene relación mecánica con la caja.

Doble embrague: Es muy similar a la robotizada, la diferencia es que cuenta con dos embragues como su nombre lo dice, cada uno vinculado con un árbol. Un embrague es utilizado para las relaciones impares -1ª, 3ª y 5ª- y el otro para los pares -2ª, 4ª, 6ª y marcha atrás. Sensores colocados en el árbol permiten determinar cuál es la velocidad, tomando en cuenta el régimen de rotación del árbol.

Variación continua: Son las cajas más antiguas ya que existen desde la existencia del automóvil, y

funciona según el mismo principio de variación del ciclomotor, con dos discos unidos entre ellos por una correa metálica.

Todos los tipos de cajas automáticas tienen un solo eje donde trabajan o se encuentran el convertidor, bomba, tambores, planetarios, embragues unidireccionales y gobernadora.

Hay dos tipos de transmisión: lineal y puente. La lineal es la que realiza el movimiento directamente hacia un cardán y este se conecta con el diferencial trasero.La de puente no pasa por ningún cardán sino que va el movimiento hacia los semiejes, dado que son tracción delantera. En este último caso, se pueden combinar con distintos tipos de accionamiento para los casos de tracción integral.

Ilustración 3 CAJA DE CAMBIOS CON SHIFTERS

IV. PROS Y CONTRAS DE LAS CAJAS AUTOMATICAS

Hasta el día de hoy se ha debatido sobre las ventajas o desventajas de tener un vehiculo con caja de transmisión automática. En Europa, por ejemplo, su uso es muy bajo; los países con más cajas automáticas son Suiza, con un 20%, Suecia y Noruega, con un 14%, y Gran Bretaña, con un 10%. En los Estados Unidos, por el contrario, el 90% de los coches producidos tienen caja automática, y en Asia están cerca de esa cifra. En los países Europeos consideran que las cajas automáticas son para personas de una edad avanzada y también para la gente que no sabe conducir de buena manera, pero afortunadamente este prejuicio ha ido disminuyendo poco a poco.

Existe otra ideología de que las cajas automáticas desperdician revoluciones y por lo tanto torque del motor, algo que es verdad ya que no se puede elevar un motor a altas revoluciones para ganar más velocidad sino que al contrario estas cajas hacen el cambio de marcha a un cierto régimen de

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revoluciones. Para remediar este problema, los fabricantes agregan cada vez más un lock-up al convertidor, un sistema que, en determinadas velocidades, solidariza parcial o totalmente la turbina con el impulsor.

Entre las ventajas de este tipo de cajas esta la tranquilidad y facilidad de manejo y un cambio suave y progresivo de las marchas lo que aumenta la vida útil del motor al no sobre revolucionarlo, además el que no tenga embrague lo hace idóneo para el manejo en la ciudad. (Cajas Automática)

V. HISTORIA

El convertidor hidráulico del par motor y el dispositivo de cambio de velocidades epicíclico son los sistemas básicos de control de todas las cajas automáticas actuales. Estos dos elementos principales, no se fraguaron precisamente para el caso de las cajas automáticas sino fueron desarrollados por separado y no se encontraron juntos sino muchos años después.

En 1889, Fred Lanchester, tenía varias teorías sobres aerodinámica que han ayudado en el campo automotriz, después de investigar sobres este tema también se involucró en el campo de las cajas automáticas, empezando primeramente por revisar los engranajes epicíclicos y en 1902 el mismo fue el que lo adapto a su primer vehiculo.

Utilizó este sistema debido a que encontró mejoras sustanciales con respecto al cambio de marcha que se realiza en un vehiculo mecánico, dado que para este tipo de engranajes trabados en forma regular y constante, no era necesario dispositivo alguno para el desplazamiento entre un engranaje y otro y tampoco embrague de uñas para el cambio de velocidad.

Ilustración 4 EMBRAGUE

La transmisión del par motor puede continuar su movimiento durante el cambio de piñón, ya que los dientes quedan distribuidos sobre varios piñones, y no solamente sobre un par, realizando un movimiento rotativo gradual que minimiza el ruido producido por el cambio de tamaño de piñón y evita el desgaste de los mismos por fricciones inadecuadas.

Una vez introducido este sistema por Lanchester, otros se atrevieron a probar. Fue así, como Henry Ford lo utilizó para su Modelo T, de dos cambios y marcha atrás entre 1908 y 1927, sistema que mostró todas sus bondades en más de 15 millones de unidades de su célebre modelo T.

Pero en realidad la primera persona que se interesó y profundizo mucho más el estudio de este tipo de cajas y lo introdujo en serie o en la mayoría de los vehículos fue Walter G. Wilson quien desarrolló una transmisión epicíclica y este fue el comienzo de la primera caja que tenía una palanca en donde se podía escoger previamente los cambios de sentido, detención o neutral, esta caja tenía un pedal como lo más peculiar de ese tiempo y las marchas se cambiaban al presionar el mismo. Este hombre que nació en 1874, trabajó a principios de siglo en los coches Wilson-Pilcher y Armstrong Withworth, el camión Hollford y el tanque WWI

Ilustración 5 WALTER G. WILSON

Wilson se mantuvo interesado en este tema y con ayuda de más estudios de diseño elaboro una transmisión epicíclica hasta llegar a caracterizar el sistema de engranajes, del Wilson-Pilcher en 1904.

En sus primeros pasos estuvo en el ejército pero en 1919 ingresó a la Beardmore, aquí desarrollo una mejora del sistema epicíclico tradicional al que lo denomino como sistema epicíclico compuesto, la mejoría se encuentra en que este utiliza un tren de engranajes y el acople de varios

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elementos adyacentes. Esto ayudó a Wilson a dar el siguiente paso, que fue la caja de cambios que lleva su nombre, el cual constaba únicamente de tres velocidades hacia adelante y una reversa, Esta caja estaba constituida por cuatro conjuntos epicíclicos y operación mecánica de los frenos de cinta sobre los engranajes anulares.

En 1928, Wilson saca por primera vez la luz su invento, presentándolo con su mecanismo preselector ya incorporado, el primer vehiculo incorporaba esta palanca bajo el timón, por medio de la palanca el conductor podía poner la marcha siguiente siempre y cuando presionen el pedal del embrague, y este mismo mecanismo se ha mantenido hasta el día de hoy.

Ilustración 6 PRIMERA PALANCA PRESELECTORA

El sistema de Wilson, lo tomaron como punto de partida otros diseñadores como es el caso de Armstrong Siddeley. Pero no se tuvo en cuenta que el sistema era auxiliado por la acción de los frenos de cinta sobre los engranajes anulares, y el inicio de la marcha desde cero, tanto en primera velocidad como en reversa, producía un sobresalto del vehículo y un consecuente desgaste acelerado de las cintas.

Ilustración 7 ARMSTRONG SIDDELEY

La solución que pudieron encontrar era la utilización de la combinación del cambio mecánico e hidráulico. Hermann Fottinger ya lo había diseñado y construido en 1905 y esa es conocido como la primera caja que incorporaba mando hidráulicos y que tenía dispositivos hidrocinético en donde el fluido se mueve para realizar su función. Durante este tiempo Fottinger trabajaba para la compañía Vulcan, en donde desarrollo su diseño de anillos huecos de sección semicircular, dentro de los cuales, el fluido circula a modo de sacacorchos, en un movimiento de forma en espiral.

Para comienzos del año 1926, aparece otro diseñador, Harold Sinclair quien comenzó a probar o experimentar la utilización del acoplamiento mencionado anteriormente pero al principio solo lo hizo en buses, esto fue porque buscaba procurar a los pasajeros de este servicio, para que puedan tener un viaje seguro y un poco menos tortuoso, especialmente para aquellos que viajaban de pie. Sus resultados fueron muy satisfactorios. De esta forma, sus trabajos fueron conocidos por la compañía Daimler que además de fabricar autobuses construía automóviles.

Entonces Daimler, bajo la supervisión del Ingeniero Percy Martin, realizo algo que no se había hecho antes, combinó los conceptos de diseño que tenía las cajas cambios de Wilson con el dispositivo hidráulico de Fottinger, y a pesar de ser una caja hibrida tuvo un excelente resultado presentado en 1930: el Double Six, dotado de caja de cambios con preselector y embrague hidráulico para transmitir la tracción. Daimler llamó a este sistema “volante de fluido”.

Ilustración 8 DAIMLER DOUBLE SIX

Pronto se extendió su uso en toda la gama Daimler y en los modelos fabricados por las subsidiarias de Lanchester y BSA. Posteriormente, la continuación en la investigación de las cajas llevaron al descubrimiento de un tercer elemento

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que posiblemente es el que revolucionó el diseño de las cajas de cambios: el reactor, que aunque ya se había experimentado con él desde los años 20, Allan Coates propuso en 1924 uno que funcionara como dispositivo multiplicador y es aquí en donde nació los primeros pasos del convertidor de par y como acoplamiento hidráulico. Fottinger también dedicó mucho tiempo a la investigación de convertidores de par y en 1927 diseño una caja de cambios muy avanzada, pero lastimosamente el proyecto no tuvo muchos seguidores debido al costo elevado que esta caja tenía. Pero a pesar de este declive de uso que tuvo la caja de cambios con convertidor de par las investigaciones continuaron, y General Motors a finales de la década de los 30 y tras haber investigado los diseños que se realizaron en todo el mundo muestra su sistema de “cambio rápido”, introducido en el Oldsmobile en 1938 y algún tiempo después en los modelos Buick y Cadillac.

Ilustración 9 VOLANTE DE UN FERRARI CON CAJA DE CAMBIOS SECUENCIAL

Posteriormente vino el primer cambio automático Hydramatic, instalado en los Oldsmobile de 1940. Tenía acoplamiento hidráulico, sin convertidor de par y 4 velocidades. En los años subsiguientes este sistema se siguió utilizando y sus variaciones fueron escasas.

Debido a la demanda de vehículos con mucha más potencia, a fínales de la segunda Guerra Mundial, se construyeron convertidores de pa con una gran tecnología, que a la larga mostraron una eficacia mermada, que llevó a buscar más eficiencia y menos complejidad.

Aunque ha existido un cambio abismal en los procesos tecnológicos y los de ahora, las cajas solo han sido resultado de la evolución, ya que solo han cambiado los métodos de acoplamiento que han pasado por mecanismos mecánicos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos.

En la actualidad, gracias a los desarrollos en la electrónica, se puede contar con cajas automáticas secuenciales, que permiten realizar con gran facilidad múltiples variaciones entre las marchas, logrando un comportamiento muy destacado en cualquier vehículo y muy cercano al de un modelo dotado de transmisión manual.

lustración 10 CAJA DE CAMBIOS

Lo que sí es absolutamente claro, es que el sistema de caja automática es lo mejor que puede tener cualquier conductor que aprecie el manejar un vehículo de verdad, y les aseguró, que miente o no tiene la menor idea de lo que es conducir un vehículo, aquel que una vez haber disfrutado de conducir un vehículo automático, prefiere uno mecánico. (Cajas automaticas)

VI. CONCLUSIONES

Como conclusión podemos decir que las cajas de cambios es una de las partes más fundamentales que tiene un vehiculo, ya que sin ellas no se podría transferir la potencia desde el motor hacia los neumáticos.

A pesar de que con el pasar de los años se han implementado una gran variedad de acoplamientos de las cajas siempre va existir una discusión sobre cuál es el mejor accionamiento si el mecánico o el automático, lo que sí es verdad es que ambos sistemas cumplen perfectamente la función para los cuales fueron diseñados.

En las cajas automáticas existen pros y contras que pueden ayudar al comprador de un vehiculo a elegir el accionamiento de cambio de marchas que prefieran, lo que si se debe tener muy en cuenta es que con un buen cuidado y una excelente conducción cualquiera de estos tipos de cajas tendrán un perfecto performance.

Es muy interesante conocer cuáles fueron los primero pasos de las cajas de cambios, ya que de esta manera se conoce un poco mejor como fueron diseñados en un principio y como ha sido la evolución durante estos años, en donde se puede constatar que los procesos y materiales de construcción han mejorado notablemente haciendo que la conducción sea lo más cómoda posible y ayudando al conductor a prestar más atención al camino.

VII. BIBLIOGRAFIA

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Cajas Automática. (s.f.). Obtenido de http://www.cajas-automaticas.com/cajas-automaticas-mecanica-informacion.html

Cajas automaticas, H. y. (s.f.). Obtenido de http://www.taringa.net/posts/autos-motos/12666241/Cajas-Automaticas-Historia-y-Bondades.html

S.G.M., M. (s.f.). Obtenido de http://mundosgm.com/alemanes/el-carro-panzer-iv/

VIII. TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 TURBINAS Y CATATOR DE UN CONVERTIDOR 1Ilustración 2 CAJA AUTOMATICA SECCIONADA_____1Ilustración 3 CAJA DE CAMBIOS CON SHIFTERS_____2Ilustración 4 EMBRAGUE______________________3Ilustración 5 WALTER G. WILSON_______________3Ilustración 6 PRIMERA PALANCA PRESELECTORA___4Ilustración 7 ARMSTRONG SIDDELEY_____________4Ilustración 8 DAIMLER DOUBLE SIX______________4Ilustración 9 VOLANTE DE UN FERRARI CON CAJA DE CAMBIOS SECUENCIAL 5Ilustración 10 CAJA DE CAMBIOS________________5

IX. CONTENIDOS

Resumen _________________________________________ 1I. INTRODUCCIÓN______________________________1

II. FUNCIONAMIENTO___________________________1

III. TIPOS DE CAJAS___________________________2

IV. PROS Y CONTRAS DE LAS CAJAS AUTOMATICAS 2

V. HISTORIA____________________________________3

VI. CONCLUSIONES___________________________5

VII. BIBLIOGRAFIA____________________________5

VIII. TABLA DE ILUSTRACIONES________________6