Transmisiones: Comparación entre MT, AT, CVT y DCT

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0. Lo que explica este artículo

Por qué una rueda no puede acoplarse simplemente a un motor y por qué se necesita una relación de transmisión.
Las diferencias en elementos mecánicos, eficiencia, calor y control entre las transmisiones manuales (MT), automáticas con convertidor de par (AT), de velocidad constante (CVT) y de doble embrague (DCT).
Ejemplos que incluyen la ZF 8HP, la distribución de potencia planetaria THS de Toyota y las DCT, además de la razón por la que los vehículos eléctricos suelen utilizar engranajes reductores.

1. En resumen: ¿qué es una transmisión?

Una transmisión convierte la velocidad y el par del motor principal para adaptarlos a la velocidad, la pendiente y la carga del vehículo. Aquí definimos la relación de reducción $i$ como la relación entre la entrada y la salida. Para el par de entrada $T_i$ , el par de salida $T_o$ , la velocidad de entrada $\omega_i$ y la velocidad de salida $\omega_o$ ,

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

La relación intermedia representa el caso ideal sin pérdidas; La relación de la derecha incluye pérdidas de eficiencia por engranajes, cojinetes y aceite ( $\eta_g$ ). Una mayor relación de reducción ( $i$ ) aumenta el par motor en las ruedas, pero disminuye su velocidad.

2. ¿Por qué se necesita una relación de transmisión?

Un motor de combustión interna es eficiente y ofrece un buen par motor solo en un rango de velocidad limitado y no puede mantener la rotación a velocidad cero. Las ruedas deben cubrir la distancia desde parado hasta la velocidad de autopista, por lo que el arranque utiliza una gran reducción y la velocidad de crucero, una menor. Los motores eléctricos ofrecen un alto par motor a bajas revoluciones y una amplia región de potencia constante, por lo que pueden prescindir de múltiples marchas, aunque los vehículos pesados, las altas velocidades y el remolque pueden justificar dos o más relaciones.

Un embrague absorbe la diferencia de velocidad y desconecta la fuente; un diferencial permite la diferencia de velocidad entre las ruedas izquierda y derecha. Por lo tanto, la eficiencia de la transmisión incluye la interrupción del cambio, las pérdidas de la bomba hidráulica, la refrigeración y el software de control, no solo las pérdidas por engranajes.

3. Arquitectura básica

Figura 1 — Se selecciona la relación, el embrague absorbe la diferencia de velocidad y el diferencial distribuye el par motor a las ruedas.

4. MT: el cambio más directo

Una transmisión manual (MT) requiere que el conductor desembrague, sincronice la velocidad del eje y engrane una marcha. Son comunes los engranajes de engranaje constante: incluso los engranajes no utilizados giran, mientras que los anillos sincronizadores y los dientes del trinquete actúan como engranajes de acoplamiento. Los embragues conectan el seleccionado. El diseño es mecánicamente transparente, con poco control hidráulico, pero el arranque, las arrancadas en pendiente y los cambios dependen del conductor.

5. AT: convertidor de par y engranajes planetarios

Una transmisión automática convencional de varias velocidades combina un convertidor de par hidráulico, conjuntos de engranajes planetarios, embragues hidráulicos y una unidad de control electrónico. La diferencia de velocidad entre la bomba, la turbina y el estator puede multiplicar el par de arranque; un embrague de bloqueo reduce el deslizamiento en velocidad de crucero. Un conjunto planetario cambia la relación seleccionando cuál de sus engranajes solares, portaplanetarios y corona se mantiene, se acciona o se libera.

ZF publica un diseño 8HP que selecciona cuatro conjuntos de engranajes con cinco elementos de cambio, lo que demuestra que más relaciones no significa simplemente más marchas. Las variantes actuales de 8HP son modulares para vehículos de combustión, híbridos ligeros e híbridos enchufables.

6. CVT: relación continuamente variable

Una CVT de correa varía los radios efectivos de dos poleas mediante presión hidráulica. Su relación es:

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

Sin Deslizamiento, ωin rdrive = ωout rdriven. Un radio de accionamiento de 50 mm y un radio de accionamiento de 100 mm dan i=2, por lo que la velocidad de salida es la mitad de la velocidad de entrada.

Puede mantener un motor cerca de una velocidad eficiente, pero la fuerza de sujeción de la correa, la fricción de la polea y la bomba hidráulica consumen energía. Se puede añadir un convertidor de par de arranque o una etapa planetaria, y un sistema híbrido de distribución de potencia puede dirigir una ruta eléctrica; por lo tanto, dos sistemas denominados "CVT" pueden tener flujos de potencia muy diferentes.

7. DCT: dos embragues en alternancia

Una transmisión de doble embrague asigna las marchas pares e impares a embragues separados y preselecciona la siguiente marcha. Un cambio abre un embrague mientras cierra el otro, minimizando la interrupción. Un embrague seco tiene bajas pérdidas por agitación del aceite, pero se enfrenta al calor y al desgaste del arranque; un embrague húmedo se enfría mejor, pero necesita la potencia de la bomba.

8. Comparación de los enfoques

Tipo	Idea mecánica	Tendencia a la eficiencia	Condiciones difíciles
MT	Engranajes fijos y un embrague	Alta velocidad, con poca pérdida de control	Tráfico, arranque, variación del conductor
AT multivelocidad	Convertidor de par, engranajes planetarios, sistema hidráulico	Alta velocidad con bloqueo	Pérdida hidráulica/de refrigeración, masa, retardo de cambio
CVT	Poleas variables	Mantiene el motor cerca de un punto de eficiencia	Alto par, sujeción de la correa, calor
DCT	Engranajes pares/impares y dos embragues	Alto acoplamiento mecánico	Calor del embrague a baja velocidad y complejidad de control
Reducción EV	Generalmente reducción y diferencial fijos	Pocas pérdidas relacionadas con la relación	Alta velocidad, masa, límite de velocidad del motor

9. Control y opciones prácticas

El control de cambios lee la velocidad del vehículo, el acelerador, la velocidad del motor, la pendiente, la temperatura del aceite y la aceleración lateral. Un coste simplificado es:

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

Optimizar el combustible por sí solo puede causar cambios frecuentes o vibraciones a baja velocidad. Los sistemas electrificados añaden límites de velocidad del motor, estado de carga de la batería, par regenerativo y temperatura del inversor.

Sensación de conducción y simplicidad de servicio: MT, aceptando el desgaste del embrague y el esfuerzo del conductor.
Amplia masa del vehículo, remolque y comodidad: AT de varias velocidades, comparando el convertidor, el sistema hidráulico y la refrigeración como un sistema.
Economía a velocidad constante: CVT, tras comprobar el par máximo de entrada y la capacidad térmica.
Cambios rápidos y respuesta deportiva: DCT, tras comprobar la temperatura del embrague en tráfico.
Vehículo eléctrico de pasajeros: la reducción fija es la base; la conducción a alta velocidad y el remolque pueden justificar múltiples relaciones.

10. Resumen de tres líneas

Una transmisión adapta el estrecho rango de velocidad eficiente del motor a un amplio rango de velocidad de la rueda.

Las transmisiones MT, AT, CVT y DCT priorizan el comportamiento de los engranajes, el sistema hidráulico, la correa y el doble embrague sobre la eficiencia, el calor y la complejidad del control.

Los vehículos eléctricos pueden simplificarse a una reducción fija, pero el número de relaciones debe elegirse en función de la eficiencia del sistema, incluyendo la alta velocidad, el remolque y la regeneración.

Comprueba tu Comprensión

¿Qué implica duplicar una relación de reducción?

Idealmente, la velocidad de salida se reduce a la mitad y el par se duplica. No se genera potencia; las transmisiones reales también presentan pérdidas.

Referencias

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