CAJA DE CAMBIOS EN F1. PARTE 1: CONCEPTOS BÁSICOS

Bueno amigos, hoy iniciaré una serie de artículos muy interesantes sobre una pieza del coche que hasta hace poco era un misterio para mi. La verdad es que llevaba tiempo queriéndolo hacer pero pensando en la complejidad nunca terminaba de arrancar. Ya llegó el momento. La curiosidad me mataba y me puse manos a la obra en la investigación y por fin lo tengo listo. Hoy quiero hablar de las cajas de cambios.

Lo dividiré, como suele ser costumbre para que no sea tan tedioso y se pueda asimilar fácilmente. Empezaré con conceptos básicos para posteriormente centrarme en los sistemas utilizados en competición. Así que, abrocharon el cinturón que arrancamos.

Qué es una caja de cambios:

Como bien sabéis, la caja de cambios o caja de velocidades  es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor 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. De no existir, el motor sufriría mucho para poner el coche en marcha y cuando estuviera acelerado, una simple cuesta sería suficiente para calarlo.

Esta pieza suele estar sitúa detrás del motor y se une al volante de inercia gracias al embrague para formar lo que se llama eje de transmisión junto al diferencial y los palieres.

 

En este punto, quiero dar un apunte sobre dos conceptos que serán de vital importancia para futuras explicaciones. Por un lado el embrague y por otro el par motor. Vamos con el primero.

Embrague:

Para aquellos que tengan bajo conocimientos de mecánica y no lo conozcan les pondré un ejemplo fácil para saber cuál es su función. Yo compararía  al embrague  con un interruptor eléctrico. Cuando lo acciono, interrumpo la corriente eléctrica y se apaga la luz. Cuando lo libero, se cierra el circuito y se enciende la bombilla. Pues eso, el embrague es un dispositivo que, accionado por el pedal o por una maneta del volante  en el caso de un F1, "separa" el motor de los restantes componentes de la transmisión. Esta pieza es fundamental y sin ella no existiría los coches actuales ya que sería imposible realizar los cambios de marcha ya que los componentes internos del motor, mientras está encendido nunca deja de girar.  No voy a adentrarme mucho más en esta pieza ya que por sí sola merece un artículo pero si quiero dejar claro un aspecto, a pesar que las diferencias entro los coches de coches de calle con cambio manual o automático comparados con los utilizados en la F1 son muchas, el embrague juega la misma función en todos aunque es las máquinas de competición su utilización es mucho más limitada. Un piloto de F1 solo tiene que accionar el embrague cuando el coche va a detener su marcha totalmente o quiere salir de su estado de reposo, es decir, en las salidas, tanto de carrera como en las paradas de boxes. Esa es la gran diferencia. El 99% de los cambios de velocidades que se realizan cuando un formula esta rodando no interviene el embrague. ¿Cómo lo hacen? Os dejaré intrigados hasta el próximo artículo.

Par motor:

El par motor o torque es el momento de fuerza que ejerce un motor sobre el eje de transmisión de potencia. La potencia desarrollada por el par motor es proporcional a la velocidad angular del eje de transmisión. ¿Queda claro? Para nada, sonará a chino ¿verdad? Véamelo de manera más sencilla.

Para entender qué es el par, hay que comprender es la fuerza. Lo haré con ejemplos.
Fuerza: Pues bien, la fuerza es un concepto físico. Usamos la fuerza para mover objetos o para movernos nosotros mismos. Para que un objeto como un automóvil se mueva, hay que aplicarle una fuerza (empuje) determinado. Si yo empujo al coche desde el maletero éste empezará a moverse hacia delante. Por tanto las fuerzas siempre mueven objetos. Clarito verdad?

Pues bien, empezamos a meternos en el motor.
Par: El par, no es más que una fuerza rotacional… es decir, una fuerza con un sentido de giro circular y a una distancia determinada. Hablando en cristiano, es la misma fuerza que antes expliqué, pero en vez de hacerla en línea recta (empujando algo o tirando de una cuerda) se realiza sobre algo que gira, por ejemplo la maneta de una puerta, o en los pedales de la bicicleta. Dentro de un motor hay muchas cosas que giran. Los componentes internos del motor (pistones, bielas, etc) cuando está encendido, ejercen una fuerza sobre el eje (cigüeñal) para que este gire. La magnitud de esa fuerza es el par motor.

Una vez que tenemos claro que el par es una fuerza con un sentido de giro. ¿Por qué tiene tanta importancia? Esto es fundamental, básico para comprender lo que viene después.  Dependiendo de las revoluciones, el motor tiene más o menos fuerza para hacer girar al cigüeñal.  Esta fuerza que hace girar el motor será transmitida a las ruedas en forma de movimiento circular. Cuanto más fuerza, más giros, más aceleración.

Ahora entra en escena la potencia… ¿Qué narices es?
La potencia es una relación matemática entre el par y las revoluciones. Solo es una multiplicación del par x giros, es decir la fuerza que hace el motor junto con las revoluciones que llega a alcanzar. El ejemplo práctico es el ciclismo. Para subir por una pendiente, necesitamos una potencia determinada y tenemos dos opciones, plato grande o plato pequeño. Si ponemos plato grande, tendremos que hacer mucha fuerza, pero daremos menos vueltas a los pedaléeles. Sin embargo, si ponemos plato pequeño, tendremos que hacer menos fuerza, pero mucho pedaleo. Al final el resultado es el mismo, tendremos la misma potencia pero con distinta formula. El primer caso, más par y menos revoluciones o bien el segundo, menos par y más revoluciones.

Espero que hasta aquí esté todo más o menos claro. Seguimos. Como hemos visto, la potencia del motor está relacionada con las revoluciones y esa respuesta no es lineal. Para verlo fácilmente, os enseño una curva de potencia de par, en realidad, reflejan lo mismo: la capacidad de entregar potencia de un motor en toda su gama de revoluciones.

Es una gráfica en la que están representadas, de forma escalonada, las revoluciones por minuto de motor y el par que rinde durante todo su régimen. En los motores de combustión, la curva de par empieza siendo ascendente hasta llegar a las rpm donde el motor rinde el par máximo. A partir de ese momento, el par comienza a disminuir progresivamente.

Y os preguntaréis. ¿Qué tiene que ver todo esto con las cajas de cambio? Pues es fundamental ya que indica el punto donde es idóneo realizar el cambio de marcha. En el caso del CDTI vemos que es a partir de 3500 Rpm. Si exprimimos más el acelerador, solo conseguiremos gastar más combustible y forzar el motor pero no obtendremos beneficio alguno.
Por tanto, al realizar el cambio de marchas se produce una variación en el número de revoluciones de giro del motor. Si aceleramos y alcanzamos las rpm más altas,  pisamos el embrague, desconectamos la transmisión un instante, introducimos la siguiente velocidad  y  soltamos el embrague para volver a conectarla, el motor baja su régimen de giro generando más par, y por ende, más potencia. Toda reducción de la velocidad de giro (RPM) implica un aumento de par en la misma proporción. Esta es la razón de ser de las desmultiplicaciones de la caja de cambio en velocidades, reducir la velocidad de giro para ganar par.

Veis ahora la importancia de lo explicado.

Antes de describir los componentes y el mecanismo que permite el cambio de velocidad que lo veremos en el siguiente artículo, voy a dar un repaso general a la cajas de cambios utilizadas en la F1. 

Aspectos generales:

Una caja de cambios F1 es un miembro plenamente recalcado del chasis. A diferencia de los coches de calle que solo tiene la función propia de dicha pieza, contener y hacer funcionar los engranajes de las marchas, en un F1 su función es más compleja ya que sirve de punto de anclaje a través del cual, los brazos oscilantes traseros y amortiguadores están unidos al coche. La estructura de choque trasero se monta también en la caja de cambios. Debido a que la caja de cambios está situado relativamente alto en el chasis, de lastre está fijado a la cara inferior de la caja para mejorar el centro de gravedad global. Como es de imaginar la caja de cambios es increíblemente robusta, y los equipos optan por una gama de materiales que va desde la fibra de carbono al titanio, aluminio y magnesio, solos o mezclados. Cada vez son más ligeros y estilizados para interferir lo menos posible en la circulación de aire en el tren trasero.

Caja de cambios con las suspensiones montadas.

En las últimas temporadas, el diseño de cajas de cambios de F1, y en particular el método por el cual la selección de marchas se lleva a cabo, se han convertido en los secretos del equipo debidamente protegidas. Secretos y bien secreto ya que, a pesar de tener un concepto global muy similar a los utilizados  en los coches hay un hermetismo total sobre el tema de muy, sobre todo en una pieza en concreto, los sincronizadores, el secreto más guardado por todos. El mayor esfuerzo se centra en realizar lo más rápidamente posible el cambio y para ellos todos los equipos utilizan el sistema “Seamless” o cambio sin fisuras.

 

Pocas veces los ingenieros que  trabajos de esta nueva generación de cajas de cambio  han facilitado información y evitan ser preguntados por ellas. Por esa razón, es sumamente difícil determinar la información en lo referente a cómo los cambios se pueden hacer con una pérdida mínima de potencia, mientras que al mismo tiempo suavizar los picos de par a través de la transmisión si no utilizan embrague. Poco a poco se fueron conociendo.

Pero ¿Por qué tiene tanta importancia disminuir el tiempo en el que se realiza el cambio? Bien, como hemos dicho, cada vez que se pisa el embrague el motor se desconecta de la transmisión para permitir que la nueva marcha se accione. Durante ese instante el coche deja de acelerar y va en punto muerto con la consiguiente pérdida de rendimiento. Pero ese no es el principal problema.

Tenemos por un lado una fracción de segundo que el motor no envía la potencia a las ruedas, pero el coche sigue andando y sigue padeciendo la resistencia aerodinámica. Este drag es tan grande que el coche está realmente desacelerando. No se olvide que la valores de fricción de un coche de F1 son muy altos para generar mucha carga aerodinámica (entre 0,65 a 0,85 Cx  teniendo los coches de calle valores por debajo de 0,30 Cx). ¡El drag aumenta con el cuadrado de la velocidad! Esto significa que durante la realización de un cambio, por ejemplo, de la sexta a la séptima la desaceleración transitoria es equivalente a frenar lo suficiente para bloquear las ruedas de un coche deportivo de carretera  de gama alta.

De ahí que todos toman tantas molestias para minimizar esos pocos milisegundos finales en los que el coche no se está acelerando a toda potencia.
Hasta ahora, las cajas de cambios en la F1 constaban de siete velocidades y disponían los equipos de 30 configuraciones de cambios para toda la temporada. Eso va a cambiar y para el año que viene podrán dispones de cajas de ocho velocidades y una sola configuración de cambio para todo el año. 

Bueno, hasta aquí por hoy. Próxima cita, componentes internos y funcionamiento, pero eso será otra historia.
PD: Os dejo este vídeo que resulta muy ilustrativo para conocer todos los elementos de la transmisión.

Fuentes: wikipedia. dobleembrague.wordpress.com, minimoto.es, aula365