Hace algunos años, las cajas de cambios automáticas de siete velocidades eran toda una revolución, pero actualmente podríamos considerarlas algo de lo más común e incluso, un elemento anticuado. La tecnología evoluciona a pasos agigantados, especialmente en el sector de la automoción, y hoy en día es totalmente normal encontrarse con cambios automáticos de ocho o nueve relaciones.
Es más, hay fabricantes que incluso cuentan con cajas de cambios de 10 velocidades, como es el caso de Ford o de Lexus, lo que nos lleva a preguntarnos ¿Realmente tienen sentido este tipo de transmisiones? ¿El ahorro de combustible es real? Son muchas las incógnitas que surgen en relación con este tema, sobre todo cuando descubrimos que la firma del óvalo azul ya ha patentado un cambio de 11 velocidades.
Una patente no implica que la tecnología vaya a llegar a la calle, al menos a corto plazo, pero sí que el sistema existe. Sabemos que el objetivo de las trasmisiones con tantas relaciones no es otro que mejorar la eficiencia, algo que indudablemente se alcanza en los cambios de ocho y nueve velocidades, pero que deja de tener sentido si añadimos relaciones a diestro y siniestro.
Es por ello que hoy vamos a dedicar parte de nuestro tiempo a analizar estas trasmisiones de 10 velocidades, aprovechando un nuevo vídeo de nuestro amigo Jason Fenske, de Engineering Explained. Veremos en detalle la evolución, su razón de ser y dónde está el límite a la hora de añadir relaciones a los cambios automáticos.
La evolución de las cajas de cambios automáticas
Los cambios automáticos nacen por primera vez en 1937. Se trataba de una transmisión semiautomática formada por un sistema planetario o de satélites que recibió el nombre de AST –Automatic Safety Transmission– Tan solo tenía cuatro posiciones y un embrague que funcionaba con base en la fricción.
Lo cierto es que no gozó de gran éxito ni reputación y en 1940 apareció la primera transmisión totalmente automática, de funcionamiento hidráulico (Hydra-Matic). En la década de 1950, Borg Warner revolucionó el mercado con las primeras transmisiones automáticas con convertidores de par, empleadas en modelos Ford y Studebaker. Tenían tres velocidades.
Fue a partir de los ’60 cuando aparecieron las transmisiones con Overdrive o Sobre Marcha, que contaban con 4 velocidades frontales y, en algunos casos, hasta cinco. Para 1985, cerca del 90% de los automóviles nuevos contaban con este tipo de transmisiones sólo en los Estados Unidos, recibiendo un gran impulso.
No hace ni dos décadas, los cambios automáticos de seis relaciones ya eran toda una revolución. Si hacéis un poco de memoria, probablemente recordaréis que fue en 2001 cuando llegó al mercado la caja 6HP26 de ZF. La montaba el BMW Serie 7 y fue toda una revolución en los medios, aunque poco tardó su principal rival alemán en quitarle el trono.
Apenas dos años después, en 2003, Mercedes-Benz lanzó la caja de cambios 7G-Tronic de siete velocidades que todavía vemos en algunos de sus modelos -evolucionada, claro está-, dejando atrás a la revolución ZF. Pero la compañía de Friedrichshafen se guardaba un as en la manga para los próximos años…
En la década de 1990 y, especialmente con la llegada del nuevo milenio, comenzaron a aparecer diversas tecnologías de cambios automáticos, hasta llegar a todos los tipos que conocemos actualmente.
Cuando todo el mundo creía que ZF lanzaría al mercado un cambio de siete relaciones para rivalizar con los chicos de la estrella, lo que hizo fue lanzar una evolución del 6HP26 concebida para ser la mejor transmisión automática del mundo gracias a su suavidad y rapidez, con capacidad para reducir marchas en décimas de segundo sin interrumpir la transmisión de par.
Lo que nadie se esperaba es que el ´zasca´ iba a ser tremendo en 2008, cuando la caja 8HP70 de ocho velocidades hizo su debut en el BMW Serie 7. Y no era sólo cuestión de colgarse galones, pues este cambio era capaz de subir o bajar de marcha en apenas 200 milisegundos y de reducir el consumo de combustible en un 17% respecto a las cajas de cinco relaciones y en un 14% respecto a la 6HP26. Evolucionó en 2014.
Actualmente, ZF y Mercedes-Benz tienen cajas de cambios de nueve relaciones, pero no son ninguna novedad, pues hace ya tiempo que podemos ver cajas automáticas de incluso 10 velocidades en modelos como el Ford F-150 o el Chevrolet Camaro ZL1. Algunos de los ejemplos que podemos encontrar de Aisin y GM/Ford son las Aisin UA80 y AGA0 o las GM/Ford 10SPD y 8SPD, respectivamente.
¿Seguirán evolucionando y tendrán todavía más relaciones? Pues realmente no se trata de tener muchas marchas, sino de tener una relación entre la marcha más corta y la más larga lo suficientemente grande. Además, pensemos que con la llegada del coche eléctrico (e incluso algunos híbridos como el Outlander PHEV) una gran parte de los componentes mecánicos serán prescindibles gracias a la tecnología, y uno de ellos es la caja de cambios.
Razón de ser de las cajas de cambios de 10 velocidades
Incrementar el número de marchas del cambio es una forma eficaz de aprovechar la potencia y la fuerza del motor, ya que si disponemos de varias relaciones muy cortas a baja velocidad y otras tantas más largas para elevadas velocidades de crucero, lograremos combinar lo mejor de dos mundos: gran fuerza para moverse en ciudad y un mejor consumo en autopista gracias a la posibilidad de circular a un régimen de revoluciones reducido.
Actualmente, las cajas de cambios automáticas son más eficientes y permiten exprimir mejor el motor que una manual en muchos casos. Atrás quedaron las pesadas y poco refinadas transmisiones automáticas, ahora las aleaciones ligeras, el acero de alta resistencia, los materiales compuestos y las sofisticadas técnicas de producción dan lugar a cajas realmente resistentes que, además, pesan y ocupan realmente poco.
ZF aseguraba hace años (allá por 2013) que aumentar el número de marchas por encima de nueve tan sólo conseguiría hacer que el sistema fuera más complejo y pesado, de forma que ganar una marcha tuviera más inconvenientes que ventajas, pero actualmente vemos que no es así, por lo que el límite en el número de velocidades de un cambio automático lo marcará la eficiencia.
El objetivo de aumentar los desarrollos es lograr que el vehículo se desplace a un régimen óptimo y eficiente, en términos energéticos, a cualquier velocidad. Es aquí donde entran en juego los distintos tipos de cambios automáticos, algo que veremos en los siguientes puntos. Lo que está claro es que el límite será ese punto en el que añadir complejidad y peso a la caja de cambios añadiendo velocidades no compense la mejora de la eficiencia.
El problema radica, por una parte, en los motores de combustión interna; y por otra, en la estricta normativa de emisiones, especialmente con el nuevo ciclo WLTP. Ya sabemos que los motores de combustión interna, tanto diésel como gasolina, son capaces de entregar mucha potencia, pero sólo son capaces de hacerlo de forma eficiente en una pequeña zona de su rango de revoluciones.
La UE establece que las emisiones medias de los fabricantes deben reducirse paulatinamente de los 130 gramos actuales hasta los 95 gramos en el año 2020.
Es por ello que, cuando los fabricantes buscan reducir su consumo -o incluso cuando los conductores buscamos rebajar unas décimas-, deben mantener las revoluciones del motor lo más cerca posible de esa franja en la que el funcionamiento es óptimo. Si a ello le sumamos la estricta normativa europea en materia de CO2 y el nuevo ciclo de homologación, todo empieza a cobrar sentido.
Al ser más exigente, el WLTP hace que las cifras de CO2 homologadas actualmente aumenten considerablemente, pues contempla aceleraciones y velocidades máximas superiores a las del ciclo NEDC. Por este motivo, ahora los fabricantes necesitan que sus vehículos mantengan velocidades de crucero a muy bajas revoluciones y aceleren cerca del régimen de máxima eficiencia.
Y para conseguir esto la fórmula es sencilla si no queremos perder mucho empuje: contar con muchas marchas y que estas sean lo más largas posibles. Pensemos que hay cambios actuales de ocho y nueve relaciones que nos permiten circular a 120 km/h con el motor girando a apenas 1.500 rpm, ofreciendo a su vez un empuje en quinta marcha similar al de una tercera relación en una transmisión de seis velocidades. Así combinan eficiencia y prestaciones.
¿Qué tipo de cambio es el ideal?
Como hemos comentado, el peso y las dimensiones que supone introducir cada vez más marchas en un cambio automático limitan el tipo de caja que podemos emplear para su desarrollo. Lo más habitual es optar por el convertidor de par, la transmisión variable continua (CVT) o el doble embrague pero, ¿qué problemas entraña cada uno? Vamos a ver qué ocurre con cada uno de ellos.
Transmisión de doble embrague (DCT)
Las transmisiones de doble embrague constan de dos cajas de cambio, cada una con su propio embrague, que funcionan en paralelo -una gestiona las marchas pares y la otra las impares-. Mientras una actúa, la otra mantiene la siguiente marcha preinsertada, esperando a que se realice el cambio. Destacan por su suavidad, ligereza, tamaño y sencillez, además de resultar una opción intermedia en términos de costes.
Son, además, el tipo de transmisión automática más eficiente que existe actualmente -y de las más delicadas-, pero entrañan un grave problema a la hora de añadirles marchas indiscriminadamente: no caben en el conjunto. Si pensamos en un cambio de 10 marchas, necesitaríamos diez pares de engranajes colocados uno detrás de otro, algo que por razones de espacio, no compensa.
Una solución sería el sistema que Getrag emplea en su cambio automático de seis relaciones, el cual monta tres ejes paralelos en lugar de dos y, con ello, se ahorra un par de engranajes. El problema es que hablamos de un sistema muy complejo, ya que adicionalmente carece de primera velocidad y esta se genera gracias a una cascada de engranajes que pasa por segunda, quinta y sexta velocidad.
Transmisión por convertidor de par
El convertidor de par es un mecanismo que se utiliza en las transmisiones automáticas en sustitución del embrague. Es el que realiza la conexión entre la caja de cambios y el motor. Es la opción más suave, cara y pesada porque emplea engranajes epicicloidales o planetarios, formados por tres ruedas dentadas -que sustituyen al tradicional par de engranajes de las cajas manuales y las DCT- y tres velocidades de entrada.
Básicamente, esto se traduce en tres relaciones de transmisión que, combinadas en cascada, permiten introducir muchas velocidades en poco espacio. Las combinaciones posibles son múltiples, pero los fabricantes buscan siempre aquella más eficiente, compacta y ligera. En el caso de la caja de cambios de 10 velocidades empleada por Ford, se ha aumentado a cuatro el número de engranajes epicicloidales y se han redistribuido todos los componentes.
Cada milímetro cuenta, y es por ello que este tipo de transmisiones son las más adecuadas para aumentar el número de marchas. Además, resultan fiables y resistentes. A pesar de ello no es fácil aumentar el número de relaciones, pues cobra gran relevancia el tacto que aprecia el consumidor. Al fin y al cabo, este es el que logra que un producto triunfe o fracase.
Y dicho esto, con un cambio por convertidor de par cada vez con más relaciones, ¿no llegamos realmente a un punto en el que merece más la pena utilizar un CVT?
Transmisión variable continua (CVT)
Jason Fenske lo comenta precisamente en el vídeo que podéis ver aquí debajo, y lo dice muy claro: “Nadie que se gasta 100.000 euros en un deportivo quiere que éste lleve un cambio CVT” (hablando del Lexus LC 500). Son el tipo de cambio menos popular que existe y lo cierto es que a los usuarios no les gustan en absoluto este tipo de transmisiones.
Las cajas CVT no tienen relaciones de transmisión fijas, pudiendo cambiar constantemente su relación para mantener el motor a su velocidad operativa ideal en todo momento. El movimiento se transmite mediante dos poleas de diámetro variable, de forma que la relación de transmisión aumenta continuamente a medida que varía el diámetro de las poleas. En resumen: no se produce un cambio como tal, solo una variación de la relación de cambio.
Eso significa que los automóviles equipados con transmisiones CVT tienden a zumbar a un ritmo de revoluciones constante al acelerar, lo que no agrada a los amantes de los automóviles, aunque sean muy suaves. La sonoridad es elevada, el consumo también y su respuesta es bastante lenta, sin relación directa entre régimen de motor y velocidad.
