Transmisión manual

Muchos de los primeros automóviles tenían motor trasero y una sencilla transmisión por correa que funcionaba como una sola velocidad. El Panhard et Levassor de 1891 se considera un avance significativo en las transmisiones automotrices, ya que utilizaba una transmisión manual de tres velocidades. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Esta transmisión, junto con muchos diseños similares que inspiró, era de diseño no síncrono (también llamado de engranaje deslizante ), donde los cambios de marcha implicaban deslizar los engranajes a lo largo de sus ejes para que los dientes deseados se acoplaran. Por lo tanto, el conductor debía usar una sincronización y un manejo del acelerador precisos al cambiar de marcha, para que los engranajes giraran aproximadamente a la misma velocidad al acoplarse; de ​​lo contrario, los dientes no se acoplarían. Esto era difícil de lograr, por lo que los cambios de marcha a menudo iban acompañados de ruidos de rechinido o crujido, lo que hizo que las cajas de cambios fueran apodadas "cajas de choque". ^{[ 4 ]} Incluso después de que los automóviles de pasajeros cambiaron a transmisiones síncronas (es decir, con sincronizadores), muchas transmisiones para camiones pesados, motocicletas y autos de carreras siguieron siendo no síncronas, para soportar las fuerzas requeridas o proporcionar un tiempo de cambio más rápido .

El primer automóvil en usar una transmisión manual con sincronización fue el Cadillac de 1929. [ ^{5 ] La} mayoría de las marcas norteamericanas habían adoptado transmisiones manuales sincronizadas, generalmente para la segunda y las marchas altas, a mediados de la década de 1930. En 1947, Porsche patentó el sistema de sincronización de anillo partido . ^{[ 6 ]} El Porsche 356 de 1952 fue el primer automóvil en usar una transmisión con sincronización en todas las marchas hacia adelante. ^{[ 7 ] [ 8 ]} A principios de la década de 1950, la mayoría de los automóviles solo tenían sincronización para el cambio de tercera a segunda marcha (los manuales del conductor en los vehículos sugerían que si el conductor necesitaba cambiar de segunda a primera, era mejor detenerse por completo antes).

Hasta finales de la década de 1970, la mayoría de las transmisiones tenían tres o cuatro marchas hacia adelante, aunque ocasionalmente se utilizaban transmisiones manuales de cinco velocidades en coches deportivos como el Ferrari 166 Inter de 1948 y el Alfa Romeo 1900 Super Sprint de 1953. Las transmisiones de cinco velocidades se generalizaron durante la década de 1980, al igual que el uso de sincronización en todas las marchas hacia adelante.

Las transmisiones manuales de seis velocidades comenzaron a aparecer en vehículos de alto rendimiento a principios de la década de 1990, como el BMW 850i de 1990 y el Ferrari 456 de 1992. La primera transmisión manual de 6 velocidades se introdujo en el Alfa Romeo 33 Stradale de 1967. La primera transmisión manual de 7 velocidades se introdujo en el Porsche 911 (991) de 2012. ^{[ 9 ]}

En 2008, el 75,2% de los vehículos producidos en Europa Occidental estaban equipados con transmisión manual, frente al 16,1% con transmisión automática y el 8,7% con otras. ^{[ 10 ]}

Una transmisión manual tiene varios ejes con diversos engranajes y otros componentes acoplados a ellos. La mayoría de los automóviles modernos utilizan transmisiones de engranajes constantes que constan de tres ejes: un eje de entrada , un eje intermedio (también llamado eje lateral ) y un eje de salida . ^{[ 11 ]}

El eje de entrada está conectado al motor y gira a la velocidad del motor cuando se acopla el embrague. ^{[ 12 ]} El eje intermedio tiene engranajes de varios tamaños, que están permanentemente engranados con el engranaje correspondiente del eje de entrada. ^{[ 13 ]} Los engranajes del eje de salida también están permanentemente engranados con un engranaje correspondiente del eje intermedio; sin embargo, los engranajes del eje de salida pueden girar independientemente del propio eje de salida (mediante el uso de cojinetes ubicados entre los engranajes y el eje). ^{[ 14 ]} Mediante el uso de collares (accionados mediante las varillas de cambio ), la velocidad del eje de salida se bloquea temporalmente a la velocidad de la marcha seleccionada. ^{[ 15 ]} Algunos diseños de transmisión, como en el Volvo 850 y el S70, tienen dos ejes intermedios, ambos impulsando un piñón de salida que engrana con la corona dentada de la transmisión de tracción delantera. Esto permite una transmisión más estrecha, ya que la longitud de cada eje intermedio se reduce a la mitad en comparación con una que contiene cuatro engranajes y dos palancas de cambio.

Los engranajes fijos y libres pueden montarse en el eje de entrada, en el de salida o en ambos. Por ejemplo, una transmisión de cinco velocidades podría tener los selectores de primera a segunda en el eje intermedio, pero los selectores de tercera a cuarta y de quinta en el eje principal. Esto significa que, cuando el vehículo está detenido y en punto muerto con el embrague accionado y el eje de entrada girando, los pares de engranajes de tercera, cuarta y quinta no giran.

Cuando se selecciona la posición neutral, ninguno de los engranajes del eje de salida está bloqueado, lo que permite que los ejes de entrada y salida giren independientemente. Para la marcha atrás, se utiliza un engranaje intermedio para invertir el sentido de giro del eje de salida. En muchas transmisiones, los ejes de entrada y salida pueden bloquearse directamente (sin pasar por el eje intermedio) para crear una relación de transmisión de 1:1, conocida como transmisión directa .

En las transmisiones de vehículos con motor longitudinal (por ejemplo, la mayoría de los automóviles de tracción trasera), es común que el eje de entrada y el de salida estén ubicados en el mismo eje, ya que esto reduce las fuerzas de torsión que debe soportar la carcasa de la transmisión. El conjunto formado por ambos ejes se denomina eje principal (aunque a veces este término se refiere solo al eje de entrada o al de salida). La rotación independiente de los ejes de entrada y salida es posible gracias a que uno de ellos se encuentra dentro del orificio hueco del otro, con un cojinete ubicado entre ambos.

En una transmisión para vehículos con motor transversal (por ejemplo, automóviles de tracción delantera), también llamada transeje , generalmente solo hay dos ejes: el de entrada y el de salida (a veces denominados entrada y salida). El eje de entrada recorre toda la longitud de la caja de cambios y no tiene un piñón de entrada independiente. Estas transmisiones también cuentan con un diferencial integrado , conectado mediante un piñón en el extremo del eje de salida.

• Selección de marchas en una transmisión de engranajes constantes
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  Primera marcha (azul, hacia atrás)
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  Segunda marcha (azul, hacia adelante)
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  Tercera marcha (morada, hacia atrás)
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  Cuarta marcha (morada, hacia adelante)

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  Marcha atrás (verde activado)
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  Neutral (todos desactivados)

En una transmisión manual moderna de engranajes constantes, los dientes de los engranajes están permanentemente en contacto entre sí, y se utilizan acoplamientos de garras (a veces llamados dientes de garra ) para seleccionar la relación de transmisión. Cuando los acoplamientos de garras de todas las marchas están desacoplados (es decir, cuando la transmisión está en punto muerto), todos los engranajes pueden girar libremente alrededor del eje de salida. Cuando el conductor selecciona una marcha, el acoplamiento de garras de esa marcha se acopla (a través de las varillas selectoras de marchas), bloqueando el eje de salida de la transmisión a un conjunto de engranajes específico. Esto significa que el eje de salida gira a la misma velocidad que la marcha seleccionada, determinando así la relación de transmisión. ^{[ 16 ]}

El embrague de garras es un mecanismo selector deslizante que se ubica alrededor del eje de salida. Posee dientes que se acoplan a las estrías del eje, obligándolo a girar a la misma velocidad que el cubo de la transmisión. Sin embargo, el embrague puede moverse hacia adelante y hacia atrás sobre el eje para acoplar o desacoplar las estrías. Este movimiento se controla mediante una horquilla selectora conectada a la palanca de cambios. La horquilla no gira, por lo que está fijada a un cojinete de collarín en el selector. El selector suele ser simétrico: se desliza entre dos engranajes y cuenta con un sincronizador y dientes a cada lado para bloquear cualquiera de los engranajes al eje. A diferencia de otros tipos de embragues (como el embrague accionado con el pie de un automóvil con transmisión manual), un embrague de garras proporciona un acoplamiento antideslizamiento y no es adecuado para el deslizamiento intencional.

Para lograr cambios de marcha suaves sin que el conductor tenga que ajustar manualmente las revoluciones del motor en cada cambio, la mayoría de las transmisiones de los automóviles modernos utilizan sincronizadores (también llamados anillos sincronizadores) en las marchas hacia adelante. Estos dispositivos igualan automáticamente la velocidad del eje de entrada con la de la marcha seleccionada, eliminando así la necesidad de que el conductor utilice técnicas como el doble embrague . La transmisión sincronizada fue inventada en 1919 por Earl Avery Thompson y utilizada por primera vez en automóviles de producción por Cadillac en 1928. ^{[ 17 ]}

La necesidad de sincronización en una transmisión de engranajes constantes radica en que los embragues de garras requieren que la velocidad del eje de entrada coincida con la de la marcha seleccionada; de lo contrario, los dientes de las garras no se acoplarán y se oirá un fuerte ruido de fricción al chocar entre sí. Por lo tanto, para acelerar o desacelerar el eje de entrada según sea necesario, se colocan anillos sincronizadores cónicos de latón en cada engranaje. Cuando el conductor mueve la palanca de cambios hacia la siguiente marcha, estos anillos sincronizadores presionan el manguito cónico del collarín de garras para que las fuerzas de fricción reduzcan la diferencia en las velocidades de rotación. ^{[ 18 ]} Una vez que estas velocidades se igualan, el embrague de garras puede acoplarse y, por lo tanto, la nueva marcha está en uso. En una caja de cambios moderna, la acción de todos estos componentes es tan suave y rápida que apenas se nota. Muchas transmisiones no incluyen sincronización en la marcha atrás .

El sistema de sincronización también debe impedir que el collarín bloquee los anillos de bloqueo mientras se sincronizan las velocidades. Esto se logra mediante anillos de bloqueo (también llamados anillos de tope). El anillo sincronizador gira ligeramente debido al par de fricción del embrague cónico. En esta posición, se impide el acoplamiento del embrague de garras. Una vez sincronizadas las velocidades, se reduce la fricción sobre el anillo de bloqueo y este gira ligeramente, alineando ciertas ranuras o muescas que permiten que el embrague de garras se acople.

Los metales comunes para los anillos sincronizadores son el latón y el acero , y se producen mediante forjado o conformado de chapa metálica. Este último consiste en estampar la pieza a partir de una tira de chapa metálica y luego mecanizarla para obtener la forma exacta requerida. A veces, los anillos se recubren con revestimientos antidesgaste (también llamados «revestimientos de fricción») hechos de molibdeno , hierro , bronce o carbono (este último generalmente reservado para transmisiones de alto rendimiento debido a su elevado coste). ^{[ 19 ]}

El desgaste mecánico de los anillos y manguitos sincronizadores puede provocar que el sistema de sincronización se vuelva ineficaz con el tiempo. Estos anillos y manguitos deben vencer el impulso de todo el eje de entrada y el disco de embrague durante cada cambio de marcha (así como el impulso y la potencia del motor, si el conductor intenta cambiar de marcha sin desembragar completamente). Mayores diferencias de velocidad entre el eje de entrada y la marcha requieren mayores fuerzas de fricción por parte de los componentes sincronizadores, lo que puede aumentar su desgaste.

Incluso en las transmisiones modernas, donde todas las marchas hacia adelante tienen una configuración de engranaje constante, la marcha atrás suele utilizar la configuración antigua de engranaje deslizante ("caja de engranajes"). Esto significa que al mover la palanca de cambios a la posición de marcha atrás, los engranajes se acoplan. Otro aspecto único de la marcha atrás es que consta de dos engranajes: un engranaje intermedio en el eje secundario y otro en el eje de salida. Ambos están fijados directamente al eje (es decir, siempre giran a la misma velocidad que este). Estos engranajes suelen ser de dientes rectos, lo que, a diferencia de los dientes helicoidales utilizados en la marcha adelante, produce un zumbido al retroceder el vehículo.

Al seleccionar la marcha atrás, el engranaje intermedio se mueve físicamente para engranar con los engranajes correspondientes en los ejes de entrada y salida. Para evitar el roce al engranar, los engranajes deben permanecer inmóviles. Dado que el eje de entrada suele seguir girando debido a la inercia o al arrastre del embrague (incluso después de que el coche se haya detenido), se necesita un mecanismo para detenerlo, como los anillos sincronizadores de la quinta marcha. Sin embargo, algunos vehículos emplean un sistema de sincronización para la marcha atrás, lo que evita posibles ruidos al seleccionarla mientras el eje de entrada sigue girando.

La mayoría de las transmisiones incluyen un mecanismo de bloqueo para evitar que se seleccione accidentalmente la marcha atrás mientras el vehículo avanza. Este mecanismo puede consistir en un tope debajo de la palanca de cambios que debe levantarse o requerir una fuerza adicional para empujar la palanca hasta la posición de marcha atrás. También puede existir un bloqueo entre la quinta y la marcha atrás cuando estas dos marchas se encuentran en el mismo plano del diagrama de cambios, de modo que la caja de cambios debe colocarse en punto muerto antes de cambiar de quinta a marcha atrás.

Otro tipo de transmisión que se usa en autos , camiones y tractores antiguos es la transmisión asíncrona (también conocida como caja de cambios de engranajes rígidos). Las transmisiones asíncronas usan un diseño de engranajes deslizantes (o de engranajes constantes, en años posteriores) y reciben el sobrenombre de "de engranajes rígidos" porque la dificultad para cambiar de marcha puede provocar cambios acompañados de ruidos fuertes y crujidos.

Durante la época en que los vehículos estadounidenses solían tener solo tres velocidades hacia adelante, la palanca de cambios se ubicaba más comúnmente en la columna de dirección, una disposición que a veces se denominaba "tres en la columna". En contraste, los autos de alto rendimiento, y los vehículos europeos en general, utilizaban mayoritariamente una transmisión de cuatro velocidades con palanca de cambios en el piso. Esta disposición se conocía como "cuatro en el piso".

La mayoría de los vehículos FR (motor delantero, tracción trasera) tienen la transmisión ubicada entre el asiento del conductor y el del pasajero delantero. Las palancas de cambio, situadas en el piso, suelen estar conectadas directamente a la transmisión. Los vehículos FF (motor delantero, tracción delantera) , RR (motor trasero, tracción trasera) y los vehículos con motor delantero y caja de cambios trasera suelen requerir un mecanismo de conexión para unir la palanca de cambios a la transmisión.

Algunos vehículos tienen la palanca de cambios montada en la columna de dirección. La palanca de cambios de tres velocidades en la columna, conocida popularmente como "tres en la columna", comenzó a aparecer en Estados Unidos a finales de la década de 1930 y se popularizó durante las décadas de 1940 y 1950. Si un vehículo estadounidense estaba equipado con sobremarcha , era muy probable que fuera del tipo Borg-Warner , que se activaba soltando brevemente el pedal del acelerador a velocidades superiores a 45 km/h (28 mph ) y pisándolo a fondo momentáneamente para volver a la marcha normal. El control simplemente desactiva la sobremarcha en situaciones como aparcar en una pendiente o evitar cambios involuntarios a la sobremarcha.  

Más tarde, los modelos europeos y japoneses comenzaron a tener palancas de cambio de 4 velocidades en la columna de dirección con este patrón de cambio:

La mayoría de los vehículos con especificaciones norteamericanas vendidos en EE. UU. y Canadá tenían una palanca de cambios de 3 velocidades en la columna de dirección; las furgonetas Chevrolet/GMC de primera generación de 1964-70 tenían una palanca de cambios de 4 velocidades en la columna de dirección, que era extremadamente rara. La palanca de cambios manual en la columna de dirección desapareció en Norteamérica a mediados de la década de 1980, apareciendo por última vez en la camioneta Chevrolet de 1987. Antes de 1980, los compactos de la plataforma GM X (Chevrolet Nova y sus clones corporativos con otra marca) fueron los últimos automóviles de pasajeros en tener una palanca de cambios manual en la columna de dirección. Fuera de Norteamérica, la palanca de cambios en la columna de dirección se mantuvo en producción. Todos los taxis Toyota Crown y Nissan Cedric en Hong Kong tenían la palanca de cambios de 4 velocidades en la columna de dirección hasta 1999, cuando se ofrecieron por primera vez las transmisiones automáticas. Desde finales de los años 80 o principios de los 90, algunas furgonetas vendidas en Asia y Europa, como la Toyota Hiace , la Mitsubishi L400 y la primera generación de la Fiat Ducato , ofrecían una caja de cambios manual de 5 velocidades con palanca en la columna de dirección. Muchos coches europeos también contaban con cambio manual en la columna de dirección, y el Renault 16TX tenía una caja de cambios de 5 velocidades.

Las palancas de cambio en la columna de dirección son mecánicamente similares a las palancas de cambio en el piso, aunque el cambio se realiza en un plano vertical en lugar de uno horizontal. Debido a que la palanca de cambios está más alejada de la transmisión y los movimientos en la palanca y en la transmisión se producen en planos diferentes, las palancas de cambio en la columna de dirección requieren un mecanismo más complejo que las palancas de cambio en el piso. Las ventajas de una palanca de cambio en la columna de dirección son la posibilidad de cambiar entre las dos marchas más utilizadas (segunda y tercera) sin soltar el volante y la ausencia de interferencia con el espacio para los pasajeros en vehículos equipados con un asiento corrido .

Algunos coches pequeños de los años 50 y 60, como el Citroën 2CV , el Renault 4 y los primeros Renault 5, incorporaban una palanca de cambios en el salpicadero. Esto resultaba más económico de fabricar que una palanca en la columna de dirección y más práctico, ya que la caja de cambios estaba montada delante del motor. El mecanismo de la palanca podía, por lo tanto, ubicarse encima del motor. La desventaja es que el cambio de marchas resulta menos cómodo y suele ser más lento.

Los coches pequeños y monovolúmenes más recientes , como el Suzuki MR Wagon , el Fiat Multipla , el Toyota Matrix , el Pontiac Vibe , los coches con plataforma Chrysler RT , el Honda Element , el Honda Civic , el Daihatsu Sigra y el Honda Avancier , pueden tener una palanca de cambios manual o automática ubicada en el panel de instrumentos del vehículo, similar a los Chrysler y Corvair Powerglide de mediados de la década de 1950. Las palancas de cambio montadas en la consola son similares a las palancas de cambio montadas en el piso, ya que la mayoría de las que se usan en los vehículos modernos funcionan en un plano horizontal y se pueden montar en la transmisión del vehículo de forma muy parecida a una palanca de cambios montada en el piso. Sin embargo, debido a la ubicación de la palanca de cambios en comparación con la ubicación de la palanca de cambios en la columna de dirección y la palanca de cambios en el piso, así como la posición de la palanca de cambios con respecto al resto de los controles en el panel, a menudo se requiere que la palanca de cambios se monte en un espacio que no cuente con muchos controles integrales para el funcionamiento del vehículo, o controles de uso frecuente, como los del sistema de sonido o el sistema de climatización , para ayudar a prevenir la activación accidental o la confusión del conductor.

Cada vez más coches y furgonetas pequeñas de fabricantes como Suzuki , Honda y Volkswagen incorporan palancas de cambio en la consola central, ya que liberan espacio en el suelo para otras funciones, como compartimentos de almacenamiento, sin necesidad de montar la palanca en la columna de dirección. Además, la ubicación de la palanca de cambios en comparación con la de la columna facilita su manejo.

Arrancar desde parado en un vehículo con transmisión manual requiere un par motor adicional para acelerarlo cuesta arriba, con el riesgo de que el vehículo retroceda en el tiempo que tarda el conductor en mover el pie del pedal del freno al del acelerador (para aumentar las RPM del motor antes de accionar el embrague). Un método tradicional para arrancar en pendiente en un coche con transmisión manual consiste en usar el freno de mano (también llamado freno de emergencia) para mantener el vehículo inmóvil. Esto significa que el pie derecho del conductor no necesita accionar el pedal del freno, quedando libre para usarlo en el pedal del acelerador. Una vez alcanzadas las RPM del motor necesarias, el conductor puede accionar el embrague, soltando también el freno de mano al hacerlo.

En 1936, el Studebaker introdujo un dispositivo llamado asistente de arranque en pendiente . Muchos vehículos modernos utilizan un freno de estacionamiento de accionamiento electrónico, que a menudo incluye una función de asistente de arranque en pendiente mediante la cual el freno de estacionamiento se libera automáticamente cuando las ruedas motrices comienzan a recibir potencia del motor. ^{[ 24 ]}

En muchos vehículos ligeros, los conductores experimentados pueden soltar ligeramente el embrague lo suficiente como para evitar que el vehículo retroceda demasiado durante el segundo mientras mueven el pie derecho del pedal del freno al del acelerador; este método resuelve eficazmente el problema de la retención en pendientes sin necesidad de usar el freno de mano y con una reducción mínima de la vida útil del embrague, aunque requiere cierta habilidad.

En vehículos con acelerador manual, como los tractores agrícolas , es posible evitar el retroceso aumentando las RPM del motor con el acelerador manual y luego soltando los pedales de freno y embrague de la forma habitual.

• La sincronización de revoluciones consiste en que el conductor utiliza el acelerador para igualar las revoluciones a la velocidad del vehículo, de modo que los cambios de marcha no sean bruscos. Esta técnica es utilizada habitualmente por conductores con cajas de cambios no sincronizadas o por aquellos que conducen vehículos de competición ^{[ 25 ].}
• En las cajas de cambios sin sincronización, es necesario realizar doble embrague . Para hacerlo al reducir de marcha: pise el pedal del embrague y mueva la palanca de cambios a punto muerto, suelte el pedal del embrague, acelere brevemente para aumentar la velocidad de rotación de la marcha inferior, vuelva a pisar el pedal del embrague, mueva la palanca de cambios a la marcha inferior y, por último, suelte el pedal del embrague.
• La técnica de punta-tacón consiste en que el conductor utiliza un pie para modular simultáneamente el pedal del freno y el del acelerador, lo que permite igualar las revoluciones del motor durante el frenado.
• El cambio de marchas en bloque o el cambio de marchas alternado ^{[ 26 ]} consiste en reducir varias marchas para disminuir el desgaste de la caja de cambios. Puede ser necesario sincronizar las revoluciones para lograr un cambio suave. Combinar esto con la técnica de punta-tacón permite una frenada máxima al pasar de la marcha más alta a una mucho más baja, y un régimen de revoluciones óptimo para salir de la curva.