David Ras
Forista
- Modelo
- X1 sDrive 20i
- Registrado
- 14 Jun 2024
- Mensajes
- 1.640
- Reacciones
- 2.246
¿Como funciona una caja de cambios con convertidor de par?
En este post explicaremos como funciona una caja de cambios con convertidor de par, como funcionan los engranajes y las marchas, que pasaría si quitamos el convertidor de par y conectamos el motor directamente a los engranajes, que es el embrague de bloqueo, si el estátor es fijo, las cajas de cambio con motor eléctrico integrado en los MHEV y PHEV, el modo eléctrico 100%, como se recupera o regenera la energía, una comparativa entre el convertidor de par y el doble embrague, que marcas utilizan el convertidor de par, y si Mercedes lo utiliza en sus vehículos.
Por último, una cuestión importante: ¿Hay que cambiar el aceite de la caja de cambios y del convertidor de par?
¿Como funciona un convertidor de par?
Imaginemos que ponemos dos ventiladores cara a cara. Si encendemos uno hará una corriente de aire que hará girar las aspas del segundo ventilador.
Una caja con convertidor de par funciona igual, pero cambiando el aire por aceite y encerrando los dos “ventiladores” en una caja cerrada. Y los dos “ventiladores” en realidad son turbinas. A la primera turbina se la llama bomba o impulsor, y a la segunda turbina a secas.
La primera turbina, llena de aceite, está conectada al motor, que cuando funciona la hace girar. Al girar esta primera turbina hace girar el aceite hacia la segunda turbina con tanta fuerza que golpea las palas, aspas o hélices de ella y la hacen girar también.
No hay conexión mecánica entre las dos turbinas, solo el movimiento del aceite.
Como la segunda turbina está conectada a las ruedas, al girar las hace mover.
Como las dos turbinas están cerradas en una caja, el aceite que rebota en la segunda turbina vuelve hacia la primera turbina pero en sentido contrario. Si esto sucediera y llegase hasta la primera turbina la frenaría y la llegaría a parar. Para que esto no suceda, entre las dos turbinas hay una especie de “difusor” central llamado estátor.
El estátor lo que hace es reorientar o girar el aceite para que vuelva a empujar de nuevo hacia la segunda turbina. Esto hace que se junte el aceite lanzado por la primera turbina con el aceite repelido por la segunda y reorientado por el estátor, y se produce un efecto multiplicador de par.
El convertidor de par es esta “caja” cerrada que incluye las dos turbinas y el estátor central. Tiene forma de “donut” sellado y va alojada dentro de la “campana” de la caja de cambios. Se le llama convertidor porque es capaz de convertir (multiplicar) el par motor de la entrada (el que viene del motor) en una fuerza más grande (la que sale hacia los engranajes). Recordemos que el par motor es una fuerza.
*Foto esquemática de un convertidor de par. A la izquierda se puede ver el eje conectado al motor (Engine input), y la turbina o “bomba” que impulsa el aceite (Pump impulser, pump significa bomba). Las flechas azules indican el flujo de aceite hacia la segunda turbina (en azul), que la hacen girar en sentido contrario. El aceite que rebota en la segunda turbina va hacia el estátor, que lo vuelve a enviar de nuevo hacia la segunda turbina, haciendo “multiplicar” la fuerza. A la derecha se puede ver la salida (Transmission output) del convertidor de par hacia el tren de engranajes. En inglés, el par motor se llama “torque”.
La caja de cambios tiene forma cilíndrica y, en el extremo más cercano al motor se ensancha en una forma parecida a la de una campana, y es ahí donde está el convertidor de par.
*Foto de una caja de cambios ZF 8HP convertidora de par. A la izquierda hay el eje que la conecta al motor, y se vé que tiene forma de campana para albergar el donut del convertidor de par. En el centro se vé la parte cilíndrica que alberga el tren de planetarios con los engranajes. Y a la derecha hay el eje que la conecta con los ejes de las ruedas.
Una vez el par motor sale multiplicado del convertidor de par, entra en un tren de planetarios, es decir, un grupo de engranajes. A partir de ahora ya se trata de un proceso mecánico. Será en los engranajes donde se seleccionaran las marchas, de la primera a la octava, gracias a varias combinaciones de ruedas dentadas que se bloquean o liberan mediante presión hidráulica (aceite).
¿Como funciona el tren de planetarios?
Un tren planetario o epicicloidal es un grupo o estructura de engranajes que recuerda un sistema solar (ver foto), y por esto se llama planetario.
*Foto del tren planetario. “Sun Gear” es el equivalente al sol por donde entra la fuerza que viene del convertidor de par. Los “Planet Gear” son los planetas o satélites que giran alrededor del sol central. El “Carrier” (portador, en azul) es la pieza que sujeta los ejes de los planetas y los hace girar en bloque. También es la salida de la fuerza hacia el siguiente tren planetario o hacia las ruedas. La “Ring Gear” (corona) es el anillo exterior que cierra todo el tren. “Stationary” es la carcasa exterior que proteje todo el conjunto. Y las flechas rojas indican la dirección del movimiento.
Una caja de cambios automática con convertidor de par como las de la família ZF 8HP, que equipa muchos modelos de BMW, tiene 4 trenes planetarios seguidos o en serie.
A diferencia de una caja manual que pone y quita engranajes según la marcha escogida, las ZF 8HP no mueven engranajes de sitio, sino que utilizan embragues y frenos internos para seleccionar las marchas:
Los frenos internos hacen frenar algunos engranajes para que los demás giren más o menos, y los embragues internos juntan o separan elementos. Si los embragues están cerrados acoplan o juntan elementos para transmitir todo el movimiento, y si están abiertos desacoplan o separan elementos para no transmitir nada. Es decir, los embragues tienen dos posiciones, todo o nada, pero no tienen más posiciones ni pueden modular la fuerza con diferentes grados.
Además, los dos primeros trenes planetarios o juegos de engranajes están unidos por la rueda dentada central (sol) para poder transmitir más fuerza conjuntamente.
Un tren planetario recibe la fuerza del tren anterior, pero no siempre por el eje central (sol). La puede recibir por 3 vías diferentes. Y la transmite al siguiente tren también por estas 3 vías. Dependiendo de la marcha seleccionada, la fuerza puede entrar por el eje central (sol), por la corona (anillo exterior) o por el portador. Lo que hace la caja es jugar con estos tres elementos: bloquea uno (con los frenos interiores), utiliza otro de entrada, y el restante de salida. Según la combinación escogida, se modifica la relación de transmisión para disponer de mayor fuerza, de mayor velocidad, o una combinación de las dos.
*Foto de una caja de cambios ZF 8HP convertidora de par. Se pueden ver los trenes planetarios o juegos de engranajes número 1 (4), número 2 (5), número 3 (6) y número 4 (7), los frenos A (14) y B (13), los embragues C (10), D (9) y E (11) que juntan o separan elementos y el bloqueo de parada (8). También se puede ver el (12) que está mal etiquetado y debería etiquetarse un poco más hacia la izquierda, justo entre el (4) y el (5). Se trata de la rueda dentada central (sol) que une los dos primeros trenes planetarios para poder transmitir más fuerza. El resto de números los explicaremos más adelante.
La gran ventaja de estas cajas de cambios es que con solo 5 elementos de cambio combinados (3 embragues y 2 frenos), se consiguen 8+1 marchas, y que para pasar de una marcha a la siguiente, solo hay que abrir un embrague y cerrar otro.
Esto hace que el cambio sea muy rápido, unos 200 milisegundos, casi instantáneo ya que no hay movimientos mecánicos complejos, solo variaciones en la presión del aceite que activan o desactivan estos engranajes.
Además, dado que el intervalo entre marchas es tan pequeño (200 ms), no hay pérdida de potencia entre que se quita una marcha y se pone la otra. Y aunque antes hemos dicho que los embragues solo tienen dos posiciones y no pueden modular la fuerza, la unidad de control o electrónica que gestiona la caja de cambios (TCU) si que modula la presión del aceite durante estos 200 ms para suavizar la transición y evitar un estirón, lo que se llama slip control.
En resumen, gran parte del éxito de estas cajas se debe a la unidad de control que las gestiona, la TCU.
*La siguiente tabla nuestra en que marcha actuan los frenos internos y los embragues juntan los elementos.
Por ejemplo, tres apuntes sobre la tabla:
¿Que pasaria si conectamos el motor directamente a los engranajes?
Llegado a este punto, podríamos pensar ¿porque no conectamos directamente el motor a los engranajes y eliminamos el convertidor de par? Es decir ¿que pasaría si quitamos las dos turbinas y el estátor?.
Bueno, el convertidor de par hace de “cojín” de aceite, y tendríamos tres problemas graves que impedirían conducir el coche en el día a día:
Embrague de bloqueo
Hay veces, pero, en las que si hay una conexión directa entre el motor y los engranajes, como si no hubiera convertidor de par.
Cuando el vehículo circula a velocidad constante, por ejemplo en una autopista, y siempre en velocidades superiores a 10 ó 20 km/h, hay un embrague interno que une mecánicamente las dos turbinas, el aceite deja de trabajar, se produce una conexión directa como en una caja manual, se consume menos combustible, y se tiene una respuesta más inmediata. Esta situación se llama Lock-up clutch, que quiere decir embrague de bloqueo.
¿El estátor es fijo?
El estátor está fijo mientras el aceite vuelve de la segunda turbina para así poderlo redirigir de nuevo hacia ella. Utiliza un mecanismo de un solo sentido (one way clutch) de forma que solo puede girar en una dirección. Pero cuando el vehículo ya ha alcanzado cierta velocidad y el aceite gira en armonía, el estátor se desbloquea y se deja ir para girar libre con el aceite y no frenarlo, porque ya no hace falta redirigir el aceite.
Las cajas con motor eléctrico integrado
Hasta ahora hemos hablado de las cajas de cambio con convertidor de par utilizadas en los coches de combustión (ICE), pero con todo el tema de la electrificación, el siguiente paso fue integrar un motor eléctrico dentro de la caja de cambios. Y aquí se adoptaron dos soluciones ingeniosas:
*Foto de una caja de cambios con conversor de par de la família ZF 8HP Mild Hybrid (MHEV) de 48 V. Se puede ver el convertidor de par (2) y delante el motor eléctrico (1) micro híbrido de 48 V, que se situa entre el motor de combustión y el convertidor de par. También se puede ver la electrónica EME48 (10) que controla el motor eléctrico, el sensor de posición del rotor (3) y la conexión (4), la conexion al sistema de 12 V del vehículo (5), las fases U (11), V (6) y W (7), las conexiones positiva (13) y negativa (8) al circuito de 48 V de la batería, y la entrada (9) y salida (12) del circuito refrigerante.
*Foto de una caja de cambios de la família ZF 8HP con el convertidor de par sustituido por un motor eléctrico (1) de alta tensión en un BMW PHEV. También se puede ver la electrónica EGS-EME (7) que controla el motor eléctrico, el sensor de posición del rotor (2) y su conexión (3), la conexion al sistema de 12 V del vehículo (4), las fases U, V y W (5), las conexiones (9) al circuito de alta tensión de la batería, y la entrada (6) y salida (8) del circuito refrigerante.
El convertidor de par se elimina para ahorrar espacio y ganar eficiencia. Como el motor eléctrico de un PHEV es muy potente y tiene mucho par instantáneo desde cero revoluciones, no necesita la multiplicación de par que ofrece el convertidor de par para arrancar. Además, eliminar el convertidor deja más espacio para un motor eléctrico capaz de mover el coche a velocidades de autopista.
Y cajas de cambio como la ZF 8HP de 4a generación se han diseñado desde cero de forma modular para que la misma arquitectura sin grandes cambios pueda llevar un convertidor (ICE), un pequeño motor eléctrico integrado con el convertidor (MHEV 48 V), o un motor eléctrico (PHEV).
El motor eléctrico integrado dentro de la caja 8HP de 8 velocidades asume la función de arrancar el vehículo porque dispone de su par máximo desde cero sin necesidad SW multiplicar el par en el convertidor. Además, durante los cambios de marcha, compensa la caida de par en los instantes que el motor de combustión se desconecta monentáneamente de las ruedas (el llamado Torque filling, relleno de par), para que la transición sea más suave sin tirones.
Para garantizar una transición suave entre el modo eléctrico 100% y el híbrido, BMW utiliza un embrague de separación que acopla el motor de combustión de forma progresiva (embrague de desconexión triple), y la electrónica ajusta la velocidad de rotación del motor de combustión para que coincida con la velocidad de la transmisión antes de cerrar el embrague del todo y acoplarlo totalmente.
Además, en los modelos más recientes, como el BMW XM, se utiliza una etapa de pre-engranaje entre el motor eléctrico y el eje de entrada de la transmisión que aumenta el par efectivo y permite que el motor eléctrico gestione cargas pesadas con más suavidad sin depender de componentes hidráulicos voluminosos.
Aunque este sistema es altamente eficiente, en algunas situaciones se puede notar una sensación de bamboleo o pequeña desaceleración en aceleraciones fuertes cuando el motor eléctrico no puede cubrir totalmente el par durante el cambio entre marchas.
Modo eléctrico 100%
En un PHEV, cuando se circula en modo 100% eléctrico, el motor de combustión está apagado y desconectado, pero la caja de cambios sigue funcionando con las 8 marchas disponibles, a diferencia de los vehículos eléctricos puros (BEV) que solo tienen una marcha fija. Así, a baja velocidad puede utilizar marchas cortas para tener mucha fuerza, por ejemplo subiendo una rampa de parking, y a 120 km/h en autopista puede utilizar la 8a marcha para reducir el consumo de batería.
Tal como hemos explicado antes, en las cajas de cambio de convertidor de par, como la família ZF 8HP, los cambios de marcha se hacen mediante presión hidráulica que mueve los frenos y embragues internos.
En los vehículos de combustión (ICE), esta presión la genera una bomba mecánica que gira con el motor. Es muy potente y mueve grandes caudales de aceite para refrigerar la caja de cambios cuando el vehículo circula a alta velocidad o bajo mucha carga, por ejemplo subiendo un puerto de montaña con el motor de combustión a pleno rendimiento.
Pero en vehículos híbridos (PHEV), cuando se circula en modo eléctrico 100%, el motor de combustión está apagado y no gira, así que la bomba mecánica tampoco gira ni funciona. Sin presión de aceite los embragues patinan y los engranajes podrían quemarse o deformarse por falta de lubricación.
Para resolver este problema, los PHEV incorporan una bomba eléctrica adicional, que a veces sustituye la principal, y que funciona con la electricidad de la batería de alta tensión, y que mantiene la presión del circuito hidraulico de aceite constante para que los cambios sean rápidos y suaves aunque se circule en modo 100% eléctrico de forma silenciosa.
Esta bomba hace que el aceite circule por los cojinetes y engranajes mientras las ruedas giran, evitando el desgaste por fricción aunque el motor de combustión este apagado. Si no hubiera esta bomba adicional, cuando el motor de combustión volviera a arrancar tardaría mucho en hacerlo. Es el famoso lag o retardo.
En los modelos más recientes se utiliza una de las siguientes tres opciones:
El acumulador de presión es como un depósito de reserva que guarda aceite bajo mucha presión. ZF lo llama Hydraulic Impulse Storage (HIS). Cuando el vehículo se para por el Start & Stop, mientras el motor todavía gira, el acumulador guarda aceite y lo mantiene así hasta el momento de soltar el pie del freno y arrancar. Entonces, el acumulador suelta el aceite y el vehículo puede salir disparado sin necesidad de esperar que la bomba arranque, empiece a girar, y genere suficiente presión de aceite.
En el caso de que la bomba eléctrica adicional fallase, el vehículo detectaría la falta de presión e inmediatamente encendería el motor de combustión por seguridad, para hacer girar la bomba mecánica principal y proteger la transmisión, aun teniendo el motor eléctrico funcionando y la batería de alta tensión llena.
El aceite de la caja de cambios sirve para lubricarla, pero también para refrigerar el motor eléctrico que hay en si interior y que, en los híbridos PHEV genera mucho calor. El circuito del aceite de la transmisión también pasa por un intercambiador de calor, donde es refrigerado por el circuito de refrigeración del vehículo. Esto es útil para mantener bajo control la temperatura de la caja en situaciones como la bajada de un puerto de montaña recuperando energía, donde el motor eléctrico trabaja mucho haciendo de generador de energía y desprendiendo mucho calor.
Si en modo eléctrico 100% súbitamente se necesita una aceleración importante y se pisa el acelerador (kick down), la caja tiene que hacer varias cosas en muy pocos milisegundos:
Es una situación compleja pero como el motor eléctrico ya está girando la transición es más rápida que en un coche de combustión.
Recuperación de energía
Cuando se levanta el pie del acelerador en un PHEV de BMW, el sistema entra en el modo de recuperación de energía (freno regenerativo). El motor de combustión se desacopla de la caja, el eléctrico deja de consumir energía, el giro de las ruedas mueve la transmisión (los engranajes de dentro de la caja de cambios), esta mueve el motor eléctrico, que genera electricidad y se envía a la batería de alta tensión para recargarla. Esto genera cierta resistencia mecánica que se siente como freno motor.
En un vehículo de combustión el freno motor depende de las revoluciones a las que gira el motor, y por tanto a la compresión de los pistones, pero en un PHEV depende de las revoluciones a las que gira el motor eléctrico.
Si la caja tiene seleccionada una marcha larga como la 8a, el motor eléctrico gira a pocas revoluciones, el coche “planea” y se regenera poca energía.
Si la caja reduce marchas y baja a la 3a ó 4a marcha, el motor eléctrico gira más rápido, genera más resistencia y se regenera más energía para recargar la batería de alta tensión.
El siguiente paso es la recuperación adaptativa de energía, utilizando la inteligencia del vehículo (los ADAS, los radares, el GPS y los mapas) para decidir que marcha poner para frenar según el entorno. Si el vehículo sabe que se acerca a una rotonda, o hay un vehículo cerca que frena, la caja de cambio reduce marchas de forma proactiva para aumentar la regeneracion eléctrica y frenar el coche sin necesidad de pisar el pedal del freno. En carretera, el vehículo puede decidir si es más eficiente poner el modo vela, desconectando los embragues internos de la caja de cambios, para rodar libremente por inercia o directamente frenarlo.
Cuando se pisa el pedal del freno, los primeros centímetros del recorrido no activan las pinzas y las pastillas del freno, sino que le piden a la inteligencia del vehículo que la caja de cambios y al motor eléctrico aumenten la resistencia mecánica. Esto se gestiona mediante el brake-by-wire, que hace un brake blending (mezcla) entre la frenada eléctrica (el freno motor) y la hidráulica (las pinzas y las pastillas del freno). Solo entran en funcionamiento los frenos convencionales cuando se pisa muy fuerte el pedal del freno, o cuando el vehículo ya casi se ha detenido, por debajo de 10 ó 15 km/h.
Es por este motivo que las pastillas de freno de un BMW PHEV suelen durar muchos más kilómetros que las de un vehículo de combustión puro (entre un 40% y un 60%).
Pero, y esto es importante, hay un límite en la regeneración de energía: si la batería está llena al 100% el vehículo no puede regenerar más, porque no tiene donde guardar la energía, y entonces utiliza más los frenos físicos o el freno motor convencional.
Convertidor de par versus doble embrague
Otro tipo de cajas de cambio muy utilizado son las de doble embrague, también conocidas como DCT (Dual Clutch Transmission). Aunque las DCT son más rápidas en cambiar de marchas, las cajas con convertidor de par han mejorado mucho desde la electrificación, con otras ventajas añadidas.
Antiguamente el convertidor de par gastaba más combustible que las cajas de doble embrague, pero las cajas modernas con convertidor de 4a generación bloquean el convertidor casi después de arrancar, lo que elimina el deslizamiento y las hace muy eficientes.
En una caja con convertidor de par, al soltar el freno el aceite ya empieza a empujar la turbina de forma progresiva (efecto creep, o arrastre). En una de doble embrague hay un movimiento físico de discos de embrague.
Cuando una caja con convertidor se calienta, el aceite absorbe el esfuerzo y el calor se disipa en el radiador sin que haya ningún desgaste por fricción. Al ser la transmisión de fuerza hidráulica, permite un movimiento más elástico.
Los motores modernos, como los biturbo y los híbridos, generan una fuerza muy elevada (par motor, Nm) desde muy bajas revoluciones. En una de doble embrague esto obligaría a tener unos discos enormes y a patinar para suavizar la salida. En cambio, una caja con convertidor utiliza el aceite como multiplicador de par, gestionando la fuerza sin desgaste mecánico.
Como hemos explicado antes, electrificar las cajas con convertidor es tan fácil como añadirles un motor eléctrico o directamente sustituir el convertidor por un motor eléctrico. Por contra, una caja de doble embrague es tan compacta y compleja que es muy difícil, por no decir imposible, integrar un motor eléctrico potente de 100 kW y meterlo dentro, por lo que la mayoría se instalan fuera de forma separada, perdiendo las ventajas de la integración, la compactación y el ahorro de espacio.
Una caja de doble embrague tiene muchas piezas móviles que sufren desgaste físico, como los discos. Las de convertidor son más caras de fabricar por su complejidad, pero son más robustas, necesitan menos reparaciones.
Marcas que utilizan convertidor de par
Por todo ello, al final BMW ha acabado poniendo una caja con convertidor de par de la família ZF 8HP hasta en los M3 y M4 modernos. Además, la família ZF 8HP se considera la reina de las transmisiones automáticas actuales, por su diseño modular, fiabilidad, etc.
Y poner una caja con convertidor de par es una tendencia seguida por la mayoría de marcas en sus modelos de alta gama, lujo, y deportivos. Algunas con las cajas de la família ZF 8HP, como BMW en sus M y Audi en sus RS, y otras con un convertidor de diseño propio, como Mercedes en sus AMG.
Aunque hay muchas marcas que utilizan cajas de cambio con convertidor de par, y las hay de varios fabricantes, la mayoría de ellas utilizan modelos de la família ZF 8HP. A pesar de ello no todas se comportan igual, ya que cada marca imprime su sello personal a la hora de programar la electrónica de control que la gestiona, la TCU. Por eso, aunque un Alfa Romeo y un Rolls-Royce utilicen cajas de la misma familia, el comportamiento de ellas es diferente, y en el Alfa pueden parecer más agresivas.
Algunas de las marcas que utilizan cajas con convertidor de par son:
¿Utiliza Mercedes Benz convertidor de par?
Si, Mercedes utiliza varias tecnologías en sus cajas de cambio, entre ellas el convertidor de par. A diferencia de otras marcas, es de las pocas que diseña y fabrica sus propias cajas de cambio.
Sobre las cajas MCT, hay que resaltar que son más rápidas al cambiar las marchas (100 milisegundos) que una de convertidor normal, que son capaces de bajar varias marchas de golpe, que conservan todos los engranajes de las cajas con convertidor de par, y que a la vez son más ligeras, con un peso total aproximado de 80 kg.
¿Hay que cambiar el aceite del convertidor de par?
Si. Aunque BMW lo llama aceite “para toda la vida” (lifetime fill), el fabricante ZF recomienda cambiar el aceite, el filtro, y hasta el cárter entero de la caja de cambios (en muchos casos), cada 80.000 / 120.000 km dependiendo del estado, o cada 8 años para asegurar su buen funcionamiento. Y bien mantenida, la caja puede durar 400.000 km sin problemas. El aceite necesario es el ZF Lifeguard 8, y es vital ya que estas cajas suelen sufrir temperatures de funcionamiento muy altas si se conducen de forma deportiva.
Saludos
Edito para PDF: Como funciona una caja de cambios con convertidor de par.pdf 328,7 KB
En este post explicaremos como funciona una caja de cambios con convertidor de par, como funcionan los engranajes y las marchas, que pasaría si quitamos el convertidor de par y conectamos el motor directamente a los engranajes, que es el embrague de bloqueo, si el estátor es fijo, las cajas de cambio con motor eléctrico integrado en los MHEV y PHEV, el modo eléctrico 100%, como se recupera o regenera la energía, una comparativa entre el convertidor de par y el doble embrague, que marcas utilizan el convertidor de par, y si Mercedes lo utiliza en sus vehículos.
Por último, una cuestión importante: ¿Hay que cambiar el aceite de la caja de cambios y del convertidor de par?
¿Como funciona un convertidor de par?
Imaginemos que ponemos dos ventiladores cara a cara. Si encendemos uno hará una corriente de aire que hará girar las aspas del segundo ventilador.
Una caja con convertidor de par funciona igual, pero cambiando el aire por aceite y encerrando los dos “ventiladores” en una caja cerrada. Y los dos “ventiladores” en realidad son turbinas. A la primera turbina se la llama bomba o impulsor, y a la segunda turbina a secas.
La primera turbina, llena de aceite, está conectada al motor, que cuando funciona la hace girar. Al girar esta primera turbina hace girar el aceite hacia la segunda turbina con tanta fuerza que golpea las palas, aspas o hélices de ella y la hacen girar también.
No hay conexión mecánica entre las dos turbinas, solo el movimiento del aceite.
Como la segunda turbina está conectada a las ruedas, al girar las hace mover.
Como las dos turbinas están cerradas en una caja, el aceite que rebota en la segunda turbina vuelve hacia la primera turbina pero en sentido contrario. Si esto sucediera y llegase hasta la primera turbina la frenaría y la llegaría a parar. Para que esto no suceda, entre las dos turbinas hay una especie de “difusor” central llamado estátor.
El estátor lo que hace es reorientar o girar el aceite para que vuelva a empujar de nuevo hacia la segunda turbina. Esto hace que se junte el aceite lanzado por la primera turbina con el aceite repelido por la segunda y reorientado por el estátor, y se produce un efecto multiplicador de par.
El convertidor de par es esta “caja” cerrada que incluye las dos turbinas y el estátor central. Tiene forma de “donut” sellado y va alojada dentro de la “campana” de la caja de cambios. Se le llama convertidor porque es capaz de convertir (multiplicar) el par motor de la entrada (el que viene del motor) en una fuerza más grande (la que sale hacia los engranajes). Recordemos que el par motor es una fuerza.
*Foto esquemática de un convertidor de par. A la izquierda se puede ver el eje conectado al motor (Engine input), y la turbina o “bomba” que impulsa el aceite (Pump impulser, pump significa bomba). Las flechas azules indican el flujo de aceite hacia la segunda turbina (en azul), que la hacen girar en sentido contrario. El aceite que rebota en la segunda turbina va hacia el estátor, que lo vuelve a enviar de nuevo hacia la segunda turbina, haciendo “multiplicar” la fuerza. A la derecha se puede ver la salida (Transmission output) del convertidor de par hacia el tren de engranajes. En inglés, el par motor se llama “torque”.
La caja de cambios tiene forma cilíndrica y, en el extremo más cercano al motor se ensancha en una forma parecida a la de una campana, y es ahí donde está el convertidor de par.
*Foto de una caja de cambios ZF 8HP convertidora de par. A la izquierda hay el eje que la conecta al motor, y se vé que tiene forma de campana para albergar el donut del convertidor de par. En el centro se vé la parte cilíndrica que alberga el tren de planetarios con los engranajes. Y a la derecha hay el eje que la conecta con los ejes de las ruedas.
Una vez el par motor sale multiplicado del convertidor de par, entra en un tren de planetarios, es decir, un grupo de engranajes. A partir de ahora ya se trata de un proceso mecánico. Será en los engranajes donde se seleccionaran las marchas, de la primera a la octava, gracias a varias combinaciones de ruedas dentadas que se bloquean o liberan mediante presión hidráulica (aceite).
¿Como funciona el tren de planetarios?
Un tren planetario o epicicloidal es un grupo o estructura de engranajes que recuerda un sistema solar (ver foto), y por esto se llama planetario.
- El equivalente al sol es una rueda dentada central por donde entra la fuerza que viene del convertidor de par.
- Los planetas o satélites son varias ruedas dentadas pequeñas que giran alrededor del sol central.
- El portador (carrier) o porta planetas (en azul) es una pieza que sujeta los ejes de los planetas y los hace girar en bloque. Además es la salida del tren planetario y el que transmite la fuerza al siguiente tren de planetarios o al eje de las ruedas.
- La corona es el anillo exterior con dientes internos que cierra todo el conjunto.
*Foto del tren planetario. “Sun Gear” es el equivalente al sol por donde entra la fuerza que viene del convertidor de par. Los “Planet Gear” son los planetas o satélites que giran alrededor del sol central. El “Carrier” (portador, en azul) es la pieza que sujeta los ejes de los planetas y los hace girar en bloque. También es la salida de la fuerza hacia el siguiente tren planetario o hacia las ruedas. La “Ring Gear” (corona) es el anillo exterior que cierra todo el tren. “Stationary” es la carcasa exterior que proteje todo el conjunto. Y las flechas rojas indican la dirección del movimiento.
Una caja de cambios automática con convertidor de par como las de la família ZF 8HP, que equipa muchos modelos de BMW, tiene 4 trenes planetarios seguidos o en serie.
A diferencia de una caja manual que pone y quita engranajes según la marcha escogida, las ZF 8HP no mueven engranajes de sitio, sino que utilizan embragues y frenos internos para seleccionar las marchas:
- Si necesitamos reducir la velocidad para tener mucha más fuerza, la caja frenará la corona (o anillo exterior) y hará girar los planetas (ruedas dentadas pequeñas) para que el portador gire muy lentamente pero con mucha fuerza, lo que es ideal para una 1a marcha.
- Si necesitamos aumentar la velocidad y mantenerla (overdrive), la caja frenará la rueda dentada central (que representa el sol) y hará girar el portador para que la corona gire mucho más rápido, lo que es ideal para una 8a marcha en autopista.
- Si necesitamos estar en punto muerto, la caja simplemente abrirá (desacoplará) todos los embragues, porque si no hay ningún embrague cerrado o acoplado que conecte el motor con los engranajes la fuerza no llegará a las ruedas.
- Si necesitamos poner la marcha atrás, la caja frenará o hará girar ciertos elementos para conseguir que el eje de salida (el portador) gire en sentido contrario (marcha atrás).
Los frenos internos hacen frenar algunos engranajes para que los demás giren más o menos, y los embragues internos juntan o separan elementos. Si los embragues están cerrados acoplan o juntan elementos para transmitir todo el movimiento, y si están abiertos desacoplan o separan elementos para no transmitir nada. Es decir, los embragues tienen dos posiciones, todo o nada, pero no tienen más posiciones ni pueden modular la fuerza con diferentes grados.
Además, los dos primeros trenes planetarios o juegos de engranajes están unidos por la rueda dentada central (sol) para poder transmitir más fuerza conjuntamente.
Un tren planetario recibe la fuerza del tren anterior, pero no siempre por el eje central (sol). La puede recibir por 3 vías diferentes. Y la transmite al siguiente tren también por estas 3 vías. Dependiendo de la marcha seleccionada, la fuerza puede entrar por el eje central (sol), por la corona (anillo exterior) o por el portador. Lo que hace la caja es jugar con estos tres elementos: bloquea uno (con los frenos interiores), utiliza otro de entrada, y el restante de salida. Según la combinación escogida, se modifica la relación de transmisión para disponer de mayor fuerza, de mayor velocidad, o una combinación de las dos.
*Foto de una caja de cambios ZF 8HP convertidora de par. Se pueden ver los trenes planetarios o juegos de engranajes número 1 (4), número 2 (5), número 3 (6) y número 4 (7), los frenos A (14) y B (13), los embragues C (10), D (9) y E (11) que juntan o separan elementos y el bloqueo de parada (8). También se puede ver el (12) que está mal etiquetado y debería etiquetarse un poco más hacia la izquierda, justo entre el (4) y el (5). Se trata de la rueda dentada central (sol) que une los dos primeros trenes planetarios para poder transmitir más fuerza. El resto de números los explicaremos más adelante.
La gran ventaja de estas cajas de cambios es que con solo 5 elementos de cambio combinados (3 embragues y 2 frenos), se consiguen 8+1 marchas, y que para pasar de una marcha a la siguiente, solo hay que abrir un embrague y cerrar otro.
Esto hace que el cambio sea muy rápido, unos 200 milisegundos, casi instantáneo ya que no hay movimientos mecánicos complejos, solo variaciones en la presión del aceite que activan o desactivan estos engranajes.
Además, dado que el intervalo entre marchas es tan pequeño (200 ms), no hay pérdida de potencia entre que se quita una marcha y se pone la otra. Y aunque antes hemos dicho que los embragues solo tienen dos posiciones y no pueden modular la fuerza, la unidad de control o electrónica que gestiona la caja de cambios (TCU) si que modula la presión del aceite durante estos 200 ms para suavizar la transición y evitar un estirón, lo que se llama slip control.
En resumen, gran parte del éxito de estas cajas se debe a la unidad de control que las gestiona, la TCU.
*La siguiente tabla nuestra en que marcha actuan los frenos internos y los embragues juntan los elementos.
| Marcha | Freno A | Freno B | Embrague C | Embrague D | Embrague E |
| 1 | ● | ● | ● | ||
| 2 | ● | ● | ● | ||
| 3 | ● | ● | ● | ||
| 4 | ● | ● | ● | ||
| 5 | ● | ● | ● | ||
| 6 | ● | ● | ● | ||
| 7 | ● | ● | ● | ||
| 8 | ● | ● | ● | ||
| R | ● | ● | ● |
Por ejemplo, tres apuntes sobre la tabla:
- Para pasar de 1a a 2a marcha, lo único que hace la caja es abrir o desacoplar el embrague C y cerrar el E, sin variar nada más, que queda igual.
- La 6a marcha es la más directa de todas, ya que acopla o cierra los tres embragues (C, D, E) pero ningún freno, haciendo que prácticamente todo el conjunto gire de forma solidaria.
- Las 7a y 8a marchas se llaman overdrive porque el motor gira más lentamente que las ruedas, cosa que reduce el consumo y el ruido en autopista.
¿Que pasaria si conectamos el motor directamente a los engranajes?
Llegado a este punto, podríamos pensar ¿porque no conectamos directamente el motor a los engranajes y eliminamos el convertidor de par? Es decir ¿que pasaría si quitamos las dos turbinas y el estátor?.
Bueno, el convertidor de par hace de “cojín” de aceite, y tendríamos tres problemas graves que impedirían conducir el coche en el día a día:
- El coche se calaría siempre. Mientras el vehículo está parado en un semáforo las ruedas están paradas, no giran. Si el eje del motor estuviera unido rígidamente a los engranajes, al no girar las ruedas el motor tampoco podría girar y debería pararse en seco. El convertidor de par permite que el motor siga girando pero al ralentí, mientras el coche está frenado y las ruedas no giran. El aceite se sigue moviendo dentro del convertidor, pero sin transmitir suficiente fuerza como para mover las ruedas, aunque manteniendo el motor vivo en marcha para cuando se arranque.
- El arranque sería brusco y destructivo. Sin el multiplicador de par motor que hace el estátor y la suavidad del aceite, intentar mover 2 toneladas de vehículo desde cero sería como intentar arrancar un coche con cambio manual en 3a marcha sin apretar el embrague, se sacudiría mucho y probablemente se rompería un engranaje o el motor.
- Se perdería la mitad del par motor. El convertidor de par en realidad es un multiplicador de par, porque lo duplica. Si lo quitáramos perderíamos la mitad del par motor del vehículo, y no es lo mismo disponer de un par motor de 800 Nm que disponer solo de 400 Nm en un vehículo de 2 toneladas, porque no tendría la misma fuerza ni la misma aceleración.
Embrague de bloqueo
Hay veces, pero, en las que si hay una conexión directa entre el motor y los engranajes, como si no hubiera convertidor de par.
Cuando el vehículo circula a velocidad constante, por ejemplo en una autopista, y siempre en velocidades superiores a 10 ó 20 km/h, hay un embrague interno que une mecánicamente las dos turbinas, el aceite deja de trabajar, se produce una conexión directa como en una caja manual, se consume menos combustible, y se tiene una respuesta más inmediata. Esta situación se llama Lock-up clutch, que quiere decir embrague de bloqueo.
¿El estátor es fijo?
El estátor está fijo mientras el aceite vuelve de la segunda turbina para así poderlo redirigir de nuevo hacia ella. Utiliza un mecanismo de un solo sentido (one way clutch) de forma que solo puede girar en una dirección. Pero cuando el vehículo ya ha alcanzado cierta velocidad y el aceite gira en armonía, el estátor se desbloquea y se deja ir para girar libre con el aceite y no frenarlo, porque ya no hace falta redirigir el aceite.
Las cajas con motor eléctrico integrado
Hasta ahora hemos hablado de las cajas de cambio con convertidor de par utilizadas en los coches de combustión (ICE), pero con todo el tema de la electrificación, el siguiente paso fue integrar un motor eléctrico dentro de la caja de cambios. Y aquí se adoptaron dos soluciones ingeniosas:
- La primera opción es la utilizada en los Mild Hybrid (MHEV) de 48 V, donde el motor eléctrico, que es pequeño y de poca potencia (unos 20 CV), se instala entre el motor de combustión y el convertidor de par (ejemplo de la família ZF 8HP de 4a generación) pero dentro de la carcasa de la caja de cambios. La carcasa también incluye el inversor de corriente, ahorrando espacio y cableado externo de alta tensión. Tener el motor eléctrico dentro hace que ayude directamente en las aceleraciones, recupere energía de frenada de forma más eficiente y permite un funcionamiento del Star & Stop más suave e imperceptible.
*Foto de una caja de cambios con conversor de par de la família ZF 8HP Mild Hybrid (MHEV) de 48 V. Se puede ver el convertidor de par (2) y delante el motor eléctrico (1) micro híbrido de 48 V, que se situa entre el motor de combustión y el convertidor de par. También se puede ver la electrónica EME48 (10) que controla el motor eléctrico, el sensor de posición del rotor (3) y la conexión (4), la conexion al sistema de 12 V del vehículo (5), las fases U (11), V (6) y W (7), las conexiones positiva (13) y negativa (8) al circuito de 48 V de la batería, y la entrada (9) y salida (12) del circuito refrigerante.
- La segunda opción es la utilizada en los híbridos enchufables (PHEV), donde directamente se sustituye el convertidor de par por un potente motor eléctrico (de hasta 197 CV), instalado en el mismo sitio, y con una forma similar de anillo o donut, también dentro de la carcasa de la caja de cambios (ejemplo de la família ZF 8HP). En lugar de un convertidor de par hidraulico, se instala un embrague húmedo de separación llamado K0, que permite desconectar fisicamente el motor de combustión del resto de la transmisión para poder circular en modo 100% eléctrico sin sufrir las fricciones del motor de combustión. Esto permite que el coche arranque muy rápido y con mucha fuerza desde cero porque el motor eléctrico entrega el par máximo desde 1 rpm.
*Foto de una caja de cambios de la família ZF 8HP con el convertidor de par sustituido por un motor eléctrico (1) de alta tensión en un BMW PHEV. También se puede ver la electrónica EGS-EME (7) que controla el motor eléctrico, el sensor de posición del rotor (2) y su conexión (3), la conexion al sistema de 12 V del vehículo (4), las fases U, V y W (5), las conexiones (9) al circuito de alta tensión de la batería, y la entrada (6) y salida (8) del circuito refrigerante.
El convertidor de par se elimina para ahorrar espacio y ganar eficiencia. Como el motor eléctrico de un PHEV es muy potente y tiene mucho par instantáneo desde cero revoluciones, no necesita la multiplicación de par que ofrece el convertidor de par para arrancar. Además, eliminar el convertidor deja más espacio para un motor eléctrico capaz de mover el coche a velocidades de autopista.
Y cajas de cambio como la ZF 8HP de 4a generación se han diseñado desde cero de forma modular para que la misma arquitectura sin grandes cambios pueda llevar un convertidor (ICE), un pequeño motor eléctrico integrado con el convertidor (MHEV 48 V), o un motor eléctrico (PHEV).
El motor eléctrico integrado dentro de la caja 8HP de 8 velocidades asume la función de arrancar el vehículo porque dispone de su par máximo desde cero sin necesidad SW multiplicar el par en el convertidor. Además, durante los cambios de marcha, compensa la caida de par en los instantes que el motor de combustión se desconecta monentáneamente de las ruedas (el llamado Torque filling, relleno de par), para que la transición sea más suave sin tirones.
Para garantizar una transición suave entre el modo eléctrico 100% y el híbrido, BMW utiliza un embrague de separación que acopla el motor de combustión de forma progresiva (embrague de desconexión triple), y la electrónica ajusta la velocidad de rotación del motor de combustión para que coincida con la velocidad de la transmisión antes de cerrar el embrague del todo y acoplarlo totalmente.
Además, en los modelos más recientes, como el BMW XM, se utiliza una etapa de pre-engranaje entre el motor eléctrico y el eje de entrada de la transmisión que aumenta el par efectivo y permite que el motor eléctrico gestione cargas pesadas con más suavidad sin depender de componentes hidráulicos voluminosos.
Aunque este sistema es altamente eficiente, en algunas situaciones se puede notar una sensación de bamboleo o pequeña desaceleración en aceleraciones fuertes cuando el motor eléctrico no puede cubrir totalmente el par durante el cambio entre marchas.
Modo eléctrico 100%
En un PHEV, cuando se circula en modo 100% eléctrico, el motor de combustión está apagado y desconectado, pero la caja de cambios sigue funcionando con las 8 marchas disponibles, a diferencia de los vehículos eléctricos puros (BEV) que solo tienen una marcha fija. Así, a baja velocidad puede utilizar marchas cortas para tener mucha fuerza, por ejemplo subiendo una rampa de parking, y a 120 km/h en autopista puede utilizar la 8a marcha para reducir el consumo de batería.
Tal como hemos explicado antes, en las cajas de cambio de convertidor de par, como la família ZF 8HP, los cambios de marcha se hacen mediante presión hidráulica que mueve los frenos y embragues internos.
En los vehículos de combustión (ICE), esta presión la genera una bomba mecánica que gira con el motor. Es muy potente y mueve grandes caudales de aceite para refrigerar la caja de cambios cuando el vehículo circula a alta velocidad o bajo mucha carga, por ejemplo subiendo un puerto de montaña con el motor de combustión a pleno rendimiento.
Pero en vehículos híbridos (PHEV), cuando se circula en modo eléctrico 100%, el motor de combustión está apagado y no gira, así que la bomba mecánica tampoco gira ni funciona. Sin presión de aceite los embragues patinan y los engranajes podrían quemarse o deformarse por falta de lubricación.
Para resolver este problema, los PHEV incorporan una bomba eléctrica adicional, que a veces sustituye la principal, y que funciona con la electricidad de la batería de alta tensión, y que mantiene la presión del circuito hidraulico de aceite constante para que los cambios sean rápidos y suaves aunque se circule en modo 100% eléctrico de forma silenciosa.
Esta bomba hace que el aceite circule por los cojinetes y engranajes mientras las ruedas giran, evitando el desgaste por fricción aunque el motor de combustión este apagado. Si no hubiera esta bomba adicional, cuando el motor de combustión volviera a arrancar tardaría mucho en hacerlo. Es el famoso lag o retardo.
En los modelos más recientes se utiliza una de las siguientes tres opciones:
- Una bomba eléctrica para optimizar la eficiencia, ya que una bomba mecánica quita potencia al motor.
- Una bomba dual mecánica y eléctrica.
- Un acumulador de presión hidráulica.
El acumulador de presión es como un depósito de reserva que guarda aceite bajo mucha presión. ZF lo llama Hydraulic Impulse Storage (HIS). Cuando el vehículo se para por el Start & Stop, mientras el motor todavía gira, el acumulador guarda aceite y lo mantiene así hasta el momento de soltar el pie del freno y arrancar. Entonces, el acumulador suelta el aceite y el vehículo puede salir disparado sin necesidad de esperar que la bomba arranque, empiece a girar, y genere suficiente presión de aceite.
En el caso de que la bomba eléctrica adicional fallase, el vehículo detectaría la falta de presión e inmediatamente encendería el motor de combustión por seguridad, para hacer girar la bomba mecánica principal y proteger la transmisión, aun teniendo el motor eléctrico funcionando y la batería de alta tensión llena.
El aceite de la caja de cambios sirve para lubricarla, pero también para refrigerar el motor eléctrico que hay en si interior y que, en los híbridos PHEV genera mucho calor. El circuito del aceite de la transmisión también pasa por un intercambiador de calor, donde es refrigerado por el circuito de refrigeración del vehículo. Esto es útil para mantener bajo control la temperatura de la caja en situaciones como la bajada de un puerto de montaña recuperando energía, donde el motor eléctrico trabaja mucho haciendo de generador de energía y desprendiendo mucho calor.
Si en modo eléctrico 100% súbitamente se necesita una aceleración importante y se pisa el acelerador (kick down), la caja tiene que hacer varias cosas en muy pocos milisegundos:
- Reducir 2 ó 3 marchas.
- Cerrar (acoplar) el embrague de separación K0 para conectar el motor de gasolina.
- Arrancar el motor de gasolina utilizando el giro del motor eléctrico para hacerlo girar también y ponerlo en marcha más rápidamente.
Es una situación compleja pero como el motor eléctrico ya está girando la transición es más rápida que en un coche de combustión.
Recuperación de energía
Cuando se levanta el pie del acelerador en un PHEV de BMW, el sistema entra en el modo de recuperación de energía (freno regenerativo). El motor de combustión se desacopla de la caja, el eléctrico deja de consumir energía, el giro de las ruedas mueve la transmisión (los engranajes de dentro de la caja de cambios), esta mueve el motor eléctrico, que genera electricidad y se envía a la batería de alta tensión para recargarla. Esto genera cierta resistencia mecánica que se siente como freno motor.
En un vehículo de combustión el freno motor depende de las revoluciones a las que gira el motor, y por tanto a la compresión de los pistones, pero en un PHEV depende de las revoluciones a las que gira el motor eléctrico.
Si la caja tiene seleccionada una marcha larga como la 8a, el motor eléctrico gira a pocas revoluciones, el coche “planea” y se regenera poca energía.
Si la caja reduce marchas y baja a la 3a ó 4a marcha, el motor eléctrico gira más rápido, genera más resistencia y se regenera más energía para recargar la batería de alta tensión.
El siguiente paso es la recuperación adaptativa de energía, utilizando la inteligencia del vehículo (los ADAS, los radares, el GPS y los mapas) para decidir que marcha poner para frenar según el entorno. Si el vehículo sabe que se acerca a una rotonda, o hay un vehículo cerca que frena, la caja de cambio reduce marchas de forma proactiva para aumentar la regeneracion eléctrica y frenar el coche sin necesidad de pisar el pedal del freno. En carretera, el vehículo puede decidir si es más eficiente poner el modo vela, desconectando los embragues internos de la caja de cambios, para rodar libremente por inercia o directamente frenarlo.
Cuando se pisa el pedal del freno, los primeros centímetros del recorrido no activan las pinzas y las pastillas del freno, sino que le piden a la inteligencia del vehículo que la caja de cambios y al motor eléctrico aumenten la resistencia mecánica. Esto se gestiona mediante el brake-by-wire, que hace un brake blending (mezcla) entre la frenada eléctrica (el freno motor) y la hidráulica (las pinzas y las pastillas del freno). Solo entran en funcionamiento los frenos convencionales cuando se pisa muy fuerte el pedal del freno, o cuando el vehículo ya casi se ha detenido, por debajo de 10 ó 15 km/h.
Es por este motivo que las pastillas de freno de un BMW PHEV suelen durar muchos más kilómetros que las de un vehículo de combustión puro (entre un 40% y un 60%).
Pero, y esto es importante, hay un límite en la regeneración de energía: si la batería está llena al 100% el vehículo no puede regenerar más, porque no tiene donde guardar la energía, y entonces utiliza más los frenos físicos o el freno motor convencional.
Convertidor de par versus doble embrague
Otro tipo de cajas de cambio muy utilizado son las de doble embrague, también conocidas como DCT (Dual Clutch Transmission). Aunque las DCT son más rápidas en cambiar de marchas, las cajas con convertidor de par han mejorado mucho desde la electrificación, con otras ventajas añadidas.
Antiguamente el convertidor de par gastaba más combustible que las cajas de doble embrague, pero las cajas modernas con convertidor de 4a generación bloquean el convertidor casi después de arrancar, lo que elimina el deslizamiento y las hace muy eficientes.
En una caja con convertidor de par, al soltar el freno el aceite ya empieza a empujar la turbina de forma progresiva (efecto creep, o arrastre). En una de doble embrague hay un movimiento físico de discos de embrague.
Cuando una caja con convertidor se calienta, el aceite absorbe el esfuerzo y el calor se disipa en el radiador sin que haya ningún desgaste por fricción. Al ser la transmisión de fuerza hidráulica, permite un movimiento más elástico.
Los motores modernos, como los biturbo y los híbridos, generan una fuerza muy elevada (par motor, Nm) desde muy bajas revoluciones. En una de doble embrague esto obligaría a tener unos discos enormes y a patinar para suavizar la salida. En cambio, una caja con convertidor utiliza el aceite como multiplicador de par, gestionando la fuerza sin desgaste mecánico.
Como hemos explicado antes, electrificar las cajas con convertidor es tan fácil como añadirles un motor eléctrico o directamente sustituir el convertidor por un motor eléctrico. Por contra, una caja de doble embrague es tan compacta y compleja que es muy difícil, por no decir imposible, integrar un motor eléctrico potente de 100 kW y meterlo dentro, por lo que la mayoría se instalan fuera de forma separada, perdiendo las ventajas de la integración, la compactación y el ahorro de espacio.
Una caja de doble embrague tiene muchas piezas móviles que sufren desgaste físico, como los discos. Las de convertidor son más caras de fabricar por su complejidad, pero son más robustas, necesitan menos reparaciones.
Marcas que utilizan convertidor de par
Por todo ello, al final BMW ha acabado poniendo una caja con convertidor de par de la família ZF 8HP hasta en los M3 y M4 modernos. Además, la família ZF 8HP se considera la reina de las transmisiones automáticas actuales, por su diseño modular, fiabilidad, etc.
Y poner una caja con convertidor de par es una tendencia seguida por la mayoría de marcas en sus modelos de alta gama, lujo, y deportivos. Algunas con las cajas de la família ZF 8HP, como BMW en sus M y Audi en sus RS, y otras con un convertidor de diseño propio, como Mercedes en sus AMG.
Aunque hay muchas marcas que utilizan cajas de cambio con convertidor de par, y las hay de varios fabricantes, la mayoría de ellas utilizan modelos de la família ZF 8HP. A pesar de ello no todas se comportan igual, ya que cada marca imprime su sello personal a la hora de programar la electrónica de control que la gestiona, la TCU. Por eso, aunque un Alfa Romeo y un Rolls-Royce utilicen cajas de la misma familia, el comportamiento de ellas es diferente, y en el Alfa pueden parecer más agresivas.
Algunas de las marcas que utilizan cajas con convertidor de par son:
- BMW utiliza convertidor de par ZF 8HP de 8 velocidades, con el nombre Steptronic, en las Series 3, 4, 5, 6, 7, X3, X4, X5, X6, X7, y utiliza cajas de doble embrague de Magna (Getrag) de 7 velocidades en las Series 1, 2, X1, y X2.
- El Grupo Volkswagen es uno de los clientes más grandes de ZF, aparte de BMW:
- Audi las llama ”Tiptronic” y las utiliza en sus modelos con motor longitudinal y tracción “quattro” real (Torsen), como los A4, A6, A8, Q5, Q7, RS6, y RS7. En cambio, en los modelos con motor transversal, como los A3 y Q3 utiliza cajas S-tronic, que son de doble embrague.
- Porsche utiliza las 8HP en algunas versiones de sus modelos Cayenne y Panamera por su elevado par, su suavidad y su confort. El famoso 911 y el 718 utilizan una caja de cambios PDK (Porsche Doppel Kupplung), que es de doble embrague fabricada por ZF por su rapidez.
- Volkswagen la utiliza en el Touareg, por su elevado par motor y gran capacidad de remolque.
- El Bentley Continental GT y el Lamborghini Urus utilizan la 8HP en sus motores V8 y W12 biturbo.
- Seat y Skoda utilizan las cajas DSG (Direct Shift Gearbox) que son de doble embrague.
- Stellantis, el antiguo Grupo Chrysler y Fiat también las utiliza:
- Peugeot, Citroën y DS utilizan cajas con convertidor de par Aisin EAT8 de 8 velocidades en sus modelos Peugeot 3008, Citroën C5 Aircross y DS 7, entre otros.
- La mayoría de Jeep Grand Cherokee y camionetas RAM 1500 utilizan cajas con convertidor fabricadas bajo licencia con el nombre de TorqueFlite 8.
- Alfa Romeo utiliza las 8HP en el Giulia y Stelvio, incluidas las versiones Quadrifoglio, por lo que hay quien considera que tienen un tacto similar a los BMW a la italiana.
- Maserati las utiliza en sus modelos Ghibli, Quattroporte y Levante.
- Hyundai y Kia utilizan convertidor de par en modelos grandes, potentes, y en versiones HEV y PHEV de 6 velocidades como los Hyundai Tucson y Santa Fe, y los Kia Sportage y Sorento. También en los gasolina y diesel de 8 velocidades con caja Shiftronic. En cambio, las versiones turbo pequeñas o MHEV micro híbridas como los Hyundai i20, i30, Kona o Kia Ceed utilizan una caja de doble embrague de 7 velocidades.
- Renault utiliza cajas EDC (Efficient Dual Clutch) que son de doble embrague, excepto en alguna furgoneta.
- Ford fue pionera con las PowerShift de doble embrague, pero tuvo problemas y volvió al convertidor de par.
- Utiliza el convertidor en modelos como el Focus diesel de 8 velocidades, el Kuga de gasolina y diesel no híbridos, el Mustang V8 de 10 velocidades, y las camionetas Ranger y Transit.
- Pero sigue utilizando cajas de doble embrague de 7 marchas en el Puma, y en los Focus gasolina y MHEV.
- Lo curioso es que el Mustang V8 lleva convertidor, pero la versión radical Shelby GT500 utiliza una caja Tremec de doble embrague para un rendimiento de circuito.
- Y en los Kuga HEV y PHEV utiliza una transmisión de variador continuo controlado electrónicamente (e-CVT) similar a la de Toyota que no tiene engranajes fijos ni convertidor.
- El grupo Jaguar y Land Rover también las utilizan prácticamente en todos sus modelos actuales, desde el Jaguar F-Type hasta el Range Rover, pasando por el Defender, porque son un socio histórico de ZF.
- Volvo utiliza las cajas con convertidor de par de 8 velocidades, fabricadas por Aisin, bajo el nombre de Geartronic en modelos de gasolina, diesel, híbridos (HEV) y micro híbridos (MHEV) como los XC60, XC90, S60, V60, S90 y V90, y híbridos enchufables (PHEV) Recharge T6 / T8. En cambio, en modelos de acceso como XC40 (B3 y B4), y algunos S60 y V60 utiliza cajas de doble embrague de 7 velocidades. Y en los eléctricos (BEV) como los modelos EX30, EX90, EC40, utiliza una transmisión directa de una sola velocidad.
- Rolls-Royce la utiliza por su suavidad extrema en todos sus modelos, incluidos los Phantom, Ghost, y Cullinan.
- Aston Martin las utiliza en el DBS, el Vantage y el DBX.
- Toyota las utiliza en el Supra A90, porque utiliza la misma plataforma y mecánica que el BMW Z4. En el resto de modelos, como los Corolla, Yaris, RAV4 y C-HR híbridos, utiliza una transmisión de variador continuo controlado electrónicamente (e-CVT) que no tiene engranajes fijos ni convertidor y que es muy diferente de los CVT tradicionales.
- Ineos también las utiliza en su modelo Grenadier por su robustez en el uso todo terreno extremo.
- En cuanto a las marcas chinas, en general utilizan doble embrague o e-CVT, excepto algun caso excepcional.
- MG (SAIC Motor) utiliza en sus vehículos híbridos cajas de cambios e-CVT. En los eléctricos que solo tienen 1 velocidad no utiliza cajas de cambio. En los gasolina utiliza cajas de doble embrague, excepto en el MG ZS que utiliza un convertidor de par Aisin de 6 marchas con el motor 1.0 T-GDI (999 cc) de 3 cilindros y origen General Motors.
- Omoda y Jaecoo (Chery Group) utiliza cajas de doble embrague y 7 velocidades fabricadas por GWM. En otros mercados también utiliza variadores continuos CVT.
- BYD (Build Your Dreams) utiliza en sus modelos híbridos el sistema EHS (Electric Hybrid System) que no utiliza convertidor y si un motor eléctrico. En los eléctricos utiliza una transmisión directa.
- Lynk & Co (Geely Group) comparte la tecnología con Volvo, que es de su propiedad. En si modelo Lynk & Co 01 utiliza una caja de doble embrague de 7 velocidades. En modelos más grandes y potentes utiliza convertidor de par como Volvo.
¿Utiliza Mercedes Benz convertidor de par?
Si, Mercedes utiliza varias tecnologías en sus cajas de cambio, entre ellas el convertidor de par. A diferencia de otras marcas, es de las pocas que diseña y fabrica sus propias cajas de cambio.
- En modelos como los Clase C, E, S, GLC, etc., utiliza una caja de convertidor de par de 9 velocidades llamada 9G-Tronic, pero es de fabricación propia, aunque es similar a la ZF 8HP en comportamiento .
- En los modelos AMG como los C63, E63, AMG GT 4 puertas, etc., utilizan la caja AMG Speedshift MCT, que es su caja de 9 velocidades a la cual le han sustituido el convertidor de par por un embrague multidisco bañado en aceite para hacerla más rápida, una especie de caja híbrida con el nombre técnico es “transmisión planetaria con embrague de arranque multidisco”.
- En los modelos pequeños de tracción delantera como los Clase A, B, CLA, GLA, etc.), sigue utilizando las cajas de doble embrague. Son las únicas que no fabrica Mercedes y utilizan las 7G-DCT ó 8G-DCT de Magna (Getrag).
Sobre las cajas MCT, hay que resaltar que son más rápidas al cambiar las marchas (100 milisegundos) que una de convertidor normal, que son capaces de bajar varias marchas de golpe, que conservan todos los engranajes de las cajas con convertidor de par, y que a la vez son más ligeras, con un peso total aproximado de 80 kg.
¿Hay que cambiar el aceite del convertidor de par?
Si. Aunque BMW lo llama aceite “para toda la vida” (lifetime fill), el fabricante ZF recomienda cambiar el aceite, el filtro, y hasta el cárter entero de la caja de cambios (en muchos casos), cada 80.000 / 120.000 km dependiendo del estado, o cada 8 años para asegurar su buen funcionamiento. Y bien mantenida, la caja puede durar 400.000 km sin problemas. El aceite necesario es el ZF Lifeguard 8, y es vital ya que estas cajas suelen sufrir temperatures de funcionamiento muy altas si se conducen de forma deportiva.
Saludos
Edito para PDF: Como funciona una caja de cambios con convertidor de par.pdf 328,7 KB
Última edición por un moderador:
