LA CAJA DE CAMBIOS DE MERCEDES, UNA IDEA ORIGINAL

 

Muchas veces cuando queremos ensalzar las prestaciones de un coche que destaca de manera abrumadora sobre los demás solemos apuntar con el dedo de manera equivocada a una parte concreta del engendro como responsable de  dicha superioridad. En los años gloriosos de Red Bull siempre sucedió así y este año con Mercedes no va a ser menos. 

Por aquél entonces se decía que el responsable del dominio era el difusor soplado, otro año el soplado de los escapes sin acelerar, otros su perfecta aerodinámica unida a unos ingeniosos alerones flexibles y así podíamos llenar medio artículo. Con Mercedes pasa igual siendo su Unidad de Potencia la culpable de todas sus victorias pero no es así. Es verdad que el corazón diseñado por los alemanes late con mayor potencia que los demás pero no es menos cierto que hay otros equipos que lo usan y no ganan carreras.

Un coche ganador es la suma de multitud de elementos que perfectamente integrados permite a los pilotos tener un arma poderosa y en ocasiones imbatible. El W05 es un perfecto ejemplo de ello. Si a su extraordinaria UP añadimos un chasis que se integra  a la perfección con él, una aerodinámica pulida, un consumo menor que sus rivales, unas necesidades de refrigeración relativamente “bajas”, un perfecto empaquetamiento de todos los elementos que forman la mecánica y la electrónica del coche está claro que no hay rival que los alcance en la pista. Si todas estas ventajas no fueran por si suficientes para explicar el dominio mostrado, os aseguro que aún quedarán muchas cosas nuevas por descubrir.

Hace unos días scarbsf1 realizó una explicación sobre otro de los elementos que hace al W05 imbatible, su caja de cambio. Para ser más preciso lo realmente “novedoso” es la forma de la estructura de fibra de carbono que encapsula la caja de cambio.

Vamos por partes para facilitar la comprensión. Cuando normalmente hablamos de la caja de cambio tendemos a pensar que es simplemente los engranajes que permiten  obtener en las ruedas el par motor (potencia de giro) suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al avance pero realmente solemos olvidar otro elemento que tiene una gran importancia, su estructura externa. La carcasa de esta caja de cambios sirve para darle rigidez a todo el sistema. Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axiales a la carcasa de la caja de cambios, que en los coches de calle suele ser de fundición gris, (ya en desuso) aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, los mecanismos selectores, las bombas de aceite  y en algunos casos hasta el diferencial. Por tanto sirve de soporte  para que  los engranajes puedan tener el soporte preciso para soportar la carga inducida por el par de torsión, manteniendo a su vez lubricado el interior y la suciedad fuera. Su estructura debe permitir el acceso al interior para montaje.

En la F1 esta carcasa forma parte de la estructura principal del chasis, montada en la zaga del monoplaza justo detrás del motor. El espacio sobrante se puede emplear para rellenarlo con el aceite del motor, hidráulicos y el decantador de aceite. En última instancia, las cajas de cambio de los Fórmula 1 actuales deben montar la estructura trasera de impacto que, normalmente, se recubre con una cubierta desmontable que también incorpora la estructura del alerón trasero.

En el mundo de la competición no se usan cajas de cambios simples, tan sólo en categorías muy básicas. Desde que en 1989 Ferrari mostrara el beneficio que aportaba las cajas de cambio semi-automáticas, la evolución de estas piezas ha sido continua sobre todo para hacerlas por un lado más pequeñas, por otro más ligeras gracias al uso materiales avanzados, particularmente en los engranajes y en la carcasa  y sobre todo, que realicen los cambios de la manera más rápida posible. En la actualidad todos utilizan el sistema seamless (sin uniones) donde se cambia de marcha sin destrabar la anterior y por lo tanto evita la corta ruptura que se produce en la transmisión, manteniendo así el par motor en cada cambio de velocidad.

Sabiendo que todos los equipos usan el mecanismo seamless, la elección del material de fabricación gana enteros en el diseño de las nuevas cajas de cambios para los F1. El abanico es amplio y varía entre el aluminio, magnesio, titanio, fibra de carbono o una combinación de varios. Pero os estaréis preguntando ¿A dónde quiere llegar este hombre? Pues precisamente aquí, a la estructura y fabricación de la carcasa.Vamos a verlo.

La rigidez y el peso son dos aspectos a tener en cuenta en el diseño de la carcasa de una caja de cambio para un F1. Como dije, esta pieza no sirve sólo para almacenar los engranajes, el aceite y demás elementos del cambio, también tiene que darle  anclaje tanto a los amortiguadores como a los brazos de la suspensión trasera del coche que a su vez aportan rigidez a la estructura.

Si, como hemos visto los ingenieros no pueden mejorar la velocidad del cambio la única opción de mejora es centran sus esfuerzos en diseñar carcasas que sean lo más ligeras posibles para así mejorar las prestaciones del coche. De todas las opciones posibles la fibra de carbono es el material más ligero y en 2007 tanto  Honda como McLaren se fijaron en él para fabricar sus carcasas completamente de este material.

Caja de cambio de fibra de carbono.

Pero en la vida no hay nada perfecto y en esto tampoco. Todos los materiales tienen sus pros y sus contras. La fibra de carbono es muy ligera, tiene propiedades mecánicas similares al acero con un peso cinco veces menor pero no soporta demasiado ser torsionado sin llegar a romperse o deformarse, en definitiva su rigidez de torsión es un problema. ¿Qué significa esto? Un ejemplo para entenderlo. Cuando queremos poner un tornillo hay que ejercer una fuerza de torsión para hacerlo. Los tornillos suelen ser de metal ya que cuentan con valores de torsión más altos y así  poder 'soportar' la fuerza que hacemos sin deformarse. Cuando aplicamos mucha fuerza y no conseguimos que el tornillo entre suele terminar partiéndose o se retorciéndose quedando inutilizado ya que superamos su límite elástico. Algo parecido pasa con la carcasa. Cuando los F1 están en pista (paso por los pianos, curvas) ejercen fuerzas de torsión sobre dichas piezas debido a que las suspensiones están fijadas en ella y pueden llegar a deformarla.

Con estos datos es complicado que una caja de cambios consiga llegar a cumplir la vida útil que precisa. Recordar que la FIA determina que debe de soportar seis Grandes Premios si no quieres verte sancionado, por tanto esta opción queda descartada.

El aluminio tiene rigidez torsional, pero el peso y la duración le supone también una desventaja. El titanio es un buen candidato, es rígido, ligero y fiable, pero es un material extremadamente caro y difícil de trabajar. Por tanto ¿Cómo hacerlo? La idea surgió de Ferrari ¡Qué años aquellos en los que  incluso innovaban! Pensaron ¿Por qué no utilizar lo mejor de los dos materiales? Manos a la obra. Para ello idearon una material híbrido. Los de Maranello evolucionaron el diseño de su carcasa que por aquél entonces era de titanio con partes de fibra de carbono, mientras que el resto de equipos siguieron usando cajas de cambio de magnesio y titanio con algunas áreas protegidas con fibra de carbono para aumentar la rigidez. 
La idea era reducir el peso de las piezas. Para ello se utilizaban una serie de técnicas de fundición que iban encaminadas a disminuían el espesor de la pared de titanio en determinadas partes de la pieza para luego ser reforzadas con una envoltura de fibra de carbono. De esta forma la capsula donde se  encierra los engranajes es metálica y los soportes para las suspensiones es de compuesto de carbono.

Unir de manera estable fibra de carbono a  piezas de titanio es una técnica particularmente difícil de hacer. Si bien esto se llegó a conseguir pero los problemas no tardaron en aparecer. Las uniones no podían soportar las elevadas temperaturas producidas en el interior del coche y a partir de 120º C empezaba el proceso de des laminación de la caja de cambios. 
 

Caja de cambios híbrida de Ferrari (titanio-fibra de carbono)

El tiempo ha ido solventando los problemas y ya son varios equipos que ya cuentan con esta combinación de materiales para sus cajas de cambios. La introducción de nuevas resinas epoxi capaces de soportar temperaturas muy elevadas facilitan la tarea pero aún así, la mayoría siguen confiando en materiales metálicos a la hora de fabricar la envoltura de sus carcasas.

¿Qué tiene de especial la caja de cambio de Mercedes? Bien, el material utilizado por los alemanes es el descrito anteriormente, una carcasa metálica para albergar los engranajes y la lubricación y una cápsula de fibra de carbono para darle estabilidad pero en este segundo punto está la clave del éxito y han querido darle una vuelta de tuerca más al diseño.

Los diseños utilizados hasta la fecha se  centraban en recubrir sin más el corazón metálico. El tamaño de la pieza de fibra era ligeramente superior a la carcasa metálica como es normal y la pieza en su conjunto se adosaba a la parte trasera del motor para hacer su función de transmisión. Los ingenieros de Mercedes han ideado una capsula de fibra considerablemente más larga que la carcasa metálica que alberga. 

Esquema de la transmisión completa del W05 según Scarbsf1.

 ¿Qué sentido tiene?  La ventaja de tal construcción, que dicho sea de paso ya utilizo el año pasado  es ofrecer un buen compromiso entre peso y rigidez, y lo más importante, que le permite cambiar los puntos de unión de la suspensión a lo largo del campeonato si es necesario sin modificar el “corazón” de la caja, la zona de los engranajes que como ya sabéis no se puede modificar durante el año y debe de tener una duración de seis carreras. Para ello inserta en la fibra de carbono unos anclajes de titanio para poder conectar los brazos de la suspensión.

Esta actuación tiene algunos inconvenientes, el principal la variación del centro de gravedad del coche al tener que retrasar la caja de cambio hacía atrás pero las ventajas parecen ser mayores, la mejora de las prestaciones del coche  y una parte trasera del coche increíblemente limpia en términos aerodinámicos.
Si hacemos un repaso a los métodos utilizados por la competencia vemos los diferentes métodos utilizados por los demás. Hay para todos los gustos, desde los que utilizan carcasas metálicas como puede ser el caso de Lotus o los que hacen combinaciones pero buscando la citada limpieza aerodinámica.
Para comprender la finalidad de utilizar la fibra de carbono en el exterior de la carcasa os pondré un ejemplo claro  para entenderlo. En la siguiente imagen vemos la caja de cambios del E22. Su estructura metálica de la carcasa es fácil de apreciar y sobre ella los diferentes anclajes para la suspensión. Como se describe en el artículo 5.3.2 la carcasa se considera parte de la caja de cambio y cualquier modificación de su estructura acarrearía una sanción. Por tanto Lotus no podrá variar la posición de sus anclajes.   

 Force India, que también utiliza la unidad de potencia de Mercedes utiliza también una carcasa externa de fibra de carbono para dar más rigidez a una interna de metálica. En este caso los anclajes quedan ocultos dentro de la fibra pero su tamaño es menor.

 Williams  muestra un claro ejemplo de reforzado de fibra en su parte anterior (izquierda) y usando sólo metal en la partes más críticas. 

En fin, con esta medida Mercedes ha bordeado la regla y ha encontrado un método original de poder hacer modificaciones y de paso añadir un elemento más a la larga lista de innovaciones con las que ya contaban estos chicos. Está claro que este elemento en si no es determinante para los méritos del coche pero como decía antes, grano a grano se hace granero. ¿Cuál será el siguiente? Nunca se sabe, seguro que alguno más habrá, pero eso será otra historia.