Transmisión de relación cerrada

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Una transmisión de relación cerrada describe una transmisión de vehículo motorizado con una diferencia menor que la media entre las relaciones de transmisión . Se utilizan con mayor frecuencia en autos deportivos para mantener el motor en la banda de potencia .

Una transmisión de relación cerrada es aquella que se describe en relación con otra transmisión para el mismo modelo de vehículo. La relatividad se aplica únicamente a las transmisiones que se ofrecen para una sola marca y modelo; es decir, no existe un valor umbral específico ni un estándar industrial aceptado que determine si los pasos entre marchas constituyen una transmisión normal o de relación cerrada. Lo que un fabricante describe como una transmisión de relación cerrada no tiene necesariamente relaciones más cercanas que la transmisión manual normal de otro fabricante.

A menudo, los fabricantes utilizan el término "relación cerrada" cuando ofrecen una o más alternativas a la transmisión que se incluye como equipamiento de serie: por ejemplo, una transmisión opcional, más deportiva, que ofrece relaciones más cercanas que la estándar, como la que Porsche ofrecía con las tres transmisiones que se enumeran a continuación para el 911 de 1967 a 1971.

Matemáticamente, la "proximidad" de una transmisión se puede caracterizar a partir del espaciamiento promedio acumulado entre los engranajes , o el promedio geométrico de los mismos. Esto se define como la raíz n- ¹ de los productos de cada relación de transmisión, que se simplifica al rango general de relaciones de transmisión y el número de velocidades (de avance):

${\displaystyle {\overline {\mathrm {espaciado} }}\equiv \left(\prod _{i=1}^{n-1}{\frac {R_{i+1}}{R_{i}}}\right)^{\frac {1}{n-1}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{n}}{R_{1}}}}={\sqrt[{n-1}]{\frac {R_{hi}}{R_{lo}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle R_{n}=R_{hi}}$es la relación de transmisión de la marcha más alta
• ${\displaystyle R_{1}=R_{lo}}$es la relación de transmisión de la marcha más baja
• ${\estilo de visualización n}$es el número total de velocidades de marcha (hacia adelante)

En general, la mayoría de las transmisiones tienen aproximadamente el mismo rango total entre las marchas más altas y más bajas, por lo que cuantas más marchas tenga una transmisión, más juntas estarán. Esto se desprende de la expresión anterior: a medida que aumenta, el espaciado promedio aumentará. Una transmisión continuamente variable (CVT) tiene un "número" casi infinito de relaciones de transmisión entre sus relaciones más altas y más bajas, lo que significa que la CVT tiene pasos infinitesimalmente pequeños entre las relaciones de transmisión. Sin embargo, debido a que las CVT no tienen relaciones de transmisión específicas (fijas) a menos que se programen como tales, no se consideraría una transmisión de relación cerrada.${\estilo de visualización n}$

Los motores de combustión interna que se encuentran en los automóviles de pasajeros son capaces de funcionar en un rango relativamente amplio de velocidades: el ralentí hasta la línea roja para los motores de gasolina es de aproximadamente 700 a 6500 RPM o más; sin embargo, la banda de potencia , que es el rango óptimo de velocidades del motor considerando el consumo de combustible, el torque y la potencia de salida, suele ser más pequeña. ^[1] La transmisión automotriz se utiliza para mantener la velocidad del motor dentro de la banda de potencia mientras se opera el vehículo en un amplio rango de velocidades legales.

Durante la aceleración, cuando la velocidad del vehículo aumenta hasta el punto en que la velocidad del motor excede la velocidad a la que se desarrolla la potencia máxima, el conductor o la transmisión cambian a una marcha más alta (relación numéricamente inferior), lo que reduce la velocidad del motor, manteniéndola en su banda de potencia óptima, y ​​permite una aceleración continua. Es posible que la siguiente relación de marcha más alta sea mucho menor que la relación anterior, de modo que al cambiar a una marcha superior se reduzca excesivamente la velocidad del motor, lo que hace que la velocidad del motor caiga fuera de su "banda de potencia"; para lograr la máxima aceleración, la velocidad del motor de un automóvil debe mantenerse en esta banda de potencia. Una transmisión de relación amplia requiere que el motor funcione en un rango mayor de velocidades del motor, pero requiere menos cambios y permite un rango más amplio de velocidades de salida (del vehículo).

Los motores de alto rendimiento suelen estar ajustados para ofrecer la máxima potencia en un rango de velocidades de funcionamiento aún más estrecho. Un tipo de transmisión de relación cerrada está diseñado para permitir que un motor permanezca en este rango relativamente estrecho de velocidades de funcionamiento y, por lo general, se ofrece en automóviles deportivos , en los que se puede esperar que el conductor disfrute cambiando de marcha con frecuencia para mantener el motor en su banda de potencia.

En esta tabla se comparan las relaciones de las tres transmisiones ofrecidas para los vehículos Porsche 911 de 1967 a 1971: la primera es la transmisión estándar 901/75, la segunda es la transmisión 901/76 denominada "Para subidas en pendientes" y la tercera es la transmisión 901/79 denominada "Relaciones de Nürburgring". Incluye el paso entre relaciones sucesivas; por ejemplo, el paso de la 3.ª a la 4.ª marcha para la transmisión 901/76 es del 85 %, lo que significa que la velocidad del motor en la 4.ª marcha es el 85 % de la de la 3.ª marcha a velocidades equivalentes del vehículo.

En la transmisión Porsche estándar (901/75) descrita aquí, la relación de cada marcha sucesiva es, en promedio, el 75 % de la de la marcha anterior:

${\displaystyle \left({\frac {0,821}{2,643}}\right)^{\frac {1}{4}}=0,747}$

Según cálculos similares, la transmisión Hill Climb tiene relaciones de transmisión sucesivas que son, en promedio, el 81 % de la marcha anterior, y la transmisión Nürburgring tiene relaciones de transmisión sucesivas que son el 77 % de la marcha anterior. Por lo tanto, las marchas de la transmisión Hill Climb están "más cerca" en relación numérica con la marcha anterior que las de la transmisión estándar o Nürburgring, lo que la convierte en una transmisión de relación cerrada.

Tenga en cuenta que el paso de 1.ª a 2.ª marcha para la transmisión de Nürburgring es el cambio individual más grande para cualquiera de las tres transmisiones, pero los cambios de paso sucesivos de 2.ª a 5.ª son relativamente pequeños; esta transmisión está diseñada para un funcionamiento sostenido a alta velocidad en lugar de una aceleración desde parado.

El Porsche 911 S de 1967 estaba equipado con un motor bóxer de seis cilindros y 2,0 L que producía 160 CV (120 kW) a 6600 rpm y 179 N⋅m (132 lbf⋅ft) de par motor a 5200 rpm. ^[3] Si se utilizan las relaciones de transmisión estándar anteriores, cuando el conductor cambia de 2.ª a 3.ª marcha a 6600 rpm, la velocidad del motor caería a 4890 rpm (que es 6600 × 1,32 / 1,78). En este caso, al cambiar a 3.ª marcha, la velocidad del motor sería ligeramente inferior a la velocidad a la que se produce el par motor máximo. Al utilizar una caja de cambios de relación cerrada, como la del ejemplo de Hill Climb mencionado anteriormente, al cambiar a la tercera marcha la velocidad del motor bajaría a 5120/min (6600 × 1,55 / 2,00), lo que casi coincide con el par máximo de salida del motor.

Del mismo modo, el juego de engranajes de Nürburgring que se muestra arriba también es ligeramente más parecido numéricamente que el juego de engranajes estándar, lo que lo hace más útil para aplicaciones deportivas. Sin embargo, la especificación de Nürburgring tiene una relación de quinta marcha "más alta" (numéricamente más baja) que la caja de cambios Hill Climb, lo que permite alcanzar velocidades máximas más altas, necesarias para este circuito de carreras más rápido.

El juego de engranajes estándar, con su quinta marcha numéricamente más baja, permitirá velocidades del motor incluso más bajas a velocidades de autopista, reduciendo así el ruido del motor y el consumo de combustible, pero compromete el rendimiento de aceleración a velocidades muy altas.

En la década de 1960, los automóviles equipados con transmisiones manuales generalmente tenían cuatro velocidades de avance y una marcha superior que ofrecía una relación de 1:1. La designación de relación amplia versus relación cerrada afectaba a la relación de transmisión más baja; ^[7] por ejemplo, las transmisiones Muncie de cuatro velocidades que se ofrecían en los vehículos de alto rendimiento de General Motors incluían la transmisión M20 de "relación amplia", que tenía una relación de primera transmisión de 2,52 o 2,56:1, mientras que las transmisiones M21 y M22 de "relación cerrada" tenían una relación de primera transmisión de 2,20:1. ^[4]

En ese momento, la eficiencia del combustible no era una preocupación principal y las transmisiones de "relación cerrada" generalmente se combinaban con una relación de transmisión final baja de 3,5:1 o superior para compensar la relación de transmisión más baja relativamente alta, lo que resultaba en una gran tasa de consumo de combustible. Después de las crisis del petróleo de la década de 1970, las relaciones de transmisión final pasaron a 3:1 o menos para mejorar la economía de combustible y para adaptarse a esto, los fabricantes de vehículos comenzaron a agregar más velocidades de avance a la caja de cambios, generalmente combinando una quinta marcha con sobremarcha con una primera marcha aún más baja, lo que resultó en lo que se habría considerado una transmisión de relación muy amplia. ^[7] Las transmisiones de "relación cerrada" ahora tenían relaciones de transmisión bajas de 2,64:1, mientras que las transmisiones de "relación ancha" eran de 3:1 o más, lo que significa que las transmisiones de "relación cerrada" producidas en la década de 1970 a menudo tenían un rango de relaciones más amplio que las transmisiones de "relación ancha" de la década de 1960. ^[7]

Una forma de crear una transmisión de relación cerrada es instalar más engranajes en la transmisión sin alterar las relaciones de transmisión más bajas y más altas. De esta manera, algunas transmisiones de seis velocidades disponibles en vehículos de consumo se etiquetan como "de relación cerrada". Nuevamente, la cuestión definitoria es el espaciado general de los engranajes entre la 1.ª y, en este caso, la 6.ª marcha. Como ejemplo, considere tres transmisiones manuales instaladas en automóviles Honda, cada una con un cambio general en las relaciones ( ) de 0,2 a 0,3, pero con un número diferente de engranajes; la transmisión de seis velocidades tiene relaciones más cercanas que la transmisión de cuatro velocidades.${\displaystyle {\frac {R_{hi}}{R_{lo}}}}$

El hecho de que una transmisión de seis velocidades pueda calificarse legítimamente de "de relación cerrada" depende de que mantenga la marcha superior sin cambios en relación con la de un modelo comparable de cinco velocidades, lo que hace que el cambio de relación de la marcha baja a la alta se produzca en pasos más pequeños (es decir, relaciones más cercanas) entre las marchas. Alternativamente, algunas transmisiones de seis velocidades tienen relaciones esencialmente iguales a las de una transmisión de cinco velocidades y añaden una sexta marcha aún más alta (numéricamente inferior) que permite velocidades del motor incluso más bajas a velocidades de autopista. En este caso, la transmisión se consideraría una transmisión de sobremarcha "doble" , dependiendo de las relaciones de la quinta y la sexta marcha. ^[11]

Por extensión, una transmisión automática también podría denominarse de relación cerrada. Con la llegada de las transmisiones automáticas de 6, 7 y 8 velocidades, las relaciones se vuelven cada vez más cercanas, lo que cumple con la concepción matemática de lo que constituye una transmisión de relación cerrada.

Antes de la década de 1970, las transmisiones manuales de los fabricantes generalmente tenían tres o cuatro marchas. Para cumplir con los requisitos de maximizar el ahorro de combustible, los fabricantes comenzaron a ofrecer transmisiones manuales de 5 y, en la década de 1990, de 6 velocidades. Asimismo, las transmisiones automáticas de 3 velocidades fueron la norma hasta hace relativamente poco, pero ahora se ofrecen transmisiones automáticas de 6, 7 y 8 velocidades.

Al reducir el espacio entre las relaciones que permite tener más marchas, la velocidad del motor de un vehículo se puede mantener en una banda estrecha. Con una transmisión de 5 velocidades, el rango de potencia debe ser relativamente amplio, lo que requiere comprometer la eficiencia del motor . Con una transmisión de 8 velocidades, el rango de potencia se puede mantener relativamente estrecho, lo que permite al ingeniero optimizar la eficiencia del motor a una velocidad particular del motor, y la transmisión intenta mantener el motor funcionando a esa velocidad.

(La eficiencia del motor mejora enormemente cuando se maximiza la carga sobre el motor; por lo tanto, las transmisiones automáticas también cambian a una marcha superior siempre que sea posible en un intento de reducir la velocidad del motor tanto como sea posible, lo que aumenta la carga y la eficiencia).

La reciente introducción de las transmisiones continuamente variables (CVT) intenta llevar esta estrategia a su conclusión lógica. Esto permite un "número" casi infinito de relaciones de transmisión, lo que implica una transmisión de relación infinitamente cerrada. Sin embargo, dado que no hay marchas ni relaciones de transmisión específicas, no se consideraría realmente una transmisión de relación cerrada.