Overdrive (mecánica)

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La sobremarcha es el funcionamiento de un automóvil que circula a velocidad sostenida con una velocidad del motor reducida (rpm), lo que conduce a un mejor consumo de combustible, menor ruido y menor desgaste. ^[1] El término es ambiguo. ^[1] El significado más fundamental es el de una relación de transmisión general entre el motor y las ruedas, de modo que el automóvil está sobreengranado y no puede 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 más bajo que la velocidad máxima absoluta del motor a la que está limitada, 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 potencia máxima, 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, existe 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, existe una gama de relaciones de transmisión que pueden hacer coincidir la potencia del motor con la resistencia del aire, y la más eficiente en el consumo de combustible es la que da como resultado la velocidad del motor más baja. Por lo tanto, un automóvil necesita una relación de transmisión para alcanzar la velocidad máxima, pero otra para alcanzar la máxima eficiencia de combustible a una velocidad menor.

Con el desarrollo temprano de los automóviles y la disposición casi universal de la tracción trasera , la relación de transmisión final (es decir, el eje trasero ) para los automóviles rápidos se eligió para dar la relación para la velocidad máxima. La caja de cambios se diseñó de modo que, para la eficiencia, la relación más rápida sería una relación de "transmisión directa" o "directa" 1:1, evitando pérdidas por fricción en los engranajes. Lograr una relación de sobremarcha para la velocidad de crucero requería una relación de caja de cambios incluso mayor que esta, es decir, que el eje de salida de la caja de cambios girara más rápido que el motor. El eje de la hélice que une la caja de cambios y el eje trasero está así sobremarchado, y una transmisión capaz de hacer esto se denominó transmisión de "sobremarcha". ^[1]

El dispositivo para lograr una transmisión con sobremarcha era generalmente una pequeña caja de cambios separada, unida 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 automóviles populares se volvieron más rápidos en relación con los límites legales y los costos de combustible se volvieron más importantes, particularmente después de la crisis del petróleo de 1973 , el uso de cajas de cambios de cinco velocidades se volvió más común en los automóviles del mercado masivo. Estas tenían una cuarta marcha directa (1:1) con una quinta marcha con sobremarcha, reemplazando la necesidad de la caja de cambios con sobremarcha separada. ^[1]

Con la popularidad de los coches con tracción delantera , la caja de cambios y la transmisión final independientes se han fusionado en un único transeje . Ya no hay un eje de transmisión, por lo que ya no se puede aplicar un único significado de "sobremarcha". Sin embargo, el significado fundamental, el de una relación general superior a la relación para la velocidad máxima, sigue siendo válido: las marchas más altas, con relaciones mayores que 1:1, se describen como "marchas con sobremarcha". ^[1]

La potencia necesaria para propulsar un coche en unas condiciones y una velocidad determinadas es fácil de calcular, basándose principalmente en el peso total y la velocidad del vehículo. Estas fuerzas producen dos fuerzas principales que frenan el coche: la resistencia a la rodadura y la resistencia aerodinámica . La primera varía aproximadamente con la velocidad del vehículo, mientras que la segunda varía con el cuadrado de la velocidad. Calcularlas a partir de principios básicos suele ser difícil debido a una variedad de factores del mundo real, por lo que a menudo se miden directamente en túneles de viento y sistemas similares.

La potencia producida por un motor aumenta con las RPM del motor hasta un máximo, para luego disminuir. Esto se conoce como el punto de máxima potencia . Dada una curva que describe la resistencia general del vehículo, es sencillo encontrar la velocidad a la que las fuerzas de resistencia totales son iguales a la potencia máxima del motor. Esto define la velocidad máxima que el vehículo puede alcanzar. La velocidad de rotación de las ruedas para esa velocidad de avance dada es fácil de calcular, siendo la circunferencia del neumático multiplicada por las RPM. ^[a] Como las RPM del neumático a la velocidad máxima no son las mismas que las RPM del motor a esa potencia, se utiliza una transmisión con una relación de engranajes para convertir una en otra. ^[b]

Incluso a velocidades ligeramente inferiores a la máxima, la resistencia total del vehículo es considerablemente menor y el motor necesita entregar esta cantidad de potencia muy reducida. En este caso, las RPM del motor han cambiado significativamente, mientras que las RPM de las ruedas han cambiado muy poco. Claramente, esta condición requiere una relación de transmisión diferente. Si no se proporciona una, el motor se ve obligado a funcionar a unas RPM más altas que las óptimas. Como el motor necesita más potencia para superar la fricción interna a mayores RPM, esto significa que se utiliza más combustible simplemente para mantener el motor funcionando a esta velocidad. Cada ciclo del motor provoca desgaste, por lo que mantener el motor a mayores RPM también es desfavorable para la vida útil del motor. Además, el sonido de un motor está fuertemente relacionado con las RPM, por lo que funcionar a menores RPM generalmente es más silencioso. ^[1]

Si se realiza el mismo ejercicio de transmisión de RPM descrito anteriormente para la velocidad máxima, pero en su lugar se establece la "velocidad máxima" a la de crucero en carretera, el resultado es una relación de transmisión más alta que proporciona un consumo de combustible ideal. En una época en la que los automóviles no podían viajar muy rápido, el punto de máxima potencia podría estar lo suficientemente cerca de la velocidad deseada como para que no se necesitaran marchas adicionales. Pero a medida que aparecieron automóviles más potentes, especialmente durante la década de 1960, esta disparidad entre el punto de máxima potencia y la velocidad deseada aumentó considerablemente. Esto significaba que los automóviles a menudo funcionaban lejos de su punto más eficiente. A medida que aumentó el deseo de una mejor economía de combustible , especialmente después de la crisis del petróleo de 1973 , la necesidad de una "marcha de crucero" se volvió más apremiante. ^[1]

La solución obvia a este problema sería añadir más marchas a la transmisión. De hecho, en los vehículos modernos esto es algo habitual, pero debido a particularidades históricas, esto no siempre fue práctico.

En el diseño convencional de tracción trasera , el sistema de transmisión normalmente contenía dos secciones, la "caja de cambios" o "transmisión" montada detrás del motor, y la "transmisión final" montada en el eje trasero en la parte trasera del automóvil. La razón de esta separación de funciones entre la parte delantera y trasera del automóvil era permitir que el eje de transmisión funcionara con un par menor, utilizando mayores RPM. Como la potencia es el producto de las RPM y el par , hacer funcionar el eje a mayores RPM permitía transferir más potencia con un par menor. Al hacerlo, se reducía el par que tenía que soportar el eje de transmisión y, por lo tanto, la resistencia y el peso necesarios.

Aunque teóricamente el diseñador tenía libertad para elegir cualquier relación para la caja de cambios y la transmisión final, hay una consideración adicional que significa que la marcha superior de la mayoría de las cajas de cambios era 1:1 o "transmisión directa". Esto se elige por eficiencia, ya que no requiere ningún engranaje para transmitir potencia y, por lo tanto, reduce la potencia perdida por ellos. Esto era particularmente importante en los primeros días de los automóviles, ya que sus engranajes de corte recto estaban mal terminados, eran ruidosos e ineficientes. La transmisión final tomaba esta salida y la ajustaba en una disposición de transmisión de relación fija que era mucho más simple de construir. Las relaciones de transmisión final de 4:1 eran comunes, ^[c] lo que significa que las ruedas girarían a una cuarta parte de la velocidad a la que lo harían si estuvieran conectadas directamente al motor.

En una época en la que se podían adaptar distintos modelos de coches con ruedas de distintos tamaños simplemente modificando la relación de transmisión final, tenía sentido que todas las transmisiones utilizaran la transmisión directa como marcha más alta. Sin embargo, como se ha indicado anteriormente, esto haría que el motor funcionara a un régimen de revoluciones demasiado alto para una conducción eficiente. Aunque era posible añadir la marcha de conducción a la caja de cambios principal, por lo general era más sencillo añadir un sistema de sobremarcha independiente de dos marchas a la caja de cambios existente. Esto no solo significaba que se podía adaptar a distintos vehículos, sino que tenía la ventaja adicional de que se podía ofrecer como una opción de fácil instalación.

Con el uso de diseños de tracción delantera, la caja de cambios y la transmisión final se combinan en un único transeje. Ya no hay un eje de transmisión entre ellos, por lo que el concepto de "transmisión directa" es inaplicable. Aunque todavía se hace referencia a "sobremarcha", ahora es principalmente un término de marketing para referirse a cualquier relación extraalta para una conducción eficiente, ya sea que se logre a través de las relaciones de la caja de cambios o mediante una transmisión final inusualmente alta. ^[d]

En términos generales, la sobremarcha es la marcha más alta de la transmisión. La sobremarcha permite que el motor funcione a un régimen de revoluciones más bajo para una velocidad determinada en carretera. Esto permite que el vehículo consiga una mejor eficiencia de combustible y, a menudo, un funcionamiento más silencioso en la carretera. Cuando está activada, una transmisión automática puede cambiar al modo de sobremarcha después de alcanzar una determinada velocidad (normalmente 70 km/h o más [40-45 mph o más], según la carga). Cuando está desactivada, el cambio de la transmisión automática se limita a las marchas más bajas. La sobremarcha suele seleccionarse cuando la velocidad media es superior a 70 km/h (40-45 mph).

La transmisión automática cambia automáticamente de OD a transmisión directa cuando hay más carga. Cuando hay menos carga, cambia nuevamente a OD. En determinadas condiciones, por ejemplo, al conducir cuesta arriba o al arrastrar un remolque, la transmisión puede "buscar" entre OD y la siguiente marcha más alta, cambiando de una a otra. En este caso, apagarla puede ayudar a que la transmisión "decida". También puede ser ventajoso apagarla si se desea frenar con motor , por ejemplo, al conducir cuesta abajo. El manual del propietario del vehículo a menudo contendrá información y procedimientos adecuados para tales situaciones, para cada vehículo en particular.

En la actualidad, prácticamente todos los vehículos (automóviles y camiones) tienen sobremarcha, ya sea con transmisión manual o automática. En el mercado de repuestos para automóviles, también se puede adaptar la sobremarcha a las primeras transmisiones existentes. La sobremarcha se utilizó ampliamente en los automóviles europeos con transmisión manual en los años 60 y 70 para mejorar el kilometraje y la conducción deportiva como una opción adicional, pero cada vez se hizo más común que las transmisiones posteriores tuvieran esta marcha incorporada. Si un vehículo está equipado con una sobremarcha adicional (por ejemplo, GKN o Gear Vendors), en lugar de tener una sobremarcha incorporada, normalmente tendrá la opción de usar la sobremarcha en más marchas que solo la marcha superior. En este caso, el cambio de marcha sigue siendo posible en todas las marchas, incluso con la sobremarcha desconectada. La sobremarcha simplemente agrega rangos efectivos a las marchas, por lo que la tercera y la cuarta sobremarcha se convierten en efecto en "tercera y media" y una quinta marcha. En la práctica, esto le da al conductor más relaciones que están más juntas, lo que proporciona una mayor flexibilidad, particularmente en autos de alto rendimiento.

Una sobremarcha consiste en un tren de engranajes epicicloidales operado eléctrica o hidráulicamente atornillado detrás de la unidad de transmisión . Puede acoplar el eje de transmisión de entrada directamente al eje de salida (o eje de la hélice ) (1:1), o aumentar la velocidad de salida para que gire más rápido que el eje de entrada (1:1 +  n ). Por lo tanto, el eje de salida puede estar "sobremarchado" en relación con el eje de entrada. En las transmisiones más nuevas, la(s) velocidad(es) de sobremarcha generalmente son el resultado de combinaciones de conjuntos de engranajes planetarios/epicicólicos que están integrados en la transmisión. Por ejemplo, la transmisión ZF 8HP tiene 8 marchas hacia adelante, dos de las cuales son relaciones de engranajes de sobremarcha (< 1:1). En vehículos más antiguos, a veces se acciona mediante una perilla o botón, a menudo incorporado en la perilla de la palanca de cambios, y no requiere la operación del embrague . Los vehículos más nuevos tienen sobremarcha electrónica en la que la computadora se ajusta automáticamente a las condiciones de necesidad 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 productos de Laycock. Las sobremarchas de De Normanville se encontraron en vehículos fabricados por Standard-Triumph , que fueron los primeros, seguidos por Ford , BMC y British Leyland , Jaguar , Rootes Group y Volvo, por nombrar solo algunos. Otra empresa británica, el antiguo constructor de aviones Fairey , construyó una exitosa unidad completamente mecánica para el Land Rover , que todavía se produce en Estados Unidos en la actualidad.

El primer vehículo de producción que incorporó 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 coches deportivos TR de Triumph, desde el TR2 hasta finales del año modelo 1972 del TR6.

En 1959, Laycock Engineering Company introdujo la sobremarcha tipo D, que se instaló en una variedad de automóviles, incluidos Volvo 120 y 1800 , Sunbeam Alpines y Rapiers , Triumph Spitfires y también MGB 1962-1967 (aquellos con transmisiones sincronizadas de 3 velocidades).

A partir de 1967 se introdujo la sobremarcha tipo LH, que estuvo presente en una variedad de modelos, incluidos los MGB de 1968 a 1980 , el MGC , el Ford Zephyr , los primeros Reliant Scimitars , los TVR y los Gilberns .

La sobremarcha tipo J se introdujo a finales de la década de 1960 y se adaptó para adaptarse a los automóviles Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors y Chrysler, y a las furgonetas Ford Transit .

La sobremarcha tipo P marcó las últimas actualizaciones y se fabricó en una versión Gear Vendors US y una versión Volvo. La versión Volvo mantuvo el mismo tamaño de paquete que el tipo J pero con la rueda libre actualizada de 18 elementos y estrías más fuertes a través del portasatélites. La versión Gear Vendors US utiliza un eje de salida de mayor diámetro exterior de 1.375 para una mayor capacidad y una caja trasera más larga.

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

En 2008, la empresa estadounidense Gear Vendors, Inc. ^[3] de El Cajón, 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 cuenta con un dispositivo accionado por presión de aceite conectado a la parte trasera de la caja de cambios estándar que opera sobre el eje de salida de la caja de cambios. A través de un sistema de presión de aceite, solenoides y pistones, la sobremarcha reduciría las revoluciones en cualquier marcha en la que se usara en un 22% (0,778). Por ejemplo, el sistema de sobremarcha aplicado a un Triumph TR5 funciona en 2.ª, 3.ª y la marcha superior. Cuando se activa, la sobremarcha reduciría las revoluciones de 3000 en 666 RPM, o de 3500 la reducción sería de 777 RPM a 2723 netas. Las ventajas que esta reducción de rpm tuvo en el consumo de combustible fueron, en la mayoría de los casos, una reducción cercana al 22% durante la conducción en carretera.

En los días antes de que las transmisiones automáticas fueran comunes, especialmente en la década de 1950, muchos automóviles estadounidenses con tracción trasera estaban disponibles con una opción de sobremarcha. Con mejoras sustanciales desarrolladas en Muncie, Indiana , por William B. Barnes para la producción de su división Warner Gear, BorgWarner proporcionó la caja que se instaló de fábrica entre la transmisión y un eje de transmisión acortado. Dado que la función de sobremarcha, si estaba habilitada, se podía cambiar simplemente soltando el acelerador sin presionar el pedal del embrague , la acción era muy similar a una semiautomática. Además, un solenoide operado eléctricamente desactivaría la unidad a través de un interruptor debajo del pedal del acelerador que proporcionaba el equivalente al kickdown de la automática. También se proporcionó una perilla conectada a un cable Bowden , similar a algunas aplicaciones de freno de emergencia, para bloquear la unidad mecánicamente. El uso de sobremarcha con la transmisión principal de 3 velocidades en 2.ª marcha era similar en relación a la 3.ª marcha, y con la transmisión principal en tercera, la relación general era fraccionaria (es decir, "sobremarcha real"). Esto fue importante para reducir el desgaste, el ruido y la dificultad de control.

Este tipo de cajas de sobremarcha complementarias estuvieron disponibles desde la década de 1930 hasta la de 1970 para automóviles y camiones ligeros.

En la actualidad, la mayoría de los automóviles y camiones de gasolina y diésel vienen con una transmisión con sobremarcha debido a los beneficios que ofrece en términos de ahorro de combustible. ^[4] La sobremarcha se incluye tanto en las transmisiones automáticas como en las manuales como una marcha adicional (o dos en algunos casos). ^[5]

Cuando se utiliza la marcha en sobremarcha, la velocidad del motor del coche disminuye, lo que reduce el desgaste y normalmente ahorra combustible. Desde la legislación estadounidense sobre economía de combustible promedio (CAFE) de 1981, prácticamente todos los vehículos nacionales han incluido la marcha en sobremarcha para ahorrar combustible. Se debe consultar el manual del propietario del coche para saber la velocidad adecuada para funcionar en sobremarcha. Todos los motores tienen un rango de eficiencia máxima y es posible que el uso de la marcha en sobremarcha mantenga el motor fuera de este rango durante todo o parte del tiempo de su uso si se utiliza a velocidades inadecuadas, lo que reduce el ahorro de combustible que se produce con la velocidad más baja del motor.

La reducción general de la transmisión se reduce a tres factores básicos: el engranaje de la transmisión (incluida la sobremarcha), el engranaje diferencial (en el eje) y el tamaño de los neumáticos. El problema de la velocidad de rotación se produce cuando el engranaje diferencial tiene una relación alta y se utiliza una sobremarcha para compensar. Esto puede crear vibraciones desagradables a altas velocidades y una posible destrucción del eje de transmisión debido a las fuerzas centrípetas o un equilibrio desigual.

El eje de transmisión suele ser un tubo metálico hueco que requiere equilibrio para reducir la vibración y no contiene ningún refuerzo interno.

Las velocidades más altas en el eje de transmisión y las piezas relacionadas pueden causar problemas de calor y desgaste si se combinan una sobremarcha y un engranaje diferencial alto (o incluso neumáticos muy pequeños), y crean fricción innecesaria. Esto es especialmente importante porque los engranajes diferenciales están bañados en aceite pesado y rara vez reciben algún tipo de refrigeración además del aire que sopla 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 la razón por la que rara vez se ve más de una marcha de sobremarcha en un vehículo, excepto en circunstancias especiales, es decir, cuando se requiere un engranaje diferencial alto (numérico) para hacer que el vehículo se mueva, como en los camiones o los automóviles de alto rendimiento, aunque las transmisiones de doble sobremarcha son comunes en otros vehículos, a menudo con un pequeño número en la reducción de engranajes del eje, pero generalmente solo se activan a velocidades superiores a 100 kilómetros por hora (62 mph).

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• "Cómo funcionan las transmisiones automáticas: Overdrive" ( animación interactiva , requiere Flash Player ) en How Stuff Works