historia de paul van valkenburgh – fotos como acreditadas
A veces la pregunta más simple e inocua requiere una explicación compleja y exigente. O no. Por ejemplo, supongamos que un niño de 7 años pregunta: «Papá, ¿de dónde vengo?». Y tras soportar una larga y tensa explicación sobre los pájaros y las abejas, el niño responde: «No, me refiero a qué país». Recientemente, la pregunta de un corredor sobre la selección de las relaciones de transmisión llevó a este análisis de las consideraciones de ingeniería. La respuesta realmente varía mucho, dependiendo de las necesidades y los recursos específicos de cada persona, desde el aficionado ocasional al autocross hasta los corredores profesionales de carretera, o desde los sedanes de tracción delantera de serie con pocas opciones de engranaje hasta los corredores con motor V8 con transmisiones de cambio rápido.
Si corres mucho por el mismo circuito y tu coche está tal y como lo compraste, probablemente habrás descubierto que las marchas no se adaptan muy bien a las salidas de las curvas o a las rectas. Quizás la segunda marcha es demasiado baja y tienes que cambiar enseguida a tercera, o quizás esa marcha es demasiado alta y no tienes suficiente par motor. O puede que justo al final de la recta tengas que sobrerrevolucionar el motor o subir de marcha sólo un instante antes de frenar.
Tienes tres opciones para mejorar la situación, aunque tus caminos pueden estar limitados por el presupuesto, el equipo disponible o las normas dictadas por el organismo sancionador. Usted puede cambiar el diámetro de los neumáticos, pero esto por lo general tiene un efecto menor en la relación de transmisión y un efecto importante en el manejo y la altura de conducción. (No olvides que elevar el coche también afectará a la aerodinámica.) Tu segunda opción es equipar tu coche con una transmisión de cambio rápido con muchas relaciones disponibles en cada marcha.
Como ventaja, esto puede hacer que te las arregles con una sola relación de diferencial para la mayoría de los circuitos. Por último, si hay pocas o ninguna opción para la transmisión, entonces es de esperar que al menos la transmisión final se puede cambiar para adaptarse a diferentes pistas. Sin embargo, eso cambiará la relación en cada marcha por el mismo múltiplo, lo que probablemente te alterará en otra curva. Como hemos dicho, las realidades de la situación pueden limitar cuáles de estas opciones puedes tomar. Muchos de nosotros podemos estar limitados a sólo un cambio de la marcha final o tal vez la elección entre algunos engranajes de transmisión diferentes. Aun así, siempre hay esperanza.
Economía frente a potencia
La relación ideal del diferencial de producción -las marchas que se encuentran en las ruedas motrices del coche- para la calle es la más alta posible para el ahorro de combustible, con un número creciente de relaciones de transmisión para conseguir una buena aceleración desde un punto muerto. Por eso algunas cajas manuales pueden venir ahora con hasta seis velocidades, siendo posiblemente la relación superior una sobremarcha. Pero tanto si eres un principiante como un profesional, la solución óptima para la competición siempre será la misma:
En primer lugar, identifica las relaciones que crean el área máxima bajo la curva de par de tu motor entre las rpm mínimas y máximas en cada segmento de aceleración o recta; y en segundo lugar, reduce la carga de trabajo del cambio de marchas para el conductor. El cambio de marchas suele ser la última etapa en la configuración del coche de carreras, ya que depende de todas las velocidades de salida de las curvas y las velocidades máximas en las rectas, que dependen del desarrollo final de la potencia en las curvas, la frenada y la aerodinámica. El cambio de marchas no sólo tiene poca influencia en esos factores, sino que es algo que es relativamente fácil de ajustar en el último momento en los coches de carreras que tienen relaciones de cambio rápido.
Es posible resolver la cuestión del cambio de marchas óptimo para cada pista de carreras mediante conjeturas y pruebas, a menos que el curso sea nuevo o no pueda ser pre-corrido, como en el autocross, que consideraremos en una barra lateral separada. Pero con muchas relaciones disponibles en algunas de las transmisiones de carreras que pueden instalarse en los grandes coches con motor delantero y tracción trasera, el número de opciones y el coste del tiempo en pista hacen que sea importante utilizar algún método racional. Veamos primero el enfoque profesional, y luego reduzcámoslo a un nivel práctico.
Enfoque profesional
Figura 1
La información ideal de partida sería un registro de velocidades en todo el recorrido de cada pista específica para un vehículo similar. A partir de ellas, se pueden encontrar todas las velocidades mínimas de las curvas y las velocidades máximas de las rectas. Esta es una de las justificaciones más valiosas de los sistemas electrónicos de adquisición de datos, incluso los más sencillos con sólo unos pocos canales.
De lo contrario, el conductor debe observar todos estos puntos de revoluciones en recta, posiblemente mediante una grabadora de voz o de vídeo. Los rangos mínimo y máximo de aceleración para cada recta pueden entonces trazarse como un gráfico de barras, como se muestra en la parte inferior de la Figura 1. Suponiendo que no habrá ninguna salida en parado, estas barras permiten calcular el rango total de rpm del motor que hay que tener en cuenta. A veces puede haber sólo dos opciones, con las opciones limitadas a una transmisión de relación estrecha o de relación amplia.
La diferencia básica en las aplicaciones es entre las carreras de resistencia, con sus arranques en parado, y las carreras de carretera, donde las velocidades mínimas son posiblemente alrededor de 40 mph. Para un buen arranque de arrastre, a menudo se quiere la primera relación de transmisión más baja posible y pasos cuidadosamente espaciados a partir de ahí. Pero para las carreras de carretera, si no hay salidas paradas o paradas en boxes, puedes estar menos preocupado por una primera velocidad baja y en su lugar hacerla más alta y posiblemente utilizable en el curso. Por lo tanto, quieres que las relaciones se escalonen desde la curva más lenta hasta la velocidad máxima en la recta. En cualquier caso, es probable que la fábrica ya haya hecho esas selecciones de relaciones, basándose en su conocimiento de la curva de par del motor. Sin embargo, cuando las relaciones deben ser seleccionadas para adaptarse al par de un motor modificado, o para cumplir con los requisitos de las velocidades de giro de un curso de carreras de carretera en particular, entonces ayuda a tener una selección más amplia.
Por ejemplo, la conocida transmisión de cuatro velocidades BorgWarner T10 fue comprada por Richmond Gear y está disponible a través de (http://www.texracing.com/). Tiene ocho posibles combinaciones de relaciones de transmisión. (http://www.richmondgear.com/) también compró los derechos de las antiguas transmisiones Doug Nash de cinco y seis velocidades, que tienen al menos ocho posibilidades de relación en cada marcha para un número casi ilimitado de combinaciones.
Sin embargo, son mucho más caras y, por lo tanto, su coste es prohibitivo para todos, excepto los corredores profesionales. En este punto, el corredor serio podría tomar su curva de par del banco de potencia y utilizar un ordenador para convertirla en empuje en las ruedas traseras en cada relación de transmisión posible, y luego trazarla contra la velocidad junto con los gráficos de barras de la velocidad de la pista. Esto se puede ver en la parte superior de la Figura 1. Las etiquetas numéricas en estas curvas muestran la relación del diferencial multiplicada por la relación de transmisión en cada selección de relación posible. Se empieza seleccionando la marcha más baja utilizable que no sobrepasa el límite de giro de las ruedas (como obviamente hace la 6.87), luego se corre hasta su velocidad máxima en rpm (o el punto en el que su empuje cruza la siguiente curva de relación), y luego se baja a otra relación más alta. Visualmente se puede ver la cuestión en el gráfico.
Si usted tiene una caja de cinco velocidades, entonces usted quiere seleccionar las cinco relaciones que le daría el área máxima bajo sus curvas en el área sombreada. Si fuera posible tener un número ilimitado de marchas, o una transmisión continuamente variable, entonces las rpm podrían permanecer en el par máximo y el empuje disponible sería una curva suave. Estas curvas también ilustran por qué es tan importante tener una curva de par motor relativamente plana en un rango de rpm tan amplio como sea posible. Si el par del motor cae bruscamente, o tiene caídas notables debido a la selección de la leva o a los efectos de la sintonización del pistón de admisión o del escape, entonces será más difícil evitar las caídas en la curva de empuje mediante el uso de selecciones de relación. Este proceso también muestra cómo la práctica común de clasificar los motores por el pico de potencia es relativamente poco importante.
Un método más simple
Pero hay una manera más barata y más simple de seleccionar las proporciones: utilizando la experiencia y la experimentación, como se muestra en nuestra tabla del método más simple. Nuestro ejemplo sólo va a considerar tres opciones de cambio, y vamos a decir que la pista sólo tiene cuatro rectas principales. Aunque este es un ejercicio limitado, todavía podemos estudiar los compromisos para siempre sin llegar a la solución óptima, que es la razón por la que los profesionales quieren una trans de cambio rápido con muchas opciones en cada marcha.
De inmediato, se puede ver que la opción de relación amplia es «overgeared» para la velocidad máxima de esta pista y también tiene una gran caída de rpm entre la segunda y tercera. (Cuanto más rápido vayas, más cerca querrás que estén las relaciones de cambio, pero esa es otra historia más compleja). El diferencial de 3,07:1 con la caja de cambios de relación estrecha eleva tanto la segunda marcha que el motor se «empantana» al salir de las curvas más lentas, y no querrás reducir a primera. Esto nos da otra razón para bajar la relación del diferencial de 3,07:1. (Recuerde que la reducción de la relación produce un número más alto.)
Para encontrar la selección ideal, multiplique la relación de transmisión final por la velocidad de la línea roja en la cuarta marcha (152 mph) y divídala por la velocidad máxima de la pista (140 mph). Esto daría como resultado un 3,33 teórico, que se acerca bastante a la relación de transmisión final disponible más cercana de 3,36:1. Si se combina esta transmisión final de 3,36:1 con la transmisión de relación estrecha, se obtendrá un solo punto de cambio en las tres primeras rectas y dos en la última y más larga. Hay una forma aún más sencilla de determinar las relaciones de cambio correctas: Simplemente basa tu decisión únicamente en la información del conductor. Digamos que en la mayoría de las rectas, o en las más importantes, tiendes a ir a demasiadas revoluciones o tienes que subir de marcha justo antes de frenar. En ese caso, lo que podría hacer es instalar una relación de diferencial ligeramente más alta (o un número más bajo – vea la barra lateral de la semántica).
Incluso podría calcular qué cantidad de cambio sería ideal, si supiera cuánto está sobre-revolucionado. Digamos que usted iba 500 rpm por encima de un límite recomendado de 6000 rpm. Entonces querrías una relación de diferencial más alta que fuera 6000 dividido por 6500, multiplicado por tu relación existente. No importa mucho si vas con un diferencial más alto como este o a un diferencial más bajo y luego subir de marcha antes, a menos que puedas utilizar tu marcha superior, que probablemente será directa (o 1:1), y tendrá un poco menos de pérdida de potencia de la línea motriz. Hay un par de razones para minimizar la necesidad de cambiar, entre ellos para reducir la carga de trabajo en el conductor y minimizar la posibilidad de soplar un cambio (y el acompañamiento de la marcha equivocada, el desgaste de las piezas, etc.).
Menos cambios también evita la décima de un segundo más o menos de la pérdida de aceleración de cambio «tiempo de inactividad» entre las marchas. Pero no dejes que eso supere el valor de aceleración de más marchas para mantener el motor en su pico de par. La respuesta sencilla para seleccionar las mejores relaciones de cambio es encontrar las que hagan feliz al conductor, en parte minimizando el número de cambios, pero sobre todo minimizando los tiempos por vuelta.
Cuadro del método simple
Aquí se muestra una forma sencilla de elegir la mejor relación de cambio para un coche concreto entre tres opciones: Una transmisión final de 3,07:1 con una transmisión de relación amplia, una transmisión final de 3,07:1 con una transmisión de relación estrecha y una transmisión final de 3,36:1 con una transmisión de relación estrecha. Nuestro ejemplo va a suponer una línea roja de 6000 rpm y neumáticos de 26 pulgadas de diámetro. Para encontrar las mph en las marchas, utilice esta fórmula (.003) x (rpm) x (diámetro de los neumáticos en pulgadas)/(relación del diferencial) x (relación de la transmisión). Esta matemática produce la siguiente ecuación 468/(relación del diferencial) x (relación de la transmisión). (El .003 sólo convierte pulgadas y minutos a mph.) Trazar barras de velocidad en la línea roja en las cuatro marchas para nuestras diferentes relaciones produce esta propagación.
Opciones de transmisión: Sincronizadores vs. «Perros»
Todos los pares de engranajes de la transmisión están siempre en malla, pero sólo están conectados intermitentemente con sus ejes. Las transmisiones de los coches de pasajeros hacen esta conexión con superficies de fricción que contactan primero, para igualar las velocidades de rotación más suavemente.
En el uso de carreras, estos sincronizadores se desgastan rápidamente, o son propensos a un fallo más instantáneo. En las cajas de cambios de competición puras, los engranajes se conectan alternativamente al eje principal por medio de engranajes escalonados, también conocidos como «perros», que están diseñados para engranar o agarrar la siguiente marcha muy rápidamente y con firmeza, una acción demasiado dura para la conducción diaria. El ángulo de corte y los radios de las esquinas de estos dientes están cuidadosamente diseñados para engancharse sin desgastarse y para bloquearse firmemente mientras se transmita el par motor.
Muchos conductores que tienen este tipo de cajas cambian de marcha sin soltar el acelerador, o sólo utilizan el embrague para arrancar en parado. Y a no ser que sean muy buenos en ello, los perros se quedan en el suelo, y como resultado no entran o permanecen en la marcha.
Cualquier tipo de sincronización se ayuda mucho si el conductor aprende a igualar las velocidades entre las marchas modulando el pedal del acelerador-por una fracción de segundo de soltar el acelerador durante el cambio ascendente, o un ligero golpe durante el cambio descendente. De lo contrario, los sincronizadores o las lengüetas pueden desgastarse o romperse rápidamente, obligando al conductor a ajustar las velocidades aún más, o incluso a mantener la palanca de cambios en la marcha.
Elección de los dientes de los engranajes
Las transmisiones de los turismos utilizan dientes de engranajes de transmisión de corte angular o «corte helicoidal» para reducir el ruido, mientras que los engranajes de los diferenciales presentan dientes de corte «hipoide». (Estos tipos de engranajes también se utilizan para bajar la línea central del eje de transmisión.) Para aumentar la resistencia y la eficiencia, sin embargo, los coches de carreras sólo utilizan engranajes «rectos» de corte, que principalmente tienen contacto de rodadura en sus caras, en lugar de contacto de deslizamiento.
Aprovisionamiento para Autocross
La selección de la relación de transmisión es mucho más fácil cuando su rango de velocidad es mucho más estrecho y mucho más bajo. La velocidad mínima de la curva para un autocrosser probablemente no es un criterio de selección relevante aquí, porque con un montón de exceso de potencia a velocidades más bajas, no se puede utilizar toda la potencia durante gran parte de la vuelta, y por lo tanto el engranaje es relativamente poco importante.
Si usted tiene un sistema de adquisición de datos para registrar su historial de velocidad, entonces también es útil para registrar la posición del acelerador. O, si usted tiene incluso un solo canal de datos, simplemente registrar su velocidad mientras que usted está en el acelerador abierto. La señal de velocidad podría pasar por un simple interruptor de encendido/apagado en el tope del acelerador. Digamos que tu rango de velocidad total con el acelerador totalmente abierto es de 35 a 60 mph-valores típicos para el autocross promedio, sin importar donde se realice. Entonces es posible que puedas seleccionar una relación de diferencial que coloque una sola relación de transmisión -sin importar cuál- para cubrir ese rango. Como resultado, no tendrás un punto de cambio justo en medio de una recta.
Ejercicio práctico
Es hora de guardar las reglas de cálculo y ver cómo las relaciones de cambio afectan a los tiempos por vuelta. Nuestros sujetos serán un par de coches Porsche GT3 Cup de la clase Grand American Rolex del equipo Sahlen, y el ejercicio consistirá en comparar dos cajas de cambios diferentes, una de relación amplia y otra de relación estrecha. Nuestra aula es el Watkins Glen International, y el piloto del equipo Wayne Nonnamaker es el profesor de hoy.
«La curva 5, el centro del gráfico, representa la salida de los cordones de la Bota en Watkins Glen y la dirección hacia la punta de la Bota», señala nuestro piloto. Las dos líneas superiores de la impresión de adquisición de datos de Pi Research representan las revoluciones de los dos coches. «La línea negra es el gráfico del coche con las marchas más apretadas, y la línea roja es la de las marchas más largas», explica. «Puedes ver que la caja de cambios más ajustada tiene que realizar dos cambios en la recta, mientras que la caja de cambios más larga sólo tiene un cambio». Las dos líneas centrales representan la velocidad en mph de los dos coches, con el negro para la caja más ajustada y el rosa para las marchas más largas. «La línea inferior es la diferencia entre los dos coches», señala Wayne. «Se puede ver en la recta que hay un par de décimas de segundo de ganancia una vez que se pone la potencia. También se puede ver que la caja de cambios más larga se pone al día de forma espectacular cuando se cambia la otra caja, pero la ganancia de vuelta no es suficiente para compensar la pérdida por estar fuera de la banda de potencia.» En esta pista y con esta aplicación, la caja de relación estrecha produce las vueltas más rápidas, aunque se requiera un poco más de cambio.
«También hay que tener en cuenta que el Porsche GT3 Cup es un motor algo puntero», añade Wayne. «Esto significa que mantenerlo en la banda de potencia es esencial. Si tienes una banda de potencia más amplia, esto no es tan esencial. Así que cuando se mira lo cerca que quieres tus marchas, la anchura de tu banda de potencia es muy clave.» Aunque las relaciones de transmisión son parte de la historia, también hay que tener en cuenta el grado de abuso que pueden soportar esas unidades. «En nuestros coches Rolex, la transmisión se puede cambiar tan rápido como se pueda hacer físicamente», explica Wayne en relación con sus coches Porsche GT3 Cup. Sus Porsche 996 de la Grand-Am Cup, aunque aparentemente son similares, necesitan una mano un poco más delicada. «En los coches de la Grand-Am Cup, hay que esperar un breve momento o se ralla la transmisión y se rompe la caja». Wayne dice que mirar el coche en particular es importante cuando se habla de las relaciones de transmisión. «Así que si tienes un Ford Mustang con una amplia banda de potencia y una transmisión que tarda un momento en cambiar; probablemente no merezca la pena apretar esas relaciones», añade. «Sin embargo, si tienes un Integra Type R en el que la transmisión cambia bastante rápido y la banda tiene muchos picos, entonces es probable que merezca la pena apretar las relaciones.»
Ver comentarios en los foros de GRM
7/16/18 1:16 p.m.
¡Gran artículo!
1/4/21 9:53 a.m.
¿Cómo se calcula el límite de empuje de las ruedas?
1/4/21 4:32 p.m.
También puedes mirar los datos también puedes mirar los G de aceleración. Si los Gs de aceleración bajan tienes que ajustar la marcha.
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