Cómo funciona una caja de cambios manual: cámbiala tú

Qué muestra el modelo

Una caja de cambios manual cambia la relación de transmisión entre el embrague y el árbol de transmisión, y por eso un motor al que le sienta bien un margen estrecho de revoluciones puede mover el coche tanto a paso de peatón como por autopista. Si conduces un coche con caja manual por la ciudad, puedes cambiar de marcha varios cientos de veces en una hora. El motor nunca cambia de opinión sobre la velocidad a la que le gusta girar, y aun así el coche puede arrastrarse por un aparcamiento o circular por una autopista. La caja situada entre el embrague y el árbol de transmisión lo hace posible, y esta exposición la abre en corte.

El modelo es una caja de cinco marchas para un coche con el motor delante y tracción trasera. Se ha cortado la mitad de la carcasa. El embrague está a la izquierda, donde se atornillaría el motor, y el eje de salida sale por la derecha. Cambia de marcha con la palanca de la esquina de la vista 3D. La secuencia se reproduce despacio para que veas abrirse el embrague, deslizarse el manguito, trabajar el anillo sincronizador de latón y bloquearse los dientes. El panel muestra la velocidad de cada eje y la velocidad del coche que le corresponde. «Cambiar sin embrague» te permite probar lo único que todo profesor de autoescuela te dice que no hagas.

Por qué un motor necesita más de una relación

Un motor de gasolina da potencia útil en una franja de quizá 1500 a 6000 rpm. Por debajo se cala o va forzado, por encima se queda sin aire. Un coche, en cambio, tiene que pasar de la velocidad de un peatón a bastante más de 100 km/h. Si el motor estuviera unido a las ruedas con una sola relación fija, podrías elegir una que arranque con brío o una que circule en silencio, pero no ambas.

Por eso la caja ofrece varias relaciones. En primera, el motor da muchas vueltas por cada vuelta de las ruedas, lo que multiplica el par y permite arrancar en una cuesta. En quinta, el motor da menos vueltas que el árbol de transmisión y el coche avanza con un régimen relajado. El conductor elige la relación que mantiene el motor en su franja cómoda para la velocidad del momento.

Cómo viaja la potencia por tres ejes

Sigamos el movimiento desde el motor hasta el árbol de transmisión.

1. Embrague. El volante motor va atornillado al cigüeñal. El disco de embrague queda apretado entre el volante y el plato de presión por un muelle de diafragma, y el disco está estriado sobre el eje de entrada.
2. Eje de entrada. Lleva un engranaje de 23 dientes, siempre engranado con uno de 33 dientes del contraeje.
3. Contraeje. Un único eje de acero con seis engranajes tallados. Gira en sentido contrario al eje de entrada, a 23 ÷ 33 de su velocidad.
4. Engranajes del eje de salida. Cada engranaje del contraeje está engranado con su pareja en el eje de salida. Esas parejas no están fijas al eje de salida. Giran sobre cojinetes de agujas, cada una a su velocidad.
5. Manguitos. Tres manguitos deslizantes van sobre cubos estriados en el eje de salida. Cuando un manguito se desliza de lado sobre los dientes de garra de un engranaje, ese engranaje queda unido al eje y el movimiento pasa por él.
6. Eje de salida. Está alineado con el eje de entrada y lleva el movimiento de vuelta hacia el árbol de transmisión y el eje trasero.

La cuarta marcha es un caso especial. El manguito de 3.ª y 4.ª puede unir el propio engranaje de entrada con el eje de salida, de modo que los dos ejes giran juntos y el contraeje queda fuera. Se llama toma directa, y la relación es exactamente 1.

Relaciones y velocidad a 3000 rpm

Los números del modelo son valores del modelo, elegidos para parecerse a una caja típica de cinco marchas, no copiados de un coche concreto. Cada par de marcha hacia delante suma 56 dientes, de modo que todos caben en la misma distancia entre ejes. La relación de cada marcha es la relación del par constante por la relación de su propio par:

relación = (33 ÷ 23) × (engranaje del eje de salida ÷ engranaje del contraeje)

Para convertir el régimen del motor en velocidad hacen falta dos números más. La transmisión final del eje trasero es 43 : 11, es decir, 3,909. Los neumáticos son 205/55 R16, lo que significa una llanta de 16 pulgadas (406,4 mm) más dos flancos de un 55 % de 205 mm de alto cada uno. Eso da un neumático de 631,9 mm de diámetro y 1,985 m de perímetro. En tercera:

rpm de la rueda = 3000 ÷ (1,435 × 3,909) = 534,9 rpm

velocidad = 534,9 × 1,985 m × 60 ÷ 1000 = 63,7 km/h

Las demás filas siguen los mismos pasos. De una marcha a la siguiente la relación baja en un factor de 1,77, 1,55, 1,44 y 1,26. Los escalones se hacen más pequeños hacia arriba, como es habitual: a alta velocidad la resistencia del aire sube con fuerza, y una diferencia pequeña entre cuarta y quinta mantiene el motor cerca de su mejor régimen al subir de marcha. El rango de primera a quinta es 4,92.

Qué hacen las relaciones con el par y la fuerza en las ruedas

El modelo no simula el par del motor, así que este ejemplo toma un número prestado. Supón que el motor da 150 N·m a 3000 rpm. Es un valor supuesto para un motor de gasolina pequeño, no una medición. A ese régimen produce 150 × 2π × 3000 ÷ 60 = 47,1 kW, y una caja no puede añadir nada a eso. Lo que hace es cambiar velocidad por fuerza. El par en las ruedas es el par del motor por la relación total, y el empuje sobre la carretera es ese par dividido por el radio de rodadura del neumático, 0,316 m para el 205/55 R16 del modelo.

Dos comprobaciones muestran que la tabla es coherente. En primera, 7278 N a 23,3 km/h (6,47 m/s) son 47,1 kW, la potencia del motor. En quinta, 1479 N a 31,9 m/s también son 47,1 kW. La fuerza cae a una quinta parte mientras la velocidad sube en el mismo factor. La columna del 4 % usa la cifra de la revisión de las National Academies sobre tecnología de ahorro de combustible, que sitúa la pérdida de una caja manual en alrededor del 4 % de la potencia bruta del motor, frente a cerca del 13 % de un automático convencional. Para un coche de 1200 kg, 7278 N supondrían una aceleración de 6,1 m/s² en primera si los neumáticos pudieran agarrarla, algo que casi nunca ocurre. El límite en la salida lo pone el agarre, no la caja.

Las relaciones también deciden cuánto cae el régimen del motor al subir de marcha. A 3000 rpm el motor bajaría a 1696 rpm tras pasar de 1.ª a 2.ª, a 1941 rpm tras 2.ª a 3.ª, a 2091 rpm tras 3.ª a 4.ª y a 2391 rpm tras 4.ª a 5.ª. Son las mismas cifras que debe alcanzar el anillo sincronizador, solo que en sentido contrario. La primera diferencia es grande porque la primera es una marcha corta para arrancar, y la última es pequeña porque la quinta es larga. Otra cifra útil para planear un viaje: en quinta el coche del modelo recorre 38,2 km/h por cada 1000 rpm, en cuarta 30,5 km/h y en primera 7,8 km/h.

Por qué los engranajes nunca se desengranan

En el modelo todos los engranajes giran todo el tiempo, incluso los que no transmiten el movimiento. En tercera, por ejemplo, el engranaje libre de quinta del eje de salida gira a 3764 rpm mientras el eje que tiene debajo gira a 2091 rpm. Parece un desperdicio, pero resuelve un viejo problema. En las primeras cajas «de choque» eran los propios engranajes los que se deslizaban de lado para engranar, y sus dientes tenían que encontrarse de canto. En una caja de engrane constante los dientes de cada par permanecen engranados toda la vida, y solo los pequeños dientes de garra del costado de un engranaje tienen que encontrar su sitio.

Como los engranajes no necesitan deslizarse para engranar, pueden ser helicoidales, con los dientes tallados en ángulo respecto al eje. En el modelo el ángulo es de 25°. Un diente helicoidal entra en contacto de forma gradual a lo ancho, en lugar de todo a la vez, y por eso la caja es mucho más silenciosa que una de dientes rectos. El precio es un empuje lateral: con una hélice de 25°, la fuerza a lo largo del eje es tan 25° = 0,47 veces la fuerza que hace girar el engranaje. Las cajas la soportan con cojinetes de rodillos cónicos o de bolas. Los dientes del contraeje están tallados con el sentido contrario al de sus parejas, como deben estar dos engranajes helicoidales paralelos para engranar.

Qué hace el anillo sincronizador durante un cambio

Aquí está la dificultad. Cuando pasas de segunda a tercera a 41 km/h, el eje de salida sigue girando a 1353 rpm porque el coche sigue rodando. Con el embrague pisado, el eje de entrada, el disco de embrague, el contraeje y todos los engranajes libres forman un conjunto suelto que sigue girando a unas 3000 rpm por la inercia del instante anterior. El engranaje de tercera del eje de salida forma parte de ese conjunto. Para unirlo al eje sin un chirrido, el lado de entrada tiene que frenar hasta 3000 × 1,435 ÷ 2,217 = 1941 rpm.

De eso se encarga el anillo sincronizador. Es un anillo de latón con el interior cónico, situado entre el cubo y el engranaje. El engranaje tiene un cono de acero a juego. Cuando la palanca empieza a moverse, el manguito empuja el anillo contra el cono, y la fricción entre ambos arrastra el engranaje, y con él todo el conjunto suelto, hacia la velocidad del eje. En el modelo, la barra de diferencia de giro baja de unos cientos de rpm a cero.

Mientras todavía hay diferencia de velocidad, la fricción gira un poco el anillo contra sus chavetas en el cubo. En esa posición, los dientes de bloqueo que rodean el anillo quedan delante de los dientes del manguito y le impiden avanzar más. Por eso un cambio con prisa se siente áspero: estás empujando contra un anillo que no ha terminado su trabajo. Cuando las velocidades coinciden, la fricción cede, el anillo gira de vuelta medio diente y los chaflanes de los dientes guían el manguito. Un momento después se desliza sobre los dientes de garra del engranaje y el engranaje queda unido al eje. En un coche real toda la secuencia dura una fracción de segundo.

Los números detrás de un cambio sincronizado

Los diseñadores no tratan un cambio como un solo suceso. Un artículo de S. Razzacki, de DaimlerChrysler, presentado en el SAE World Congress de 2004, divide un cambio de sincronizador en seis sucesos. El primero es el puntal, una pequeña chaveta con resorte, que toca el anillo de bloqueo. El tercero es la punta de un diente del manguito que choca con la punta de un diente del anillo, lo que gira («marca») el anillo por el pequeño juego que tiene en el cubo. Los sucesos posteriores abarcan el paso del chaflán del manguito por el chaflán del anillo y la llegada del diente del manguito a los propios dientes de garra del engranaje. El artículo dimensiona cada parte para que estos sucesos ocurran en orden, y representa una zona de choque frente a una zona de cambio duro. Si el cono hace muy poco, el conductor oye un choque. Si el anillo bloquea con demasiada firmeza, la palanca se siente atascada.

Dos pares deciden dónde cae un diseño. El par de sincronización es el que produce el cono por fricción. El par de indexado es el que gira el anillo hasta su posición de bloqueo, y depende del ángulo de los dientes del anillo (el «ángulo de punta»). Un artículo de la SAE de 2007 de Razzacki y J. Hottenstein sobre sincronizadores para transmisiones de doble embrague enuncia la regla con claridad: el par de sincronización debe mantenerse mayor que el de indexado en todo momento del cambio para evitar choques o ruido de rascado, mientras que el par de indexado debe superar el arrastre total de la transmisión para que el anillo siga bloqueando en una caja fría con aceite espeso. Un ángulo de punta más pronunciado reduce el par de indexado, así que un diseñador que lo acentúa para ahorrar esfuerzo puede necesitar más fricción en el cono para que se cumpla la primera condición.

El modelo deja fuera los puntales, pero aun así se puede estimar lo que debe hacer el cono. Tomemos el cambio de 2.ª a 3.ª. El lado de entrada debe frenar de 3000 a 1941 rpm, es decir, 110,9 rad/s. Supón, a modo de ilustración, que el disco de embrague, el eje de entrada, el contraeje y los engranajes libres tienen juntos un momento de inercia de 0,05 kg·m². La energía que hay que retirar es ½ × 0,05 × (314,2² − 203,3²) = 1,43 kJ. Si el cambio dura 0,1 s, el cono debe aportar un par medio de 0,05 × 110,9 ÷ 0,1 = 55 N·m sobre ese conjunto y disipar 14 kW de calor durante una décima de segundo. Un anillo de latón no puede hacerlo mucho tiempo, y por eso las marchas bajas, donde las diferencias de velocidad son mayores, llevan sincronizadores de varios conos en muchas cajas de serie.

Por qué cambiar sin embrague rasca

Activa ahora «Cambiar sin embrague» e intenta pasar de tercera a cuarta. Con el embrague acoplado, el eje de entrada sigue, en la práctica, atornillado a un motor en marcha. El motor gira a 3000 rpm, así que el engranaje de entrada, que es el de cuarta, también gira a 3000 rpm. El eje de salida gira a 2091 rpm. El anillo sincronizador tendría que frenar todo el motor y el volante 909 rpm, con el motor empujando en contra, a través de un cono de pocos centímetros. No puede.

Así que el anillo se queda en su posición de bloqueo, y si el conductor empuja con suficiente fuerza, los dientes del manguito llegan a los dientes de garra mientras todavía se deslizan unos junto a otros. A un radio de 30 mm, una diferencia de 909 rpm significa que las caras pasan a 2,9 m/s y que cada segundo pasan 424 dientes. Cada uno golpea los chaflanes del manguito y lo devuelve hacia atrás. Ese traqueteo es el ruido de rascado, y cada ronda redondea los bordes que están hechos para guiar el manguito.

La misma aritmética explica por qué los conductores de las viejas cajas de choque usaban el doble embrague. Embrague pisado, palanca a punto muerto, embrague suelto, golpe de acelerador o espera para llevar el lado de entrada a la velocidad correcta con ayuda del motor, embrague pisado otra vez y solo entonces seleccionar la marcha. El conductor hacía de oído lo que ahora hace por fricción el anillo sincronizador.

La marcha atrás y el piñón intermedio

Dos engranajes engranados giran en sentidos opuestos. El contraeje ya gira al revés que el eje de entrada, y cada par de marcha hacia delante lo invierte de nuevo, así que el eje de salida va en el mismo sentido que el motor. Para que el coche vaya hacia atrás se pone un engranaje más en el camino. En el modelo, el engranaje de 13 dientes del contraeje mueve un piñón intermedio de 17 dientes, que mueve un engranaje de marcha atrás de 38 dientes en el eje de salida. El piñón intermedio no cambia la relación, solo el sentido.

Los engranajes de marcha atrás del modelo tienen dientes rectos. Es la práctica habitual, y por eso un coche en marcha atrás hace un zumbido que nunca se oye en las marchas hacia delante. Muchas cajas meten la marcha atrás deslizando el piñón intermedio hasta engranar, algo que solo funciona con los engranajes parados; por eso conviene detener antes el coche. En el modelo, el manguito de 5.ª y R y su sincronizador llevan el lado de entrada al reposo antes de que entre la marcha atrás.

Cómo leer el gráfico de diente de sierra

En una marcha cualquiera, el régimen del motor está ligado a la velocidad del coche por una recta: rpm del motor igual a la velocidad dividida por el perímetro del neumático, por la relación de la marcha, por la transmisión final. El gráfico Velocidad y rpm de Controles traza una recta por marcha. Elige un régimen de cambio y el camino sube por una recta hasta ese régimen y luego cae en vertical a la recta siguiente a la misma velocidad. Las caídas forman los dientes de sierra.

El tamaño de cada caída es fácil de calcular. Tras subir de marcha, el motor gira al régimen de cambio por la relación de la marcha nueva respecto a la antigua, así que la caída es el régimen de cambio por uno menos esa relación. En el Honda Civic Type R, la 2.ª es 2,115 y la 1.ª es 3,625, de modo que el motor conserva 0,5834 de su velocidad. Cambia a 7000 rpm y cae a 4084 rpm. En las marchas altas las relaciones están más cerca, así que los dientes son más pequeños: en la caja del modelo, las caídas a 6500 rpm son 2826, 2293, 1970 y 1320 rpm.

La transmisión final y el tamaño del neumático estiran el gráfico a lo ancho pero no cambian las caídas. Por eso el catálogo puede mostrar en el mismo gráfico los juegos de relaciones Tremec TR-6060, que se venden sin eje ni neumático: las velocidades usan entonces la transmisión final del modelo, 3,909, y el neumático 205/55 R16, y se marcan como valores del modelo, mientras que las caídas de rpm son exactas.

Fuerza en las ruedas en cada marcha

La fuerza que empuja el coche es el par del motor por la relación total por el rendimiento de los engranajes, dividido por el radio del neumático. El gráfico Fuerza en las ruedas la traza para cada marcha frente a la velocidad, junto a una línea discontinua con lo que oponen la carretera y el aire. La diferencia entre la curva de una marcha y la línea discontinua es lo que queda para acelerar el coche; la tabla bajo el gráfico la convierte en metros por segundo al cuadrado.

Los fabricantes publican dos puntos de la curva de par, no la curva entera: el par máximo y el margen de rpm en que se mantiene, y la potencia máxima con su régimen. El gráfico une esos puntos con tramos rectos y mantiene la potencia casi plana hasta la línea roja. Es una aproximación, y la pantalla lo dice. La resistencia al avance es un coche del modelo para todas las entradas: 1400 kg, una resistencia a la rodadura de 0,012 y un área aerodinámica de 0,65 m².

Dos cosas saltan a la vista. Primera, a 100 km/h la marcha más fuerte del Civic Type R es la 2.ª, a 6719 rpm, con unos 7,6 kN en las ruedas, alrededor de 1,5 veces lo que da la 4.ª. Segunda, la curva de la marcha siguiente casi nunca sube por encima de la actual antes de la línea roja. Para la aceleración más rápida se mantiene cada marcha hasta la línea roja. Un coche cuya potencia se mantiene plana en una franja de revoluciones es la excepción: en el GR Supra, las curvas de 4.ª y 5.ª se cruzan hacia las 5900 rpm.

Igualar revoluciones y doble embrague

Al reducir de marcha, el motor tiene que girar más deprisa. A 80 km/h el motor del modelo gira a 2625 rpm en 4.ª y necesita 3768 rpm en 3.ª. Si se suelta el embrague con el motor todavía al régimen bajo, el embrague tiene que arrastrar el motor él solo y el coche se frena un instante. Un breve golpe de acelerador con el embrague pisado, llamado «blip» en inglés, sube antes el motor de vueltas; eso es igualar revoluciones. El laboratorio de igualación de revoluciones de Controles te deja hacer los pasos y muestra cuánto fallaste, cuánto calor recibió el embrague y qué tamaño tuvo el tirón. Con una inercia del motor de 0,15 kg·m² (un valor del modelo), fallar en las 1142 rpm completas mete unos 1,1 kJ en el embrague.

Una caja sin sincronizadores, una caja de choque, tiene un segundo problema. El eje de entrada tiene que estar a la velocidad correcta antes de que la marcha pueda entrar, y con el embrague pisado solo la fricción lo frena. Los conductores de viejos camiones y de los primeros coches pisaban por eso el embrague dos veces: embrague pisado y fuera de marcha, embrague suelto en punto muerto para que el motor mueva el eje de entrada, un golpe de acelerador para llevarlo a la nueva velocidad, embrague pisado de nuevo y marcha metida. En el laboratorio, la caja de choque admite la marcha solo si el eje está a menos de 150 rpm (un valor del modelo) de la velocidad que necesita; si no, rasca.

Arrancar: adónde va el calor del deslizamiento

Desde parado el embrague tiene que patinar, porque el motor gira y las ruedas no. Hasta que el embrague se bloquea, el par del embrague por la diferencia de velocidad se convierte en calor. El laboratorio Arrancar te deja elegir el régimen que mantienes y el par que transmite el embrague, y luego hace avanzar el coche del modelo en 1.ª milisegundo a milisegundo.

Hay un resultado curioso escondido ahí. Si el motor se mantiene a un régimen mientras el embrague patina, el embrague convierte en calor casi tanta energía como gana el coche en movimiento. Desde 3000 rpm con 200 N·m, el embrague recibe unos 32,5 kJ mientras el coche gana unos 29,3 kJ; el resto va a la resistencia al avance. Si arrancas desde 2000 rpm con 180 N·m, el calor baja a unos 14,5 kJ. Pide al embrague más par del que da el motor a ese régimen y el motor se frena, y por debajo de 650 rpm (el límite del modelo) se cala. Una buena salida queda entre los dos extremos: suficientes revoluciones para que el motor siga en marcha, no tantas como para que el embrague se achicharre.

Cajas reales del catálogo

El catálogo tiene 31 entradas. 18 son coches con sus relaciones publicadas: el Honda Civic Type R y el Civic Si, el Acura Integra Type S y el Integra 6MT, el Toyota GR86, el GR Corolla y el GR Supra 3.0, el Mazda MX-5, el Nissan Z, el Subaru WRX, dos Ford Mustang y seis coches que usan la Tremec TR-6060. Doce son juegos de relaciones de cajas de Tremec, y la última es el modelo de esta página. Los números proceden del dossier de prensa, el folleto o la ficha de producto del propio fabricante; el enlace a la fuente está bajo cada entrada.

Algunas cosas llaman la atención. El Civic Type R y el Integra Type S comparten todas las relaciones y la transmisión final de 3,842. El GR Corolla tiene dos transmisiones finales, 4,058 de 1.ª a 4.ª y 3,450 para 5.ª, 6.ª y marcha atrás. El MX-5 tiene una 6.ª directa (1,000) y el Nissan Z una 5.ª directa, como la 4.ª del modelo. El Camaro SS tiene una sexta de 0,50, de modo que a velocidad de crucero el motor gira a la mitad de velocidad que el árbol de transmisión. Tremec da a la TR-6060 una distancia entre ejes de 85 mm y sincronizadores de doble y triple cono en todas las marchas, mientras que el modelo tiene un cono por marcha.

Dónde el modelo es más simple que una caja real

• Las relaciones son valores del modelo, y cada par tiene exactamente 56 dientes. Las cajas reales ajustan el número de dientes y usan ángulos de hélice y módulos algo distintos para cada par.
• Los sincronizadores reales suelen tener dos o tres conos en las marchas bajas, porque son las que ven mayores diferencias de velocidad. El modelo tiene un cono por marcha.
• Se han omitido las chavetas, los muelles y las bolas de retención que mantienen los manguitos en punto muerto y evitan que se muevan dos varillas a la vez (el enclavamiento).
• Faltan los cojinetes, los retenes y el propio aceite. En una caja real las marchas bajas se bañan en aceite y lo salpican por todas partes.
• El hueco del embrague está dibujado unas dos veces más grande que el real para que se vea abrirse. El motor baja a 900 rpm cuando mantienes el pedal pisado, como si el pie derecho hubiera soltado el acelerador.
• Las velocidades usan el tamaño nominal del neumático e ignoran el deslizamiento del neumático. Un neumático cargado rueda con un radio unos pocos por ciento menor que el nominal.

Otras cajas basadas en las mismas ideas

El Ford T. El coche de Ford usó un tren planetario de dos velocidades de 1908 a 1927. El museo Henry Ford señala que sus engranajes estaban siempre engranados, lo que hacía más fácil el cambio que en los engranajes deslizantes sin sincronizar de la época. Es el mismo argumento que llevó al engrane constante en una caja manual, alcanzado por otro camino.

Motos. Un equipo de estudiantes de Princeton que reconstruyó una Triumph Tiger Cub de 1963 describe la misma estructura que el modelo: un eje principal y un contraeje, con horquillas selectoras que deslizan los engranajes a lo largo de ellos. La diferencia está en el selector. En ese motor, un cuadrante de cambio accionado con el pie mueve una placa selectora, que separa o junta las horquillas. Las motos posteriores suelen usar un tambor ranurado, como hacen las cajas de competición de Honda con su tambor selector. Con cualquiera de los dos sistemas el piloto sube o baja una marcha cada vez, y eso es lo que hace secuencial una caja. El piloto renuncia a la libre elección de marcha y obtiene una caja sin calles, donde una sola pieza móvil acciona todas las horquillas.

Coches de carreras. Los ingenieros de Honda escribieron que las cajas de Fórmula 1 desde principios de los años 1990 usan un embrague de garras y un tambor selector, el mismo principio que una moto. No hay anillo sincronizador. La normativa de la época, tal como la resumió Honda, exigía entre cuatro y siete marchas hacia delante y prohibía un CVT. El problema de una caja de garras es la colisión de canto de una garra con otra, que dañaba los engranajes, así que el equipo de Honda desarrolló un cambio que mantiene el par del motor durante el cambio y un controlador que sincroniza el tambor con el hueco entre garras. En 2008, informó Honda, todos los equipos tenían una caja que cambia sin interrupción del par. Una caja de F1 comercial de Xtrac, la P1044, se anuncia con siete velocidades, selección secuencial sin interrupción del movimiento y un par de entrada continuo de 340 N·m.

Transmisiones automáticas. Un automático convencional sustituye el contraeje y los manguitos por trenes planetarios que se cambian con embragues y frenos, y sustituye el embrague de fricción por un convertidor de par. ZF dice que su 8HP de ocho velocidades necesita solo cinco elementos de cambio para cuatro trenes, y tiene un rango total de 7,0. El rango de las cinco marchas del modelo es 4,92, así que el automático cubre un abanico mayor con más escalones. El coste es el rendimiento: la revisión de las National Academies sitúa el de los automáticos convencionales entre el 86 y el 94 %, y la pérdida de una manual en alrededor del 4 % de la potencia del motor.

Doble embrague. Una caja DCT conserva la disposición de una manual pero usa dos embragues sobre dos ejes de entrada, uno para las marchas impares y otro para las pares. La página de Honda sobre su DCT para motos, presentada en 2010, describe exactamente eso: un embrague para 1.ª, 3.ª y 5.ª, el otro para 2.ª, 4.ª y 6.ª. Mientras una marcha mueve el coche, la siguiente ya está seleccionada en el otro eje, y el cambio es un traspaso entre embragues. La misma revisión de las National Academies indica que una DCT de seis velocidades con embragues húmedos puede reducir el consumo hasta un 4,1 % frente a un automático de seis velocidades, pero que las versiones de embrague seco tenían problemas de conducción y que la suavidad de la salida es difícil de igualar.

CVT. Una transmisión de variación continua no tiene escalones. La unidad del CITY 2020 de Honda usa una correa trapezoidal metálica de empuje entre dos poleas, y la relación cambia de forma continua al variar los diámetros efectivos de las poleas. Sin engranajes no hay nada que sincronizar, y el motor puede mantener un régimen mientras el coche acelera. La Fórmula 1 la prohibió, como muestra la normativa citada más arriba.

Malentendidos frecuentes

«Una marcha más corta da más potencia al motor». No. La potencia en las ruedas es la del motor menos las pérdidas. Una marcha más corta da más fuerza a menor velocidad, como muestra la tabla, y además deja que el motor gire más deprisa, donde suele dar más potencia.

«Una marcha más larga siempre ahorra combustible». Solo mientras el motor no vaya forzado. Una marcha larga a baja velocidad hace trabajar el motor con mucha carga y pocas rpm, lo que puede gastar más que la marcha inferior, y puede hacer vibrar la transmisión.

«El anillo sincronizador hace todo el trabajo». Solo iguala la velocidad del engranaje y la del eje. El pedal de embrague sigue haciendo falta para separar el motor, y por eso falla el ajuste «Cambiar sin embrague» del modelo.

«En la caja, todas las marchas están unidas al eje». Solo una. En tercera, en el modelo, los engranajes libres del eje de salida giran sobre cojinetes de agujas a velocidades que van de unas 770 rpm (primera) a 3760 rpm (quinta), ninguno unido a nada.

«La cuarta es la marcha más eficiente porque nada engrana». Los engranajes del contraeje siguen engranados y girando en aceite, así que siguen causando algo de arrastre. La toma directa es un poco mejor, no libre de pérdidas.

«El doble embrague es cosa de otra época». Es el mismo trabajo hecho a mano. Los conductores de cajas sin sincronizadores lo siguen haciendo, y una caja de garras de competición hace lo mismo con sensores y un controlador.

Pruébalo en la pantalla

1. Pon Marcha en 2.ª y luego en 3.ª, y mira el panel. El eje de entrada debería bajar de unas 3000 a 1941 rpm. Baja Cámara lenta para ver cómo se cierra la barra de diferencia de giro antes de que el anillo deje pasar el manguito.
2. Activa Mantener embrague pisado y cambia de marcha. El motor baja a 900 rpm en el modelo, pero el disco y el eje de entrada siguen girando con el coche, así que el anillo sincronizador solo tiene que frenar el conjunto suelto.
3. Activa Cambiar sin embrague y pasa de 3.ª a 4.ª. La fila Diferencia de giro debería mostrar las 909 rpm del texto, y el mensaje dice que el motor sigue conectado. Luego compáralo con un cambio normal de 3.ª a 4.ª.
4. Mueve Desmontar a 1 y activa Ver el interior y Nombres de piezas. Busca los tres manguitos del eje de salida. Sirven a 1.ª y 2.ª, a 3.ª y 4.ª, y a 5.ª y marcha atrás.
5. Desde punto muerto, pon Marcha en marcha atrás y fíjate en que el eje de salida gira al revés. El panel muestra su velocidad en negativo. Cuenta el engranaje extra en el camino.

Un breve repaso histórico

Los primeros coches con varias marchas usaban cajas de engranajes deslizantes, cuyos engranajes se deslizaban hasta engranar mientras el conductor intentaba acertar el momento. Eran las cajas «de choque», bien nombradas. Las cajas de engrane constante con embragues de garras facilitaron los cambios, pero el conductor aún tenía que igualar las velocidades.

Earl A. Thompson, un ingeniero de Oregón, presentó una patente de un mecanismo de cambio de marchas en marzo de 1918 (concedida en 1922) y pasó años intentando interesar a los fabricantes de Detroit. Su sincronizador llegó a la producción en el Cadillac de 1928, y Cadillac lo nombró ingeniero jefe adjunto en 1929. El principio del sincronizador se usa ahora en casi todas las cajas manuales.