En vista de que últimamente están levantando bastante interés vamos a tratar de profundizar un poco en el tema. No lo trataremos de forma tan detallada como nos gustaría, primero porque para ello habría que tener conocimientos específicos sobre la materia en cuestión (no es el caso) y segundo porque dado el secretismo que siempre existe sobre piezas tan fundamentales como puede ser una caja de cambios, se hace casi imposible encontrar una información actualizada y que desarrolle en profundidad la materia que nos ocupa. En cualquier caso espero que la siguiente entrada os resulte interesante.
En primer lugar empecemos por ubicar un poco la caja de cambios. Como sabemos forma parte de la TRANSMISIÓN. Dicha transmisión está compuesta por EL MOTOR. Gran protagonista y que acapara el 99% de las miradas y atenciones. LA CAJA DE CAMBIOS, siempre a la sombra del motor ya que se hace difícil para el aficionado cuantificar su rendimiento, con el motor lo tenemos claro, ¿qué potencia máxima tiene?, ¿Cuánto par desarrolla?, ¿a qué revoluciones es capaz de girar?… La otra gran parte de la transmisión sería EL DIFERENCIAL, sin él nos sería entre difícil e imposible tomar una curva ya que es el que nos permite que la velocidad de las ruedas motrices pueda ser diferente y por último EL EMBRAGUE que hoy en día a perdido bastante importancia en la fórmula 1 y se hace necesario únicamente en la salida.Pues bien, de todas estas partes que engloban el conjunto de la transmisión, la que hoy nos ocupa es la caja de cambios.
¿Por qué nos hace falta una caja de cambios?
Vamos con un poquito de teoría.
Para mover una masa cualquiera, en este caso nuestro flamante fórmula, nos hace falta aplicarle una fuerza (ya lo dijo Newton que era un tipo listo), sin esa fuerza se quedará para siempre en la línea de salida. El encargado de darle esa fuera (sin tener en cuenta los mecánicos cuando lo empujan) es el motor. Como la fuerza que produce el motor se transforma en un movimiento circular, el giro del cigüeñal, embrague, caja de cambios y finalmente ruedas, se le llama PAR. Es decir, el Par no es más que una fuerza que nos provoca un giro. Pues bien ya sabemos que el motor nos produce cierta cantidad de Par, pero ocurre que ese par no es suficiente para mover nuestra masa o si la mueve es muy lentamente, es decir, el motor no hace la fuerza suficiente. Es ahí donde entra la caja de cambios. Mediante una serie de engranajes, nos multiplicarán el par que nos da el motor, para transmitirle a las ruedas un par mucho mayor y así lograr acelerar nuestro vehículo rápidamente.
Los ratios que nos podemos encontrar serían algo parecido a esto:
| 1ª | 2ª | 3ª | 4ª | 5ª | 6ª |
|---|---|---|---|---|---|
| 3.23:1 | 2.19:1 | 1.71:1 | 1.39:1 | 1.16:1 | 0.93:1 |
Por poner un ejemplo ya que dependerán de cada circuito, motor, piloto y condiciones meteorológicas, pudiendo incluso tener 7 marchas para circuitos con rectas muy largas o en motores con bandas de par y potencia muy estrechas, es decir, que tienen su rango de funcionamiento óptimo en un margen de revoluciones pequeño, imaginaros, entre 17.000 y 19.000 rpms que serían los puntos donde nuestro motor nos da el par máximo y la potencia máxima, respectivamente, esto quiere decir que las diferencias entre una marcha y la siguiente serán menores cuando más estrecha sea la banda de funcionamiento de nuestro motor.
Lo que vienen a significar los números puestos ahí arriba sería. En primera multiplicamos el par de nuestro motor por 3.23, es decir, si nuestro motor a 19.000 rpm nos da 274 N•m, a la salida de la caja de cambios ya tendremos 3.23×274= 885 N•m y lo mismo para el resto de relaciones. De lo que se trataría a la hora de configurar nuestros diferentes ratios es de sacarle el máximo rendimiento al motor en función del circuito, obtener siempre el máximo par posible para tener la máxima aceleración y por otra parte conseguir desarrollar toda la potencia del motor para conseguir la máxima velocidad punta, es decir, si ponemos una caja de cambios con relaciones demasiado cortas, aceleraremos más rápido que nadie (siempre que los neumáticos lo aguanten) ya que nuestro par será el más grande, pero a mitad de recta ya iremos a 300 km/h cortando encendido, el motor ya no puede subir más de rpms. Y nos pasarán como un tiro a final de recta a 310 km/h los que lleven las relaciones correctas. En F1 tienen total libertad para configurar las relaciones de su caja de cambios, mientras éstas tengan entre 4 y 7 marchas, en las World Series sólo disponen de tres paquetes de relaciones, corto, medio y largo y recuerdo colocarme a final de recta en el circuito de Estoril para escuchar quienes llegaban a la frenada cortando encendido y quien no, durante los entrenos y así tener una idea en función de los tiempos que luego hacían de que caja podía ser la idónea (no os vayáis a pensar que era el único, espabilados los hay en todos lados jeje).
Una de las grandes diferencias entre una caja de cambios convencional y una caja de un fórmula es la ausencia de sincronizadores (sincros) en esta última. El sincro nos hace falta porque la velocidad del motor y de la caja no son iguales, con lo que engranar una marcha sería tarea complicada (que no imposible conociendo un poco el coche) si no dispusiésemos de este dispositivo que actúa como un pequeño embrague hasta que consigue encajar el engranaje de la marcha que deseamos con el eje de salida o secundario. En el diagrama se muestra más claro.
Los dispositivos violetas son los sincros que giran solidarios al eje secundario, de color amarillo en este caso, mientas que los engranajes del secundario, azules, no están fijos a dicho eje. Se fijan cuando el sincro se encaja contra ellos, momento en el cual transmitirán el giro que les viene del eje primario al eje secundario y de éste iría al diferencial de donde saldría hacia las ruedas.
Todo esto como hemos dicho, no existe en una caja de competición, sustituyéndose el sincro, por los barrels, también conocidos como “perrillos”, en castellano, no sé por qué, pero así me los presentaron. La diferencia entre el sincro y el barrel radica en que este último no permite un deslizamiento preliminar para ir adaptando la velocidad del secundario a la del motor, sino que fija, ¡a saco!, el engranaje al eje, es ahí donde entra toda la tecnología de la F1, para conocer en cada momento las velocidades de motor y eje, así como las posiciones del engranaje y el barrel, para saber exactamente en qué momento debe engranarse la marcha. Desde que el piloto actúa sobre el selector de cambio hasta que engrane la marcha, pueden transcurrir entre 20 y 40 ms, en función de la posición del engranaje, las velocidades del motor y del secundario (ligada a la velocidad de las ruedas), si estamos acelerando o frenando y un montón de parámetros más que no me puedo ni imaginar. A continuación os dejo una caja a medio montar de un F1 de hace algunos años que tuvimos entre nuestras manos, podréis observar lo compacta que es y como curiosidad también llama la atención que los engranajes empleados son de dientes rectos y no helicoidales, como en el caso de las cajas de calle, ya que aunque los helicoidales reducen el ruido y mejoran la durabilidad, empeoran el rendimiento mecánico ya que aparecen mayores fricciones (la marcha atrás de nuestros coches es un engranaje recto, de ahí su peculiar sonido).
¿Qué es lo que buscamos en una caja de cambios?
- Velocidad de cambio: Fundamental. Aproximadamente se hacen entre 50 y 60 cambios de marcha por vuelta, dependiendo del circuito. Lo que nos lleva a una media de unos 4000 cambios de marcha por carrera, si nuestra caja tarda 1ms (1 milisegundo = 0.001 s) más en efectuar el cambio de marcha que la de nuestro rival 4000×0.001=4 segunditos de regalo que nos mete al final de carrera y ya sabemos que hay carreras que se pierden por bastante menos.
- Ligereza: Bueno con esto no estamos descubriendo la pólvora. Como absolutamente todo en la F1, se trata de hacer los componentes lo más ligeros posibles para mejorar nuestra relación peso/potencia. Resulta evidente que cuanto más ligero sea nuestro coche más fácil será acelerarlo. Para lograr esta ligereza sin menoscabar la resistencia estructural de la misma, se ha experimentado a lo largo de la historia de la F1 con todo tipo de materiales, tales como magnesio, titanio, fibra de carbono y aleaciones ultraligeras de aluminio que parece ser es lo que prima hoy en día junto con insertos en fibra de carbono.
- Resistencia: En la década de los 60 las suspensiones empezaron a anclarse a la caja de cambios, con lo cual ahí empezó su tarea como parte estructural del monoplaza. Hoy en día soporta grandes cargas, el efecto de la suspensión y el downforce del ala trasera entre otras.
- Compacta: Detalle súper importante. Cuanto más pequeña sea, por un lado, más espacio tendremos para ubicar otras piezas en posiciones que nos mejoren el reparto de pesos y por otro, más podremos acercarla al suelo, con lo cual estaremos bajando el centro de gravedad con todos los beneficios que esto trae consigo desde el punto de vista dinámico. Coche más estable, reducción de los efectos de cabeceo y roll, etc (profundizaremos en la dinámica del coche en próximas entradas).
- Fiable: La fiabilidad de la caja de cambios es fundamental. Necesitamos que sea un componente a prueba de bombas. La caja debe aguantar 4 carreras sin abrirse, sólo para cambiar relaciones de cambio. A esto le añadimos que es un mecanismo muy solicitado, tanto estructuralmente, como térmicamente. Las temperaturas que se desarrollan en el interior de la caja de cambios pueden dar lugar a multitud de problemas. Sirva de ejemplo lo que le ocurrió al EEP1 (coche LP1 de Epsilon en las 24h de Le Mans) donde por un fallo de cálculo respecto de las temperaturas que se desarrollarían en el interior de la caja se montó un rodamiento inadecuado que durante el transcurso de la carrera acabó fundiéndose. Como consecuencia la temperatura subió mucho más debido al rozamiento de metal contra metal, hasta que finalmente la caja colapsó, significando la retirada del equipo de la carrera y todo por una miserable pieza que no vale ni 50€.
Y por último destacar el papel fundamental de las válvulas MOOG. Una pieza clave en el rápido y preciso cambio de las cajas de cambio basadas en presión hidráulica. La válvula Moog fue desarrollada durante la segunda guerra mundial y nos da una gran precisión y control sobre el caudal de aceite y la presión del mismo. Lo cual es condición fundamental, para que el engrane del barrel contra la corona se produzca en el momento preciso.
Bueno, esperamos que la entrada os haya parecido interesante, pese a que todo esto no sea más que la punta del iceberg . Un saludo para todos.
…
© de la ilustración de portada pertenece en exclusiva a: Alejandro Canalejo AKA: Khan
Vaya entrada!!!! Felicidades
Información Bitacoras.com…
Valora en Bitacoras.com: Tenía unas ganas que me moría de presentaros la última entrada técnica salida de la factoría ES, todo ello gracias al tesón de los chicos de Fastech, otros locos de la velocidad. Caja de cambios.Una entrada de: Efecto S……
Bravo, Bravisimo!
Al fin entendi como era una caja de cambio de un cohce de calle, y eso que me lo han intentado explicar varias veces, (la familia de mi novia son mecanicos)
un saludo
fantástica entrada chicos, ya he aprendido un montón cositas mas que no sabia
Gracias
Sabía como funcionaba una caja de coche de calle, pero no tenía ni idea de las diferencias con los de F1, me ha llamado la atención el que los engranajes no fueran helicoidales….
Bueno, ahora más cositas claras….espero que un dia le toque el turno al embrague, ese me tiene muy intrigada.
Gracias de nuevo y de vuelta a la normalidad.
Besos.
P.S. Me ha encantao el final “© de la ilustración de portada pertenece en exclusiva a: Alejandro Canalejo AKA: Khan”
Qué mejor entrada que ésta para un día como hoy, Jors.
Sublime el dibujo, amigo Khan
Maravillosa entrada técnica, la mejor manera de responder a esos podridos envidiosos del numerito verde. ES seguirá vivo, con o sin su permiso.
Gracias a los chicos de Fastech por traernos estas joyas, y aprovecho para lanzar una consulta. Este sistema de Barrels o perrillos, supongo que hará uso de la electrónica del coche para tener la información de cuando engranar la marcha correctamente. No parece un sistema tan complejo y teniendo en cuenta que los coches de calle hoy en día son pura electrónica, ¿Es posible que terminemos viendo esta tecnología en nuestros vehículos?
Un saludo.
Pues con cosas como estas,es por eso que tu blog es especial,haber si se dan cuenta que aqui se aprende mucho,y hace que nos guste mas si cabe el mundo de la F1………..una vez mas te felicito por hacer las cosas tan sencillas para que los de a pie,lo entendamos la mar de bien.
Solo me cabe una duda,las cajas de cambios las pueden abrir para cambiar los engranajes de carrera a carrera (para hacer cambios mas largos ó cortos) ó de eso se encarga la electronica????
Si hasta yo entendí la mayor parte, es que ha estado muy bien explicado. Felicidades. Y como dice Elena la post data me ha hecho sonreir
.
Gracias, un post magnífico.
Felicidades Jors… He seguido estos dias el blog sin poder participar por falta de tiempo pero…
Sinceramente. Con dos huevos! Me parece una soberana estupidez lo de prohibir mostrar imagenes… Una vez más lo único que conseguirán será especular con la F1 sin darsela a los aficionados en condiciones.
Asi que si no te dejan mostrar imagenes, pues con dibujitos nos entendemos todos. XD
Un saludo! y adelante! Aquí seguiremos leyendote cada día.
Que super explicación… genial!
A mi una vez se me rompió el la leva del embrague y me pege 300 KM sin embrague cambiando a oído… con mi viejo ibiza. Solo rasque 3 veces
Quien quiere imágenes de la FOM, FOA, etc; teniendo explicaciones como estas…..Aun no he visto en la cadena de Mil…. , ni en otras, ni en imagenes, etc de la FOM, FOA,etc, una explicación com esta.
Un Saludo.
Enhorabuena. Explicado en términos sencillos y comprensible para cualquiera. Muy interesante la importancia de que sea lo más compacta posible respecto a la influencia que puede tener en el centro de gravedad del monoplaza ¿será este uno de los secretos de RB?
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Saludos.
Gran entrada.
Muy bien explicado todo y fácil de entender, y no tenía ni idea de la existencia de los barrels y de las válvulas Moog.
salu2
De quitarse el sombrero; muchas gracias, entre otras cosas porque he entendido lo que se explicaba; gran entrada, sí señor.
De verdad que es un lujo que, alguien que sabe mucho de un tema, te lo cuente de tal manera que te enteres tú también. No es fácil que se junten ambas cualidades, así que Jors, desde aquí, envíales mi más sincera enhorabuena a los chicos de Fastech.
Uno de los datos que quizá me haya llamado más la atención es el que hace referencia al rango de tiempo del que estamos hablando. El cambio se realiza en milésimas de segundo, lo que en principio parece una nimiedad. ¿A quién se le ocurriría buscar rendimiento por ahí? Pues a los locos de la F1. Sí, son milésimas de segundo… pero es que se cambia miles de marcha miles de veces en una carrera. Y si hablamos de segundos, como bien nos explicaban, eso puede ser la diferencia entre la victoria y la derrota en este deporte.
Excepcional entrada, un honor y un placer haber colaborado con una ilustración (y gracias por tus palabras, Oberon).
Un saludo a todos.
Gran artículo Fastech. Sólo añadir que, según reglamento, cada par de engranajes debe pesar al menos 600 gramos, y estar hecho de acero
plas plas plas….muchas gracias; he aprendido un montón por vuestra “culpa” je je
Enhorabuena, y gracias por compartir vuestros conocimientos con los neófitos.
Excelente entrada. Gracias.
Un saludo.
Muy interesante, ¡gracias!
Salu2
Off topic: ¿habéis leido esto? http://elinfiernoverde.blogspot.com/2010/05/jodido-adrian-ii.html . Es una teoría digna de tenerse en cuenta y quizás por se la más sencilla tenga los visos de ser la más acertada respecto al rendimiento de los Red Bull, y de que no estén muy interesados en el desarrollo del dichoso F-duct. Quisiera que alguno de los expertos de ES nos diera su opinión al respecto si es posible.
Saludos y reitero my enhorabuena por la entrada.
@ SurF1
Desde luego que no soy ningún experto en la materia, y algún otro miembro del equipo de ES o de los comentaristas habituales seguro que entiende muchísimo más del tema, pero por no seguir con el off-topic, te dejo aquí el comentario en otra entrada con mi opinión sobre el tema. Un saludo.
http://www.efectosuelo.com/10-05-2010-noticias-breves-de-la-formula-1/comment-page-1/#comment-18035
Muy, muy interesante Fastech, espero con impaciencia la proxima entrada
@ Khan, mis perdones. Esos comentarios a los que me remites, fueron hechos después de que yo dejase de leer esa entrada.
Sludos y gracias.
No hay de qué disculparse, SurF1. Y mucho menos después de la marabunta de comentarios de estos días, con la movida tan desagradable que se ha (nos han) montado.
A ver si poco a poco se arregla la cosa. Un saludo.
Fantastico. Chapeau
[...] This post was mentioned on Twitter by Blog Buzz Motor. Blog Buzz Motor said: efectosuelo: Caja de cambios de un F1 http://dlvr.it/w9Cr [...]
Es fantástico observar en la fotografía como los piñones de las marchas más cortas (a la derecha) parecen más anchos que los de las marchas largas. Tiene su lógica ya que estos deben soportar más par, pero ver que hasta ahí se recorta peso es simplemente fascinante.
Por cierto, no habló alguien del hecho que las cajas de cambio actuales, seamless creo que les llaman, usan algo parecido al doble embrague (como el DSG o el DPK)???
Fantástica entrada. Concisa y muy clara. Enhorabuena, Fastech
ES está vivo!!!
Hola, lo primero que os deseo es suerte después de todos los problemas que habéis tenido. Os leo muy a menudo pero nunca suelo colaborar, ahora es mi momento.
Me gustaría hacer unos cuantos aportes a la información que has aportado, para añadir información sobre las caja seamless
En el 2005 los equipos se opusieron contra unas cajas de cambios, que presentaron Honda y bmw que les hacia ganar 3 décimas por vuelta, las seamless,que quisieron prohibir el resto de equipos, la alegación de los equipos fue que era una caja continua, por eso la querían comparar con las cajas automáticas.
En aquel entonces equipos como Renault disponían de tan solo 6 velocidades porque el tiempo de cambio entre marcha y marcha no les compensaba, ademas de que el piloto se cansaba mas, mas peso en rotación, la caja era mas larga, por este ultimo motivo el renault traccionaba mejor en las salidas ( y algunos mas como el bajo centro de gravedad del v10 108 grados) al tener el motor mas cerca del eje trasero, ¿las recordáis?.
Siguiendo con el tema, las cajas de cambios no eran automáticas sino que conseguían cambiar de marcha sin coger el embrague ni soltar gas (el embrague se usara a partir de entonces principalmente para las salidas y para el regular freno motor, cuestión por la que el ferrari pudo correr sin embrague) es un sistema de cambio relativamente simple y permite no perder par como pasa con las cajas DSG, estas ultimas funcionan haciendo patinar dos embragues, el sistema consiste en un sincronizador partido, una parte de este se queda en el piñón de la marcha actual mientras el siguiente, mientras la otra pieza engrana en el siguiente piñón, ahora los dos sincronizadores estarán engranados, pero como un piñón gira mas rápido que otro,los tetones del mas lento se despegara del sincronizador, haciendo que le golpe el tetón por la parte trasera de este, ¿porque no rompe? debido a que en la parte trasera de los sincronizadores tiene forma de cuña, que hace que este salte hasta la posición del la otra pieza del sincronizador.
A continuación y para aclararos os pondré enlaces del proveedor de esta tecnología, de forma que se podrá ver de forma mas clara lo que os comento(espero que no os pongan problemas por los enlaces).
En estas paginas podéis ver el funcionamiento en vídeo del sistema,
http://www.motorcyclenews.com/MCN/News/newsresults/mcn/2008/December/22-28/dec2408-zeroshift-gears/?&R=EPI-105237
http://www.hbm.com/en/menu/industries/automotive-industry/application-reports/automotive-details/datum/2008/01/09/zeroshift-move-up-a-gear-with-hbm-data-logging/
Esta ultima es la pagina oficial de zeroshift, donde se puede ver mucha información, videos etc.. sobre esta tecnología.
http://www.zeroshift.com/transmission-technology/animation.html
Problemas del sistema:
necesita que las marchas estén muy escalonadas lo que exige un numero alto de estas, para que no exista una diferencia alta de par. el
necesita un control de la posición exacta del eje de entrada de la caja de cambios con la salida, para saber si en ese momento los piñones traccionan o no, porque podría dar problemas al reducir marcha mientas se mantiene empujando el motor.
Yo tengo una caja diseñada, falta corregir unas cosillas que tiene los piñones uno a continuación del otro (basada en una caja de williams del año 93 cuando experimentaban con diferentes transmisiones, que no fue la cvt, busquen en youtube y verán) pero que aplica el mismo principio, que las cajas actuales, con lo que se reduce la longitud de estas hasta la mitad, BMW iba a sacar una caja revolucionaria para este año que supongo que se vasa en un funcionamiento similar, lastima que al final usen la del equipo ferrari. porque tiene unas características muy interesantes para la normativa actual. no coloco enlaces a las fotos de estas la del williams del 93, para que no tengan problemas la gente de la pagina, con un poco de googleo por las imágenes lo verán.
Ventajas: al ser mas c0rta permite o llevar el motor mas para atrás, los que permitirá un deposito de combustible mas estrecho a la misma longitud, lo que se traduce en mayor aerodinámica y reparto de pesos, o también puede dejar mas espacio al difusor al ser mas pequeña y estrecha.
Desventajas: al llevar mecanismos internos en el eje principal, estos tienen que ser mas anchos lo que obliga a unos piñones mas grandes, y manteniendo la distancia mínima entre ejes 65mm hace que los ratios de transmisión en la caja sean mas pequeños.
Esto es información propia espero que os guste si existe alguna errata decírmelo, un saludo.
Fantastica aportacion y mejor manera de reaccionar contra los “elementos“, cada dia se supera mas este blog y cada dia se aprende algo mas.
Salu2
@ deivid85
Vaya pasada de comentario. Me he quedado pasamado leyéndolo. Algo había leído por ahí de las cajas seamless, bicheando algo de la empresa Zeroshift, pero la cantidad de información que has aportado es de órdago.
Muchísimas gracias por compartirla e ilustrarnos.
Un saludo.
Me he quedado pasmao la respuesta adecuada a los de la secta..
Bacci para las niñas y Abrazos
[...] Caja de cambios: Necesitamos una relación cerrada, ya que la velocidad máxima es baja, y además tenemos mucha carga aerodinámica, y curvas muy lentas. En el simulador he optado por cambiar la relación final, así he mantenido los mismos engranajes, pero transmitiendo más par y menos velocidad. [...]
Impresionante cantidad de información. Lo de las cajas seamless de lo más interesante.
Oir dientes rectos y pensar en la caja colotti del 131 abarth (es algo que no puedo remediar)
http://www.colotti.it/img/correzioni/Colotti_251.jpg
Excelente artículo Fastech!!
Me sumo a Elena con el pedido de un artículo sobre embragues, la verdad no estoy muy actualizado de como va esto en la F1 hoy por hoy.
Con el debido permiso me tomo el atrevimiento de contestarle a Luisete99, con lo de relacionar las cajas de cambio. Las cajas de cambio de competición, están preparadas para desarmarse facilmente y así poder relacionarlas, esto último, se hace cambiando los engrajes para lograr el escalonamiento necesario, seleccionando de entre una buena cantidad de diferentes juegos. Un ejemplo el juego de engranajes de caja y diferencial de un dallara F394 con caja manual (hewland creo) ocupaba un cajón del tamaño de un TV de 29″.
Saludos