De todos los dispositivos de la cadena cinemática, la caja de cambios es el principal encargado en realizar la desmultiplicación del movimiento del motor, solventando la limitación de rango de régimen de giro utilizable y permitiendo adaptar la potencia disponible a las condiciones de utilización del vehículo.
La evolución que ha provocado la aplicación de la electrónica en la gestión de la caja de cambios posibilita una conducción cada vez más autónoma y eficiente, que se ejemplifica en la utilización de nuevos tipos de cajas de cambio como las manuales robotizadas, las de variador contínuo, las automáticas de control autoadaptativo, o las de doble embrague.
Los motores térmicos adolecen de una limitación funcional a la hora de transformar la energía en movimiento: el rango de revoluciones aprovechable es limitado, en contraposición al par casi constante en un rango de revoluciones mucho más amplio que generan los motores eléctricos.
Para solventar esta limitación funcional, en los inicios de la técnica automovilística se hizo necesario diseñar un dispositivo que permitiera desmultiplicar de giro del motor: la caja de cambios, la cual ponía a disposición varias relaciones de transmisión para adaptar el desarrollo del par motriz a las necesidades puntuales que se derivan de la velocidad del vehículo, de la carga del motor y la solicitud de potencia del conductor.
La caja de cambios recibe movimiento del motor por el eje primario, conducido por el disco de embrague. El estableciendo la desmultiplicación de cada una de las velocidades se realiza a través de un conjunto engranajes de diferente relación de giro, que pueden hacerse solidarios con el eje de salida mediante el desplazamiento de un sistema de horquillas, accionadas por la palanca de cambios.
Durante el proceso del cambio de marcha, el embrague cumple una doble función: por un lado, posibilitar la transferencia progresiva del par motor al iniciar el movimiento del vehículo, y por otro, permitir el desacoplamiento del disco conducido durante la transición de una marcha a otra. El movimiento de arrastre del volante motor al eje primario de la caja de cambios se dosifica por medio del resbalamiento entre el disco de fricción y el diafragma del embrague. El empuje de mando de rozamiento depende de la posición del pedal de embrague, siendo la posición de reposo la de acoplamiento máximo.
El manejo de las primeras cajas de cambios manuales exigía una cierta pericia al conductor, puesto que el dentado recto de los engranajes hacía necesario poner en práctica la maniobra del doble embrague para posibilitar que las velocidades de los engrajajes de las distintas relaciones de desmultiplicación y del árbol secundario se sincronizasen al insertar una marcha, y así evitar el rascado. Unos años después, la incorporación de los sincronizadores de bronce en los engranajes del estriado del árbol secundario, que realizan una función de absorción de energía por medio de una pequeña fricción de deslizamiento, y del dentado helicoidal, hicieron innecesarias estas técnicas de conducción, proporcionando una mayor suavidad de inserción de marcha y menor rumorisidad de funcionamiento.
Además de la mejoría en la sincronización, la evolución alcanzó a otros componentes: la estructura interna de la caja de cambios pasó a disponer de dos a tres ejes y el número de marchas de la caja de cambios pasó de cuatro a cinco. La tendencia actual es seguir aumentando su número, lo que, por un lado, permite una relación de desmultiplicación más cerrada para una menor caída de revoluciones entre marchas, y por otro, el mayor escalonamiento del desarrollo del cambio que se consigue con una marcha adicional permite disponer siempre de una relación adecuada, tanto si se practica una conducción deportiva en una carretera sinuosa, manteniendo del rango de revoluciones entre el par máximo a la potencia máxima, como si se realiza una conducción reposada por autopista, en una marcha larga, a un bajo régimen de giro.
La aparición de los de los primeros modelos con caja automática se remonta a la década de los 40, en EEUU, un mercado en el que su utilización llegó a imponerse en la gran mayoría de los vehiculos vendidos. El sistema llegó a Europa unos años más tarde, donde, sin tanto éxito comercial, se ofreció inicialmente como equipamiento opcional en modelos de lujo, para después extenderse paulatinamente a la mayoría de las versiones disponibles.
El sistema de caja de cambios automática prescinde del embrague, utilizando en su lugar un convertidor hidráulico de par que empuja a una turbina con una presión de aceite proporcional al giro del motor. El aceite a presión acciona el mecanismo de mando hidráulico, el cual está diseñado para bloquear alguno de los componentes del tren epicicloidal (planeta, satélites y corona) a una determinada velocidad. En función de la selección del elemento bloqueado, se determinan las distintas relaciones de desmultiplicación del eje de salida en cada una de marchas seleccionadas automáticamente.
Durante la revolución electrónica del automóvil de finales de los 80, el mecanismo de mando hidráulico de las cajas automáticas dio paso al mando electrónico del bloqueo de los trenes epicicloidales y del convertidor de par, ambas funciones comandadadas por una unidad de control. Esta evolución permitió disponer por primera vez, además del funcionamiento automático con distintos programas de marcha, de la función de selección manual secuencial, patentada por Porsche con la denominación Triptronic. En los últimos años, la adición de nuevos trenes de engranaje epicicloidad ha permitido desarrollar modelos de caja automática de hasta nueve relaciones de marcha, y se ha mejorado la gestión electrónica hasta tal punto que ha sido posible el desarrollo de programas autoadaptativos, que tienen en cuentra el modo de conducción y las características de la calzada en la selección de las marchas.
La irrupción masiva de la electrónica no solo se produjo en las cajas automáticas accionadas por tren epicicloidal; a finales de los 90 se presentó el sistemas de cambio manual robotizado, en el que un sistema electrohidráulico realiza el accionamiento del pedal de embrague y el movimiento de mando de la palanca. La avanzada gestión electrónica de la unidad de control permite, además, el funcionamiento automático autoadaptativo y la función manual secuencial. Los sistemas pioneros en esta aplicación tecnológica fueron el DSG de BMW y el Selespeed de Alfa Romeo
La evolución de los componentes de mando electrónico permitió la fabricación de un tipo de caja automática basada en una tecnología que tan solo se había utilzado en algunos modelos de competición de los 80: la caja de doble embrague. El sistema dispone de un embrague multidisco bañado en aceite para las marchas impares y otro para las pares, lo que permite a la unidad de control anticipar la siguiente marcha, que será accionada de forma instantánea y exenta de tirones. La gestión del cambio incluye diferentes programas de cambio automático, y también permite el accionamiento manual secuencial. El funcionamiento del cambio, tanto en modo manual (desde la palanca o con levas en el volante) como en automático adaptativo, es de tal rapidez y suavidad que su utilización, que comenzó con el DSG del grupo VW, es cada vez es más habitual en el resto de los grupos de fabricantes.
De las distintos tipos de cajas de cambios disponibles, la automática de variador contínuo CVT, aunque disponible desde hace muchos años, ha sido la menos utilizada. El sistema no utiliza engranajes ni ruedas dentadas. Se basa en las multiples relaciones de desmultiplicación que se puede obtener entre dos poleas unidas por una cadena, mediante la variación continuamente el diámetro de la polea conductora y el de la polea conducida. El mando de desmultiplicación, que inicialmente estaba compuesto por un sistema hidráulico accionado por presión de aceite, es actualmente comandado por un accionamiento electrohidráulico activado por una unidad de control. Además del programa de funcionamiento automático, está disponible el modo manual, de hasta seis etapas de marcha simuladas. El sistema tiene una limitación técnica: no es capaz de transmitir un par motor superior a 30 mkg.
Los vehículos todo terreno puros incluyen, además, una caja de transferencia reductora mediante tren epicicloidal, cuya acción se suma a la de la caja de cambios. El objetivo del funcionamiento de la gama de marchas cortas es obtener una relación final de transmisión excepcionalmente desmultiplicada, que en condiciones de circulación fuera de carretera permite, por un lado, una velocidad de marcha especialmente reducida para facilitar la superación de los obstáculos en zonas trialeras, y por otro, un elevado par motriz, necesario tanto para superar ascensiones con pendientes muy pronunciadas como para obtener un marcado efecto de freno motor en un prolongado descenso. El accionamiento de la reductora, inicialmente por palanca, está siendo sustituido por un mando neumático o electrónico, gestionado por una unidad de control que intercambia datos con el resto de la red multiplexada CAN de tracción.
En los próximos años, la hibridación de las áreas tecnológicas que posibilitan las redes de comunicación del vehículo facilitará la utilización de los datos de navegación para adaptar los programas de conducción de la caja automática a la orografía del terreno, lo que posibiltará, incluso, un importante ahorro de combustible. Las exigencias derivadas de las necesidades de seguridad y antipolución, y quién sabe si del hipotético establecimiento de una futura normativa que imponga la inclusión de la conducción “semiautónoma” en los vehículos, limitarán la utilización la utilización de los vehículos “analógicos”, que podría quedar restringida a eventos o lugares destinados a tal efecto.
Cuando llegue ese momento, la destreza que requería el manejo de un vehículo tradicional, con cambio manual, será un valor que caerá en desuso en favor de, al menos sobre el papel, una utilización cada vez más autónoma e inteligente. Entonces, los entusiastas del automóvil siempre encontrarán a faltar el placer de que suscitaba la conducción deportiva de un vehículo deportivo de disposición mecánica clásica y cambio manual.
