Cómo funcionan las CVT

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Galería de imágenes de transmisión
Foto cortesía de Nissan Global
Motor Nissan HR15DE con Xtronic CVT. Ver más imágenes de transmisión.

Algunos dicen que no se pueden enseñar trucos nuevos a un perro viejo. Pero la transmisión continuamente variable (CVT), que Leonardo da Vinci conceptualizó hace más de 500 años y ahora está reemplazando a las transmisiones automáticas planetarias en algunos automóviles, es un perro viejo que definitivamente ha aprendido algunos trucos nuevos. De hecho, desde que se presentó la primera patente CVT toroidal en 1886, la tecnología se ha perfeccionado y mejorado. Hoy en día, varios fabricantes de automóviles, incluidos General Motors, Audi, Honda y Nissan, están diseñando sus transmisiones en torno a CVT..

En este artículo, exploraremos cómo funciona una CVT en un automóvil típico con tracción trasera, respondiendo varias preguntas en el camino:

  • ¿Cómo se compara una CVT con una transmisión automática planetaria convencional??
  • ¿Qué partes tiene y cómo funcionan esas partes??
  • ¿Qué ventajas ofrecen las CVT sobre las transmisiones automáticas convencionales? ¿Qué pasa con las desventajas?
  • ¿Cómo es la experiencia de conducción en un coche con CVT??
  • ¿Qué tipo de marcas y modelos incorporan CVT??
  • ¿Existen otras aplicaciones para CVT que no sean automóviles??

Primero, veremos cómo se compara una CVT con una transmisión automática tradicional..

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No más engranajes
Una cronología de la innovación CVT
  • 1490 - da Vinci esboza una transmisión continua continuamente variable
  • 1886 - primera patente CVT toroidal presentada
  • 1935 - Adiel Dodge recibe patente estadounidense para CVT toroidal
  • 1939 - transmisión totalmente automática basada en el sistema de engranajes planetarios introducido
  • 1958 - Daf (de los Países Bajos) produce una CVT en un automóvil
  • 1989 - Subaru Justy GL es el primer automóvil de producción vendido en EE. UU. Que ofrece una CVT
  • 2002 - Saturn Vue con CVT debuta; primer Saturno en ofrecer tecnología CVT
  • 2004 - Ford comienza a ofrecer una CVT

-Si ha leído acerca de la estructura y función de las transmisiones automáticas en Cómo funcionan las transmisiones automáticas, entonces sabe que el trabajo de la transmisión es cambiar la relación de velocidad entre el motor y las ruedas de un automóvil. En otras palabras, sin una transmisión, los automóviles solo tendrían una marcha: la marcha que le permitiría al automóvil viajar a la velocidad máxima deseada. Imagínese por un momento conduciendo un automóvil que solo tenga primera marcha o un automóvil que solo tenga tercera. El coche anterior aceleraba bien desde una parada completa y podía subir una colina empinada, pero su velocidad máxima se limitaría a unos pocos kilómetros por hora. El último automóvil, por otro lado, volaría a 80 mph por la carretera, pero casi no tendría aceleración al arrancar y no podría subir colinas..

Por lo tanto, la transmisión utiliza una gama de marchas, de baja a alta, para hacer un uso más eficaz del par del motor a medida que cambian las condiciones de conducción. Los engranajes se pueden acoplar manual o automáticamente.


Foto cortesía de DaimlerChrysler
Transmisión automática Mercedes-Benz CLK.


En una transmisión automática tradicional, los engranajes son literalmente engranajes: ruedas dentadas entrelazadas que ayudan a transmitir y modificar el movimiento giratorio y el par. Una combinación de engranajes planetarios crea todas las diferentes relaciones de transmisión que puede producir la transmisión, típicamente cuatro marchas hacia adelante y una marcha atrás. Cuando este tipo de transmisión pasa por sus marchas, el conductor puede sentir sacudidas cuando se engrana cada marcha..

Conceptos básicos de CVT
A diferencia de las transmisiones automáticas tradicionales, las transmisiones continuamente variables no tienen una caja de cambios con un número determinado de marchas, lo que significa que no tienen ruedas dentadas entrelazadas. El tipo más común de CVT funciona de manera ingeniosa. sistema de poleas que permite una variabilidad infinita entre las marchas más altas y más bajas sin pasos o cambios discretos.


Foto cortesía de Ford Motor Company
Motor Ford Freestyle Duratec con CVT


Si se pregunta por qué la palabra "engranaje" todavía aparece en la explicación de un CVT, recuerde que, en términos generales, un engranaje se refiere a un proporción de la velocidad del eje del motor a la velocidad del eje de transmisión. Aunque las CVT cambian esta relación sin usar un conjunto de engranajes planetarios, todavía se describen como "engranajes" bajos y altos por el bien de la convención..

A continuación, veremos los diferentes tipos de CVT: basados ​​en poleas, toroidales e hidrostáticos..


Foto cortesía de Nissan Global
CVT basado en polea
Mire a través de una transmisión automática planetaria y verá un mundo complejo de engranajes, frenos, embragues y dispositivos de gobierno. En comparación, una transmisión continuamente variable es un estudio de simplicidad. La mayoría de las CVT solo tienen tres componentes básicos:
  • Un cinturón de goma o metal de alta potencia
  • Una polea "impulsora" de entrada variable
  • Una polea "impulsada" de salida
Las CVT también tienen varios microprocesadores y sensores, pero los tres componentes descritos anteriormente son los elementos clave que permiten que la tecnología funcione..


Las poleas de diámetro variable son el corazón de un CVT. Cada polea está hecha de dos conos de 20 grados uno frente al otro. Un cinturón se mueve en la ranura entre los dos conos.. Correas trapezoidales se prefieren si el cinturón está hecho de caucho. Las correas trapezoidales reciben su nombre del hecho de que las correas tienen una sección transversal en forma de V, lo que aumenta el agarre por fricción de la correa..

Cuando los dos conos de la polea están muy separados (cuando aumenta el diámetro), la correa se desplaza hacia abajo en la ranura y el radio de la presilla del cinturón que rodea la polea se hace más pequeño. Cuando los conos están muy juntos (cuando el diámetro disminuye), la correa sube más en la ranura y el radio de la presilla de la correa que rodea la polea se hace más grande. Las CVT pueden usar presión hidráulica, fuerza centrífuga o tensión de resorte para crear la fuerza necesaria para ajustar las mitades de la polea.

Las poleas de diámetro variable siempre deben venir en pares. Una de las poleas, conocida como polea de transmisión (o polea motriz), está conectado al cigüeñal del motor. La polea motriz también se llama polea de entrada porque es donde la energía del motor ingresa a la transmisión. La segunda polea se llama polea conducida porque la primera polea la está girando. Como un polea de salida, la polea impulsada transfiere energía al eje de transmisión.


La distancia entre el centro de las poleas hasta donde la correa hace contacto en la ranura se conoce como radio de paso. Cuando las poleas están muy separadas, la correa desciende y el radio de paso disminuye. Cuando las poleas están juntas, la correa se eleva y el radio de paso aumenta. La relación entre el radio de paso de la polea conductora y el radio de paso de la polea conducida determina el engranaje.

Cuando una polea aumenta su radio, la otra lo reduce para mantener la correa apretada. A medida que las dos poleas cambian sus radios entre sí, crean un número infinito de relaciones de transmisión, de menor a mayor y todo lo que se encuentra en el medio. Por ejemplo, cuando el radio de paso es pequeño en la polea impulsora y grande en la polea impulsada, entonces la velocidad de rotación de la polea impulsada disminuye, lo que resulta en un "engranaje" más bajo. Cuando el radio de paso es grande en la polea impulsora y pequeño en la polea impulsada, entonces la velocidad de rotación de la polea impulsada aumenta, lo que resulta en un “engranaje” más alto. Por lo tanto, en teoría, una CVT tiene un número infinito de "marchas" que puede ejecutar en cualquier momento, a cualquier velocidad del motor o del vehículo..

La simplicidad y la naturaleza continua de las CVT las convierten en una transmisión ideal para una variedad de máquinas y dispositivos, no solo para automóviles. Las CVT se han utilizado durante años en herramientas eléctricas y taladradoras. También se han utilizado en una variedad de vehículos, incluidos tractores, motos de nieve y motonetas. En todas estas aplicaciones, las transmisiones se han basado en correas de caucho de alta densidad, que pueden deslizarse y estirarse, reduciendo así su eficiencia..

La introducción de nuevos materiales hace que las CVT sean aún más fiables y eficientes. Uno de los avances más importantes ha sido el diseño y desarrollo de correas metálicas para conectar las poleas. Estos cinturones flexibles están compuestos por varias (típicamente nueve o 12) bandas delgadas de acero que mantienen unidas piezas de metal de alta resistencia en forma de pajarita..


Diseño de cinturón de metal

Los cinturones de metal no se deslizan y son muy durable, permitiendo que las CVT manejen más par motor. Ellos son también mas silencioso que las CVT accionadas por correas de caucho.

Otra versión de la CVT, el sistema CVT toroidal, reemplaza las correas y poleas con discos y rodillos de potencia.


Foto cortesía de Nissan Global
Nissan Extroid toroidal CVT

Aunque tal sistema parece drásticamente diferente, todos los componentes son análogos a un sistema de correa y polea y conducen a los mismos resultados: una transmisión continuamente variable. Así es como funciona:

  • Un disco se conecta al motor. Esto es equivalente a la polea motriz..
  • Otro disco se conecta al eje de transmisión. Esto es equivalente a la polea conducida.
  • Los rodillos, o ruedas, ubicados entre los discos actúan como la correa, transmitiendo potencia de un disco a otro..


Las ruedas pueden girar a lo largo de dos ejes. Giran alrededor del eje horizontal y se inclinan hacia adentro o hacia afuera alrededor del eje vertical, lo que permite que las ruedas toquen los discos en diferentes áreas. Cuando las ruedas están en contacto con el disco impulsor cerca del centro, deben hacer contacto con el disco impulsado cerca de la llanta, lo que resulta en una reducción en la velocidad y un aumento en el torque (es decir, marcha baja). Cuando las ruedas tocan el disco impulsor cerca de la llanta, deben hacer contacto con el disco impulsado cerca del centro, lo que resulta en un aumento de la velocidad y una disminución del torque (es decir, engranaje de sobremarcha). Una simple inclinación de las ruedas cambia gradualmente la relación de transmisión, lo que proporciona cambios de relación suaves y casi instantáneos..

Tanto la CVT de polea y correa en V como la CVT toroidal son ejemplos de CVT de fricción, que funcionan variando el radio del punto de contacto entre dos objetos giratorios. Existe otro tipo de CVT, conocido como CVT hidrostático, que utiliza bombas de caudal variable para variar el flujo de fluido en motores hidrostáticos. En este tipo de transmisión, el movimiento de rotación del motor acciona una bomba hidrostática en el lado de conducción. La bomba convierte el movimiento de rotación en flujo de fluido. Luego, con un motor hidrostático ubicado en el lado impulsado, el flujo de fluido se convierte nuevamente en movimiento de rotación..


A menudo, una transmisión hidrostática se combina con una engranaje planetario y embragues para crear un sistema híbrido conocido como transmisión hidromecánica. Las transmisiones hidromecánicas transfieren la potencia del motor a las ruedas en tres modos diferentes. A baja velocidad, la potencia se transmite hidráulicamente y a alta velocidad, la potencia se transmite mecánicamente. Entre estos extremos, la transmisión utiliza medios hidráulicos y mecánicos para transferir potencia. Las transmisiones hidromecánicas son ideales para aplicaciones de servicio pesado, por lo que son comunes en tractores agrícolas y vehículos todo terreno..

Beneficios CVT

Las transmisiones continuamente variables se están volviendo más populares por una buena razón. Cuentan con varias ventajas que las hacen atractivas tanto para los conductores como para los ambientalistas. La siguiente tabla describe algunas de las características y beneficios clave de las CVT.

Ventajas de las CVT
Característica Beneficio
Aceleración constante y continua desde una parada completa hasta la velocidad de crucero Elimina el "impacto de cambio", lo que hace que el viaje sea más suave
Funciona para mantener el automóvil en su rango de potencia óptimo, independientemente de la velocidad a la que viaje. Mayor eficiencia de combustible
Responde mejor a condiciones cambiantes, como cambios en el acelerador y la velocidad Elimina la búsqueda de equipo cuando un automóvil desacelera, especialmente al subir una colina
Menos pérdida de potencia en una CVT que en una transmisión automática típica Mejor aceleración
Mejor control del rango de velocidad de un motor de gasolina Mejor control de las emisiones
Puede incorporar versiones automatizadas de embragues mecánicos Reemplazar convertidores de par de fluidos ineficientes

En la siguiente sección, veremos cómo es conducir un automóvil basado en CVT..

Los coches con CVT son habituales en Europa desde hace años. Pero la tecnología ha tardado un tiempo en afianzarse en los Estados Unidos. El primer automóvil de producción en ofrecer una CVT en los Estados Unidos fue el Subaru Justy.


Foto cortesía de Subaru France
Subaru Justy

Vendido entre 1989 y 1993, el Justy nunca atrajo la atención de los conductores estadounidenses. Entonces, ¿qué tienen de diferente los autos más nuevos basados ​​en CVT, como el Saturn Vue, el Audi A4 y A6, el Nissan Murano y el Honda Insight? La mejor manera de responder a esa pregunta es llevar uno de estos autos para una "prueba de manejo". La siguiente animación, que compara la aceleración de un automóvil con CVT con una sin CVT, le da una buena idea de la experiencia..


Cuando pisa el acelerador de un automóvil con una transmisión continuamente variable, nota la diferencia de inmediato. El motor acelera hacia las revoluciones por minuto en las que produce más potencia y luego permanece allí. Pero el coche no reacciona de inmediato. Luego, un momento después, la transmisión se activa, acelerando el automóvil de manera lenta, constante y sin cambios. En teoría, un automóvil con CVT debería alcanzar las 60 mph (100 km / h) un 25 por ciento más rápido que el mismo automóvil con el mismo motor y transmisión manual [ref]. Eso es porque la CVT convierte cada punto de la curva de funcionamiento del motor en un punto correspondiente en su propia curva de funcionamiento..

Si observa la curva de potencia de salida del automóvil sin CVT, puede ver que esto es cierto. Observe que el tacómetro en esta situación muestra el motor acelerando hacia arriba y hacia abajo con cada cambio de marcha, lo que se registra como un pico en la curva de salida de potencia (y que el conductor siente como una sacudida)..

Las CVT son igualmente eficientes en colinas. No hay "cambio de marcha", porque la CVT desciende progresivamente hasta una relación de marcha adecuada para las condiciones de conducción. Una transmisión automática convencional cambia de un lado a otro tratando de encontrar la marcha correcta, que es mucho menos eficiente..

Con todas sus ventajas, las CVT tienen algunas deficiencias. En Estados Unidos, todavía están tratando de superar un problema de imagen. El Subaru Justy, por ejemplo, era conocido como un microcoche despiadado. Tradicionalmente, las CVT de transmisión por correa estaban limitadas en la cantidad de torque que podían manejar y eran más grandes y pesadas que sus contrapartes automáticas y manuales. Los avances tecnológicos han colocado a las CVT en el ámbito de su competencia: la CVT del Nissan Murano puede manejar su motor V6 de 3.5 litros y 245 caballos de fuerza, pero las primeras impresiones son difíciles de superar..

Para obtener más información sobre transmisiones continuamente variables y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

Artículos relacionados

  • Cómo funcionan las transmisiones automáticas
  • Cómo funcionan los engranajes
  • Cómo funcionan las relaciones de transmisión
  • Cómo funcionan las transmisiones manuales
  • Cómo funcionan los convertidores de par

Más enlaces geniales

  • InsightCentral.net: transmisión CVT
  • Automotive Engineering International Online: Audi lleva la CVT del siglo XV al siglo XXI
  • Edmunds.com: CVT entra en la corriente principal
  • MSN Autos: ingeniería de nuevas transmisiones
  • Nissan EE. UU .: Xtronic CVT

Fuentes

  • Abedul, Stuart. 2000. Audi lleva la CVT del siglo XV al siglo XXI. Ingeniería automotriz internacional en línea. enero.
  • Carney, Dan. 2002. Los SUV pequeños se enfrentan. Ciencia popular. 18 de febrero.
  • Glosario de Cars.com. Transmisión continuamente variable (CVT).
  • CVT: transmisión continuamente variable.
  • Enciclopedia Británica 2005, s.v. "transmisión automática." CD-ROM, 2005.
  • Gizmology.net. Notas sobre transmisiones continuamente variables.
  • Trabajo, Ann. Ingeniería de nuevas transmisiones. MSN Autos. Consultado el 20 de marzo de 2005..
  • InsightCentral.net. Transmisión CVT.
  • Kluger, Michael A. 2000. Preparándose para CVT. Tecnología hoy. Edición de verano.
  • Lienert, Dan. 2003. Genial. ¿Donde puedo conseguir uno? Ciencia popular. 16 de enero.
  • Lienert, Dan. 2003. Poner energía al pavimento. Ciencia popular. 13 de agosto.
  • Memmer, Scott. CVT entra en la corriente principal. Edmunds.com. Consultado el 20 de marzo de 2005..
  • Nissan USA. Xtronic CVT.



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