martes, 17 de diciembre de 2013

CAJA DE CAMBIOS EN F1. PARTE 2: CÓMO FUNCIONAN


Bueno amigos, si hace algunos días empezamos a conocer algunos conceptos básicos sobre el maravillosos mundo de las cajas de cambio hoy vamos a ir profundizando poco a poco en el conocimiento de sus partes y su funcionamiento.
Los coches de F1 usan una transmisión muy convencional, pero adoptan sistemas de control muy avanzadas para su funcionamiento. La mayoría de las piezas, en mayor o menor medida son iguales a las que pueda  tener cualquiera de nuestros coches de calle pero hay otras que son muy sofisticadas y casi nada se sabe de ellas. Estoy hablando de los sincronizadores, el gran secreto de cada equipo. Pero eso lo veremos luego. Pues nada, abróchense el cinturón que nos ponemos en marcha de nuevo.
En esencia, las transmisiones en la F1 usan un embrague, un cambio manual de siete a ocho velocidades a partir del 2014, que transfiere la potencia del motor a las ruedas traseras a través de un diferencial. La reducción de peso es crítica en estos componentes, ya que es un porcentaje bastante alto del  peso total del coche y sobre todo es importante por su ubicación. Al estar tan atrás altera mucho el centro de gravedad del coche, de ahí que todos trabajen para reducir al máximo su peso.
Ahora vamos a adentrarnos enla caja de cambios para ver sus partes. Hay varios tipos dependiendo de su estructura y funcionamiento. Las hay de dos o tres ejes, automáticos, etc. pero nos vamos a centrar en los utilizados en la máxima competición del motor. Desde la introducción por parte de Ferrari de la caja de cambios semi automática y el posterior desarrollo de Williams de la caja automática semi secuencial, el sistema de control y de gestión  del accionamiento hidráulico que realiza la sincronización de la caja de cambios se ha convertido en algo tan importante como la mecánica. El término semi automática no se debe confundir con los sistemas automáticos utilizados en los coches de calle donde es el ordenador de a bordo quien realiza todos los cambios de marcha sin la necesidad de que el conductor intervenga para nada. En un F1, el piloto realiza la selección de marchas. Esto se hace manualmente pero la realización del cambio es administrado de manera automática por la electrónica y la hidráulica. 
Voy a describir sus partes y si tengo tiempo, su funcionamiento.

Embragues 

Embrague de un F1.
El embrague de un F1 es una pequeña pieza de ingeniería que completa un trabajo increíble de transmitir los 800 caballos de fuerza del tren de potencia a través de la caja de cambios. Con un peso inferior a 1,3 kg y sólo 97 mm de diámetro, el pequeño embrague es torturado cada vez que el piloto lo acciona para comenzar la carrera, en paradas en boxes o salir del garaje. Está montado en la caja de cambios y su función es separa el motor de la transmisión. Se activa únicamente bajo el control del piloto a través de las levas del volante. El encargado de activarlo es el sistema principal de control hidráulico coches.

Está prohibido el uso de ningún sistema electrónico que lo active. Bueno, matizo, hay uno que si está permitido. La única vez que el embrague no es controlado por el piloto y sí por la electrónica que actúa sobre el sistema de control hidráulico es cuando el coche detecta una pérdida de sustentación. Veamos un ejemplo, cuando un coche tiene un incidente en pista y  sus revoluciones son demasiado bajas, antes de que se cale la ECU detecta la caída de revoluciones y activa el sistema antibloqueo. Este sistema es legal. El piloto tiene que reiniciar el sistema con el fin de recuperar el control del embrague. Es tan efectivo que rara vez vemos un coche retirado porque se le ha parado el motor.
En detalle, el embrague se compone  pocos componentes. Usan placas de carbono-carbono, que le permite bien soportar el calor creado a partir de los cambios de marcha y la marcha del coche. Estas superficies de fricción se sitúan dentro de una cesta que las contiene y son las encargadas de producir una fuerza de cierre lo suficientemente alta para asegurar que la potencia del motor se transmite sin deslizamiento. Como vemos, el embrague está desactivado el 99.9% del tiempo, es decir, que sus discos están unidos entre si permitiendo que la transmisión este conectada. Utilizando el ejemplo del artículo anterior, la bombilla está encendida. Recordar que  cuando se pulsa la leva es cuando se activa el embrague y se separan sus discos (luz apagada). Por tanto es fundamental que trabaje bien cuando esta desactivado y de ello se encarga la zona de  placas de carbono y la rigidez del resorte del embrague. Para conseguir un funcionamiento óptimo  se requieren muchas placas o que placas sean más grandes para asegurar el embrague puede soportar las cargas sin muelles que sean excesivamente pesados.


Si la fuerza de sujeción es crítica, su tamaño no lo es menos. El tamaño del embragues  dictar la altura del eje del cigüeñal, y por tanto del motor. Antiguamente, reducido su tamaño ayudaba a los diseñadores de motores a poder bajar la altura del motor lo máximo posible, siempre que el cigüeñal se lo permita. Ahora la altura del cigüeñal F1 está ahora establecido por las normas en 56mm, ya no son necesarios los embragues demasiado pequeños aunque siempre contará con un peso menos en general. Inconvenientes de su tamaño. Como se genera una enorme cantidad de fricción dentro de un espacio tan pequeño hace que el calor sea el gran problema de su diseño. Los discos llegan a alcanzar los 900ºC.
Bueno, una vez repasado el embrague, seguimos con el resto de los componentes. Ahora vamos a adentrarnos dentro de la caja de cambios para ver sus partes. Hay varios tipos dependiendo de su estructura y funcionamiento. Los hay de dos o tres ejes, automáticos, secuenciales, etc. pero nos vamos a centrar en los utilizados en la máxima competición del motor.  En un F1 el tren de engranajes se encuentra en un eje longitudinal entre el embrague y el diferencial. Se hace así ya que le hace más delgado y eso beneficia a la aerodinámica. La caja es secuencial y está constituido por dos ejes un eje primario recibe el par del motor y lo transmite de forma directa a uno secundario de salida de par que acciona el grupo diferencial. Se llama así porque hay que seleccionar las marchas una a una, de modo secuencial, y no se puede saltar de una a cualquier otra como en los coches de calle.Veamos sus partes detenidamente.   



Árbol o eje primario. Es el eje que se conecta con el embrague. Mantiene la misma velocidad y sentido de giro que el motor. A dicho eje se acoplan una serie de engranajes fijos, es decir, están “soldados”. A estas piezas también se las llamadas piñones de arrastre varían de tamaño para coincidir con los que se sitúan en el secundario. Son fijos ya que a medida que el eje gira, también lo hacen todos los engranajes. El dentado es helicoidal ya que presenta la ventaja de que la transmisión de par se realiza a través de dos dientes simultáneamente en lugar de uno como ocurre con el dentado recto tradicional siendo además la longitud de engrane y la capacidad de carga mayor. Esta mayor suavidad en la transmisión de esfuerzo entre piñones se traduce en un menor ruido global de la caja de cambios. En la marcha atrás se pueden utilizar piñones de dentado recto ya que a pesar de soportar peor la carga su utilización es menor. Si la caja es de siete velocidades, tendrá ese número de engranajes.

Árbol o eje secundario. Este eje y está encargado de conducir el giro transmitido por el eje primario al diferencial. Es el más complejo de los dos. Consta del mismo número de engranajes que el primario pero en este caso hay una gran diferencia. Si decía antes que los engranajes estaban fijos, es decir, giraban cuando el eje giraba, los que monta el secundario están sueltos en el árbol gracias a unos cojinetes. De esta forma, yo puedo hacerlos girar pero el eje no lo hará. A este tipo de engranajes también se les llama engranajes o piñones locos. Un ejemplo. Cuando tenemos el coche en la posición de punto muerto, el motor hace girar todos los engranajes del eje primario, y éstos, por contacto hace que giren todos los piñones locos, pero el coche no se mueve. Pero si están sueltos ¿Cómo transmiten la fuerza de giro al eje secundario? De eso se encarga la joya de la corona, el sincronizador.

Sincronizador. Todos los sincronizadores tienen dos funciones principales. La primera es igualar la velocidad del engranaje a la velocidad del eje tal que la conexión pueda realizarse. Normalmente suelen utilizan fricción para sincronizar las partes en contacto pero no es el único.
Para conseguir que el eje secundario gire junto con el motor es necesario que un sincronizador se engrane a un  piñón locos. Esa es su segunda función principal. Este acople se consigue mediante el uso de cubos sincronizadores. Por un lado, los piñones locos presentan en los laterales un elemento que les permitirán unirse al sincronizador que también tiene el suyo propio. Los hay de muchas formas pero suelen ser del tipo macho-hembra o de conos. Pueden ser oquedades, anillos estriados, conos con estrías, etc. dependiendo de la complejidad. Lo veremos posteriormente pero os dejo una imagen que aclara el concepto. Este sería el sistema más simple.

Los pernos del sincronizador (recuadro azul) encajan en las aberturas del piñón loco.


Partes del sincronizador:
Eje secundario estriado. Pieza amarilla, sincronizador.
Estas piezas tienen unos dientes estriados que coinciden con los montados en el eje. Por tanto, si hago girar el cubo sincronizador, giraría el eje. Pero ¿quién le puede transmitir par de giro al sincronizador? Pues "fácil", un piñón loco. Como he dicho antes, los hay de muchos tipos. Los usado en la F1 son un total misterio. Cada equipo cuenta con el suyo propio y son secretos de estado, pudiendo asimilarse al que veremos a continuación que es de doble sincronización, pero ya os digo, no hay nada seguro.
Sobre este cubo estriado situado en el eje secundario,  se monta una corona desplazable, que también es estriada y dos anillos sincronizadores, uno a cada lado. Estas son las piezas clave del sistema ya que son los anillos los que se acoplan a los piñones locos. Pero tanta palabra rara despista al más pintado. Con una buena foto se ve fácilmente.

Toda esta pieza puede moverse lateralmente sobre el eje, tanto a izquierda como a derecha. Cuando la corona del sincronizador se desplaza  a uno y otro lado se produce el engrane de su estriado interior con el de los anillos sincronizadores, y posteriormente con el piñón correspondiente a la velocidad seleccionada. Antes de lograrse el engrane total se produce un frotamiento entre el anillo sincronizador y el cono del piñón que hace que ambos ejes igualen su velocidad de giro entre ambos ejes. Una vez logrado el engrane total se transmite el movimiento desde el piñón al cubo sincronizador, y de éste al eje secundario.
Lo difícil de este sistema es conseguir que la velocidad de giro del piñón loco coincida con el del anillo sincronizador para poder engranar la marcha. 

Otro ejemplo de sincronizador de última generación.
Bien, ya sabemos cómo se conecta el sincronizador a un piñón loco pero aún queda por conocer un elemento, el eje selector de marchas.

¿Qué es el eje o tambor selector de marchas?

Es una pieza muy simple. Como vimos antes el cubo de sincronización se puede desplazar a un lado u otro del eje secundario. Pues bien, el selector de marcha es el encargado de hacer que el cubo se mueva en la dirección correcta dependiendo de la marcha engranada. El eje que tiene labrado en su superficie unos canales. Los cubos de sincro están acoplado a una horquilla que se une a otro eje que se sitúa paralelo al eje selector de marchas.
De la cabeza de la horquilla sobresale un pequeño perno que encaja con el canal situado en el selector esos canales como vemos en la imagen lateral.

El mecanismo es muy sencillo. Si giramos el eje selector produciremos un desplazamiento de la horquilla y por consiguiente, del sincronizador.   

Bueno, pues ya lo tenemos todo. Ahora vemos como se realiza todo el proceso del cambio de marchas.

CAMBIO DE MARCHAS.
Una vez que tenemos cual es la función de cada pieza resulta más fácil la explicación. Vamos a ver como se realiza el cambio en un coche de calle y luego lo haré con un F1.
Partimos de la posición de punto muerto. El piloto acciona el embrague y acciona la palanca de marchas para poner la primera. El eje selector gira y desplaza el sincronizador para acoplarlo con el piñón loco de primera velocidad.. El piloto suelta el embrague y la transmisión se acopla y empieza a girar el eje primario cuando se inicia la aceleración.

Para engranar la segunda, hay que volver a pisar el embrague para cortar la transmisión y levantar el pie del acelerador para bajar las revoluciones del motor. Cuando desengranamos la primera para poner la segunda, el tambor selector gira de nuevo haciendo que el sincronizador se separe del piñón anterior, se ponga en punto muerto y se desplace hacia el lado contrario para acoplarse con el de segunda velocidad. El conductor suelta el embrague, acelera y listo. Así sucesivamente con el resto de velocidades. El sistema es igual siempre.

Bien, en F1 el sistema es parecido pero en esta ocasión el embrague es la gran diferencia. Como en el caso anterior, la potencia tiene que ser interrumpida mientras que el anillo del sincronizador se desacopla de un conjunto de engranajes y para unirse con el siguiente gracias al embrague (solo en las ocasiones antes mencionadas) y a la retirada el acelerador. En un F1, la electrónica es la encargada de cortar brevemente el encendido. 
Cuando el piloto quiere seleccionar una nueva marcha (arriba o abajo), suceden dos cosas a la vez. Por un lado se realiza la selección de la nueva velocidad  y por otro la deselección del engranajes anterior. La electrónica y los ordenadores de a bordo que controlan las cajas de cambios de competición pueden predecir cuál será la próxima selección gracias a los datos procedentes de la aceleración, revoluciones del motor, las ruedas, etc.  y llevar a cabo algunos de los cálculos con antelación y preparar el sistema para la siguiente acción. ¿Quién se encarga de todo? El cerebro del F1, la ECU. Un error de cálculo pequeño y el equipo podría tener un problema.



Cuando el piloto decide utilizar otra marcha, el sistema electrónico ya tiene decidido el calendario del tambor selector y el accionamiento del embrague, junto con el corte del encendido para cambios ascendentes y lo contrario, el aumento de revoluciones para el descendente. Esto asegura que la secuencia necesaria para introducir la siguiente marcha sea la correcta para la velocidad de giro del motor y evitar posibles errores (es decir, poner la primera marcha cuando se va toda velocidad en segunda). En lugar de depender de la fricción de los sincronizadores, o el controlador para gestionar la velocidad del motor, la ECU, ya sea modificando el encendido o bajando el aporte del combustible al pistón, asegura que el proceso de engranaje puedan  girar a la velocidad correcta y se puedan acoplar. Hay métodos que dejarían a 0 el tiempo de intervalo entre cambio  de marchas que en un F1 es de 0.3 seg. Son los sistemas de doble embrague pero están prohibidos por la FIA. 
Bueno amigos, aquí dejo el tema. Seguramente haga un tercer artículo sobre la relaciones de cambio y dejar el tema zanjado, pero eso será otra historia.