Sobremarcha (mecánica)

La sobremarcha es una unidad mecánica que contiene engranajes epicíclicos dimensionados para permitir que un automóvil circule a una velocidad constante con una velocidad del motor reducida (rpm), lo que resulta en un menor consumo de combustible y una menor desgaste y nivel de ruido. ^{[ 1 ]} El término es ambiguo. ^{[ 1 ]} La relación de transmisión entre el motor y las ruedas hace que el vehículo esté sobreengranado y no pueda alcanzar su velocidad máxima potencial, es decir, el automóvil podría viajar más rápido si estuviera en una marcha más baja, con el motor girando a mayores RPM. ^{[ 1 ]}

La potencia producida por un motor aumenta con las RPM del motor hasta un máximo, y luego disminuye. El punto de potencia máxima es algo menor que la velocidad máxima absoluta del motor a la que está limitado, la " línea roja ". La velocidad de un automóvil está limitada por la potencia necesaria para impulsarlo contra la resistencia del aire, que aumenta con la velocidad. A la velocidad máxima posible, el motor está funcionando en su punto de máxima potencia, o pico de potencia , y el automóvil viaja a la velocidad donde la resistencia del aire es igual a esa potencia máxima. Por lo tanto, hay una relación de transmisión específica en la que el automóvil puede alcanzar su velocidad máxima: la que hace coincidir esa velocidad del motor con esa velocidad de viaje. ^{[ 1 ]} A velocidades de viaje por debajo de este máximo, hay un rango de relaciones de transmisión que pueden hacer coincidir la potencia del motor con la resistencia del aire, y la más eficiente en consumo de combustible es la que resulta en la velocidad del motor más baja. Por lo tanto, un automóvil necesita una relación de transmisión para alcanzar la velocidad máxima, pero otra para lograr la máxima eficiencia de combustible a una velocidad menor.

Con el desarrollo inicial de los automóviles y la configuración casi universal de tracción trasera , la relación de transmisión final (es decir, del eje trasero ) para los autos rápidos se eligió para proporcionar la relación de velocidad máxima. La caja de cambios se diseñó de manera que, para mayor eficiencia, la relación más rápida fuera una relación de transmisión directa o de paso directo de 1:1, evitando pérdidas por fricción en los engranajes. Lograr una relación de sobremarcha para la conducción en crucero requería, por lo tanto, una relación de caja de cambios aún mayor, es decir, que el eje de salida de la caja de cambios girara más rápido que el motor. El eje de transmisión que une la caja de cambios y el eje trasero está, por lo tanto, sobremarchado, y una transmisión capaz de hacer esto pasó a denominarse transmisión "sobremarchada". ^{[ 1 ]}

El dispositivo para lograr la sobremarcha era generalmente una pequeña caja de cambios independiente, acoplada a la parte trasera de la caja de cambios principal y controlada por su propia palanca de cambios. ^{[ 1 ]} Estas solían ser opcionales en algunos modelos del mismo automóvil.

A medida que los coches populares se volvieron más rápidos en relación con los límites legales y el coste del combustible cobró mayor importancia, sobre todo después de la crisis del petróleo de 1973 , el uso de cajas de cambios de cinco velocidades se hizo más común en los coches de producción en masa. Estas tenían una cuarta marcha directa (1:1) con una quinta marcha de sobremarcha , lo que sustituía la necesidad de una caja de cambios de sobremarcha independiente. ^{[ 1 ]}

Con la popularidad de los automóviles de tracción delantera , la caja de cambios y la transmisión final, que antes eran independientes, se fusionaron en un único transeje . Ya no existe un eje de transmisión, por lo que uno de los significados de "sobremarcha" ya no se aplica. Sin embargo, el significado fundamental, el de una relación global superior a la de velocidad máxima, sigue vigente: las marchas más altas, con relaciones mayores a 1:1, se denominan "marchas de sobremarcha". ^{[ 1 ]}

Generally speaking, overdrive is the highest gear in the transmission. Overdrive allows the engine to operate at a lower RPM for a given road speed. This allows the vehicle to achieve better fuel efficiency, and often quieter operation on the highway. When it is switched on, an automatic transmission can shift into overdrive mode after a certain speed is reached (usually 70+ km/h [40-45 mph or more] depending on the load). When it is off, the automatic transmission shifting is limited to the lower gears. Overdrive should usually be selected when the average speed is above 70 km/h (40-45 mph).

The automatic transmission automatically shifts from OD to direct drive when more load is present. When less load is present, it shifts back to OD. Under certain conditions, for example driving uphill, or towing a trailer, the transmission may "hunt" between OD and the next highest gear, shifting back and forth. In this case, switching it off can help the transmission to "decide". It may also be advantageous to switch it off if engine braking is desired, for example when driving downhill. The vehicle's owner's manual will often contain information and suitable procedures regarding such situations, for each given vehicle.

Virtually all vehicles (cars and trucks) have overdrive today whether manual transmission or automatic. In the automotive aftermarket you can also retrofit overdrive to existing early transmissions. Overdrive was widely used in European automobiles with manual transmission in the 60s and 70s to improve mileage and sport driving as a bolt-on option but it became increasingly more common for later transmissions to have this gear built in. If a vehicle is equipped with a bolt-on overdrive (e.g.: GKN or Gear Vendors) as opposed to having an overdrive built in one will typically have the option to use the overdrive in more gears than just the top gear. In this case gear changing is still possible in all gears, even with overdrive disconnected. Overdrive simply adds effective ranges to the gears, thus overdrive third and fourth become in effect "third-and-a-half" and a fifth gear. In practice this gives the driver more ratios which are closer together providing greater flexibility particularly in performance cars.

Una sobremarcha consiste en un tren de engranajes epicicloidales accionado eléctrica o hidráulicamente, atornillado detrás de la unidad de transmisión . Puede acoplar el eje de entrada directamente al eje de salida (o eje de hélice ) (1:1), o aumentar la velocidad de salida para que gire más rápido que el eje de entrada (1:1  + n ). De esta forma, el eje de salida puede estar "sobreaccionado" con respecto al eje de entrada. En las transmisiones más modernas, la(s) velocidad(es) de sobremarcha suelen ser el resultado de combinaciones de conjuntos de engranajes planetarios/epicíclicos integrados en la transmisión. Por ejemplo, la transmisión ZF 8HP tiene 8 marchas hacia adelante, dos de las cuales son relaciones de sobremarcha (< 1:1). En vehículos más antiguos, a veces se acciona mediante una perilla o botón, a menudo incorporado en la palanca de cambios, y no requiere el accionamiento del embrague . Los vehículos más modernos cuentan con sobremarcha electrónica, en la que la computadora se ajusta automáticamente a las condiciones de potencia y carga. 

La gran mayoría de las sobremarchas en los automóviles europeos fueron inventadas y desarrolladas por Edgar de Normanville , ^{[ 2 ]} y fabricadas por la empresa inglesa Laycock Engineering (más tarde GKN Laycock), en su planta de Little London Road en Sheffield . El sistema ideado por de Normanville fue adoptado y fabricado por Laycock después de su encuentro casual con un ingeniero de Laycock Products. Las sobremarchas de De Normanville se encontraron en vehículos fabricados por Standard-Triumph , que fue la primera, seguida por Ford , BMC y British Leyland , Jaguar , Rootes Group y Volvo , por nombrar solo algunos. Otra empresa británica, el antiguo fabricante de aviones Fairey , construyó una exitosa unidad totalmente mecánica para el Land Rover , que todavía se produce en Estados Unidos hoy en día.

El primer vehículo de producción en incorporar el sistema Laycock fue el Standard Vanguard Saloon de 1948. La primera unidad que se creó fue la sobremarcha tipo A, que se instaló en muchos coches deportivos durante la década de 1950 y hasta finales de la de 1960. Varias marcas famosas utilizaron sobremarchas tipo A, entre ellas Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley y la gama de deportivos TR de Triumph, desde el TR2 hasta el TR6, modelo de finales de 1972.

En 1959, la empresa Laycock Engineering Company presentó la sobremarcha tipo D, que se instaló en una variedad de automóviles, incluidos los Volvo 120 y 1800 , los Sunbeam Alpine y Rapier , los Triumph Spitfire y también los MGB de 1962 a 1967 (aquellos con transmisiones de 3 velocidades sincronizadas).

A partir de 1967 se introdujo la sobremarcha de tipo LH, que se incorporó a diversos modelos, incluidos los MGB de 1968 a 1980 , el MGC , el Ford Zephyr , los primeros Reliant Scimitar , los TVR y los Gilbern .

La sobremarcha de tipo J se introdujo a finales de la década de 1960 y se adaptó para su uso en automóviles Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors y Chrysler, así como en furgonetas Ford Transit .

La sobremarcha tipo P marcó las últimas actualizaciones y se fabricó en una versión para EE. UU. de Gear Vendors y otra para Volvo. La versión de Volvo mantuvo el mismo tamaño que la tipo J, pero con la rueda libre actualizada de 18 elementos y estrías más resistentes en el portaplanetarios. La versión para EE. UU. de Gear Vendors utiliza un eje de salida de mayor diámetro exterior (1,375 pulgadas) para una mayor capacidad y una carcasa trasera más larga.

Durante un período de 40 años, Laycock Engineering fabricó más de tres millones y medio de unidades de sobremarcha, y más de un millón de ellas se instalaron en automóviles Volvo.

En 2008, la empresa estadounidense Gear Vendors, Inc. ^{[ 3 ]} de El Cajon, California, compró todos los activos de sobremarcha de GKN para continuar la producción de la versión estadounidense y todos los repuestos para los tipos J y P en todo el mundo.

El sistema incorpora un dispositivo accionado por presión de aceite, acoplado a la parte posterior de la caja de cambios estándar y que actúa sobre el eje de salida de la misma. Mediante un sistema de presión de aceite, solenoides y pistones, la sobremarcha reduce las revoluciones en las marchas en las que se utiliza en un 22 % (0,778). Por ejemplo, el sistema de sobremarcha aplicado a un Triumph TR5 funciona en segunda, tercera y cuarta marcha. Al activarse, la sobremarcha reduce las revoluciones de 3000 rpm en 666 rpm, o de 3500 rpm en 777 rpm, hasta alcanzar las 2723 rpm netas. Esta reducción de revoluciones supone una ventaja en el consumo de combustible, con una disminución cercana al 22 % en la conducción en carretera.

Antes de que las transmisiones automáticas se popularizaran, especialmente en la década de 1950, muchos automóviles estadounidenses de tracción trasera ofrecían la opción de sobremarcha. Con importantes mejoras desarrolladas en Muncie, Indiana , por William B. Barnes para su producción por la División Warner Gear, BorgWarner proporcionó la caja de cambios que se instalaba de fábrica entre la transmisión y un eje de transmisión acortado. Dado que la función de sobremarcha, si estaba activada, podía cambiarse simplemente soltando el acelerador sin pisar el pedal del embrague , su funcionamiento era muy similar al de una transmisión semiautomática. Además, un solenoide eléctrico desactivaba la unidad mediante un interruptor debajo del pedal del acelerador, proporcionando el equivalente a la reducción de marcha de una transmisión automática. También se incluía una perilla conectada a un cable Bowden , similar a la de algunos frenos de emergencia, para bloquear mecánicamente la unidad. El uso de la sobremarcha con la transmisión principal de 3 velocidades en segunda marcha tenía una relación similar a la de tercera, y con la transmisión principal en tercera, la relación total era fraccionaria (es decir, "sobremarcha real"). Esto fue importante para reducir el desgaste, el ruido y la dificultad de control.

Estas cajas de sobremarcha adicionales estuvieron disponibles desde la década de 1930 hasta la de 1970 para automóviles y camionetas ligeras.

Hoy en día, la mayoría de los automóviles y camiones de gasolina y diésel vienen con una transmisión con sobremarcha para maximizar el ahorro de combustible. ^{[ 4 ]} La sobremarcha se incluye tanto en transmisiones automáticas como manuales como una marcha adicional (o dos en algunos casos). ^{[ 5 ]}

Al usar la sobremarcha, la velocidad del motor disminuye, reduciendo el desgaste y, por lo general, ahorrando combustible. Desde la entrada en vigor de la normativa estadounidense de consumo medio de combustible (CAFE) en 1981, prácticamente todos los vehículos nacionales incorporan la sobremarcha para ahorrar combustible. Se recomienda consultar el manual del propietario para conocer la velocidad óptima para usar la sobremarcha. Todos los motores tienen un rango de eficiencia óptima, y ​​es posible que, si se usa la sobremarcha a velocidades inadecuadas, el motor funcione fuera de este rango durante parte o la totalidad del tiempo, lo que anula el ahorro de combustible derivado de la menor velocidad del motor.

La reducción general de la transmisión depende de tres factores básicos: la relación de transmisión (incluida la sobremarcha), la relación del diferencial (en el eje) y el tamaño de los neumáticos. El problema de la velocidad de rotación surge cuando la relación del diferencial es alta y se utiliza la sobremarcha para compensar. Esto puede generar vibraciones desagradables a altas velocidades y la posible rotura del eje de transmisión debido a las fuerzas centrípetas o a un desequilibrio.

El eje de transmisión suele ser un tubo metálico hueco que requiere equilibrado para reducir las vibraciones y no contiene refuerzos internos.

Las altas velocidades en el eje de transmisión y sus componentes pueden provocar problemas de sobrecalentamiento y desgaste si se combinan una sobremarcha y una relación de transmisión diferencial alta (o incluso neumáticos muy pequeños), generando una fricción innecesaria. Esto es especialmente importante porque los engranajes del diferencial están sumergidos en aceite denso y rara vez reciben refrigeración, salvo la que proporciona el aire que circula sobre la carcasa.

El objetivo es minimizar el uso de la sobremarcha y proporcionar una primera marcha con una relación más alta, lo que significa más marchas entre la primera y la última para mantener el motor a su velocidad más eficiente. Esta es parte de la razón por la que los automóviles modernos tienden a tener un mayor número de marchas en sus transmisiones. También es por eso que rara vez se ve más de una marcha de sobremarcha en un vehículo, excepto en circunstancias especiales, es decir, donde se requiere una marcha diferencial alta (numérica) para poner el vehículo en movimiento, como en camiones o autos deportivos, aunque las transmisiones de doble sobremarcha son comunes en otros vehículos, a menudo con un número pequeño en la reducción de engranajes del eje, pero generalmente solo se activan a velocidades superiores a 100 kilómetros por hora (62 mph) . 

• "Cómo funcionan las transmisiones automáticas: sobremarcha" ( animación interactiva en How Stuff Works)