Caja de cambios CVT. ¿Qué es? y ¿cómo funciona?

Introducción

La denominación CVT proviene del inglés: Continuously Variable Transmission. Lo que significa cambio continuamente variable. Se trata de una caja de cambios capaz de variar el desarrollo del motor de forma continua y sin escalonamientos. Esto es posible porque no usa piñones con diámetros fijos para ofrecer una variedad de marchas predefinidas como hacen las cajas de cambio convencionales.

Dado que el motor de combustión no puede transmitir suficiente par motor a baja velocidad de giro y además su rango de régimen de trabajo está limitado, es por ello necesario recurrir a un sistema mecánico que adapte el par y el régimen de salida del motor a las necesidades del tren de rodaje. El objetivo es que el vehículo disponga de un alto nivel de par motor en el momento del arranque y durante la aceleración inicial. Y que, al mismo tiempo, el régimen de giro del tren de rodaje consiga una velocidad lineal del vehículo más que suficiente para poder alcanzar el límite legal de velocidad en las autopistas. Sin una caja de cambios el motor de combustión por si solo no puede conseguirlo.

Para poder aprovechar la potencia del motor los ingenieros han tenido que desarrollar un componente mecánico conocido comúnmente por caja de cambios. El objetivo de la caja de cambios es ofrecer el desarrollo de velocidad más adecuado para el tren de rodaje. Esto consiste en reducir el par motor para conseguir mayor régimen de salida y viceversa. Las cajas de cambios principalmente pueden ser manuales o automáticas. La caja de cambios CVT pertenece al grupo de las cajas de cambio automáticas, ya que son controladas por un sistema electrónico capaz de detectar las necesidades del tren de rodaje en función de la velocidad del vehículo y así ofrecer el desarrollo más adecuado con el mejor compromiso entre par motor y régimen. Además, un desarrollo bien calculado en base a las prestaciones características del motor es crucial para alcanzar los dos objetivos siguientes:

1º Transmitir las mejores prestaciones del motor al tren de rodaje del vehículo en cada momento.

2º Ofrecer un funcionamiento más eficiente del grupo motopropulsor reduciendo el consumo de combustible y las emisiones.


Arquitectura y componentes principales

La caja de cambios CVT se compone principalmente de dos poleas: una conducida y otra conductora. La polea conductora está montada en el árbol primario, que a su vez es accionado por el volante motor. La polea conducida está montada en el árbol secundario y es solidaria al mismo. Ambas poleas están conectadas mediante una correa de transmisión metálica. Montado también en el eje primario hay: un engranaje epicicloidal (planeta, satélites, porta-satélites y corona de salida), un embrague de tipo multidisco de marcha adelante y un freno multidisco para la marcha atrás. En el árbol secundario, además de la polea conducida, se encuentra el embrague de arranque (también multidisco). La conexión entre el árbol secundario y el diferencial se realiza por medio un árbol intermediario.

Variación del desarrollo

La adecuación del desarrollo se produce gracias a la variación del diámetro de accionamiento entre las dos poleas. Cuando la polea conductora tiene mayor diámetro y el de la conducida es menor se producen los desarrollos cortos, ideales para aumentar el par motor en el momento del arranque y de las aceleraciones iniciales, (de igual manera que en una bicicleta se usa el plato pequeño y el piñón grande para subir cuestas empinadas, siendo los platos el equivalente a la polea conductora y los piñones el equivalente a la polea conducida). Cuando el diámetro de la polea conductora es menor y el de la conducida mayor, se producen los desarrollos largos que son idóneos para aumentar el régimen de giro del tren de rodaje y así transmitir mayor velocidad lineal al vehículo, (de igual manera que en una bicicleta se usa el plato grande y el piñón pequeño para alcanzar velocidades superiores en las cuestas abajo).

Como los diámetros de ambas poleas varían de manera inversamente proporcional la tensión ejercida sobre la correa de transmisión siempre permanece constante, impidiendo la pérdida de transmisión por resbalamiento. Para variar los diámetros de ambas poleas proporcionalmente se utiliza la transferencia de aceite entre los pistones que abren y cierran ambas poleas. Cuando los pistones se abren la correa metálica ocupa un perímetro menor en la polea disminuyendo su radio de accionamiento. Y cuando los pistones se cierran la correa es empujada hacia el exterior de la polea ocupando un perímetro mayor de superficie y aumentando su radio de accionamiento. Además, la variación de la relación de diámetros entre ambas poleas se realiza de forma progresiva y sin interrupciones del par motor o de régimen, así el cambio CVT ofrece una variedad de desarrollos múltiples que pueden ejecutarse de manera continua o preestablecida dependiendo del modo de conducción elegido por el conductor.
 
Flujo de fuerzas

- Marcha adelante (posición D: Drive)

La transmisión de la fuerza comienza en el volante motor, el cual transmite el movimiento al árbol primario de la caja de cambios. Estando el embrague de las marchas hacia adelante cerrado y el freno abierto, se hacen solidarios con el árbol primario el porta-satélites y la corona de salida del engranaje epicicloidal formando un bloque de giro, con lo que el movimiento se transmite a la polea conductora. Por medio de la correa metálica la fuerza llega a la polea conducida y mientras el vehículo esté quieto pero con el motor arrancado, el embrague de arranque permanecerá abierto para impedir la transmisión. En el momento que se selecciona la D en la palanca de cambios, se suelta el freno  y se pisa el acelerador, el embrague de arranque se cierra progresivamente y comienza a transmitir el movimiento al árbol intermediario y de este al diferencial y a las ruedas de tracción.

- Marcha atrás (posición R: Reverse)

La transmisión de fuerza comienza en el volante motor, el cual transmite el movimiento al árbol primario de la caja de cambios. Estando el embrague de las marchas hacia adelante abierto y el freno cerrado se hace solidario el porta-satélites a la carcasa de la caja de cambios. Con lo que el piñón planetario gira haciendo girar en sentido opuesto a los satélites sobre sus propios ejes (ya que el porta-satélites ahora está fijo). Esto fuerza a la corona de salida a girar en sentido opuesto consiguiendo que la polea conductora gire hacia atrás. A partir de aquí se transmite todo el movimiento en sentido de giro contrario desde la polea conducida hasta las ruedas. Así se provoca el movimiento del vehículo hacia atrás.

- Neutro (posición N: Neutral)

El motor de combustión está arrancado y el volante motor girando, el cual transmite el movimiento al árbol primario de la caja de cambios. El embrague de marcha adelante está cerrado y el freno abierto, por lo que se transmite el movimiento a la polea conductora y de esta a la conducida. Sin embargo, el embrague de arranque permanece abierto y el movimiento no se transmite al árbol intermediario ni al diferencial. Por consiguiente, el vehículo no se mueve por la acción del motor, pero permite su movimiento si es empujado o si está en una pendiente ya que tanto el tren de rodaje como el árbol intermediario y el diferencial permanecen desbloqueados. De igual manera sería posible el movimiento del vehículo si el motor estuviese parado y fuese empujado o estuviera en una pendiente.

- Parking (posición P)

El motor de combustión puede estar arrancado o parado. Estando arrancado el motor transmite el movimiento al árbol primario de la caja de cambios. El embrague de marcha adelante está cerrado y el freno abierto, por lo que se transmite el movimiento a la polea conductora y de esta a la conducida. Sin embargo, el embrague de arranque permanece abierto y el movimiento no se transmite al árbol intermediario ni al diferencial. Por consiguiente, el vehículo no se mueve por la acción del motor. Y tampoco se puede mover por una acción externa o una pendiente debido a que el mecanismo de accionamiento mantiene bloqueado el árbol intermedio, el diferencial y por lo tanto las ruedas. El mecanismo de estacionamiento consiste en un trinquete que enclava el engranaje de estacionamiento haciéndolo solidario con la carcasa. Este engranaje está montado junto al embrague de arranque y es solidario al piñón de salida que transmite el movimiento desde el árbol secundario hacia el árbol intermediario.

Gestión electrónica del sistema CVT

La gestión del funcionamiento del cambio CVT depende de una unidad de control electrónica que controla conjuntamente todo el grupo motopropulsor, es decir que la misma centralita electrónica gobierna el motor de combustión y la caja de cambios. Esto es debido a que el cálculo para generar el desarrollo idóneo depende de tres condiciones principales que relacionan estrechamente tanto al motor como de la caja de cambios:

- La demanda de prestaciones del conductor
- Las condiciones del tren de rodaje y de la carretera
- Las condiciones de trabajo del motor de combustión

Así mismo estas tres condiciones dependen de múltiples variables que tienen que ser procesadas por la unidad que gobierna el grupo motopropulsor, también denominado PCM (Power Control Module). Estas variables son suministradas a la PCM por sensores mediante señales de entrada. Una vez que la PCM ha procesado los datos transmitidos  por todas la señales, ejecuta su respuesta gobernando de forma coordinada los actuadores del motor y los siguientes componentes o actuadores de la caja de cambios CVT:

- La electroválvula que controla la presión de aceite que se transfiere para variar la abertura y el cierre de las poleas.
- Las tres electroválvulas que regulan el cierre y la abertura de los embragues de arranque, marcha adelante y el freno de la marcha atrás.
- La iluminación tanto en la palanca como en el cuadro de instrumentos de la posición que adquiere la palanca selectora P; N; D; R.

La estrategia de la gestión electrónica de la caja de cambios CVT busca que el motor de combustión trabaje a su régimen de mejor rendimiento. Esto supone que durante las aceleraciones el régimen de trabajo del motor se mantenga prácticamente constante para mantener su rango de mejor eficiencia, mientras el cambio CVT va variando progresivamente los diámetros entre ambas poleas para provocar la aceleración del vehículo. Este tipo de respuesta del grupo motopropulsor resulta “chocantemente” diferente al método de aceleración que realizan los grupos motopropulsores convencionales con caja de cambios manual, donde la subida de régimen del motor provoca el aumento de velocidad del vehículo de forma proporcional. La ventaja del cambio de desarrollo continuo del CVT radica en que durante la aceleración no existen interrupciones en el empuje del grupo motopropulsor, mientras que en una caja de cambios manual, cuando el régimen del motor deja de ser efectivo por ser demasiado alto, es necesario interrumpir el empuje para conectar el siguiente desarrollo más largo y así sucesivamente.

Además, con el propósito de imitar una respuesta deportiva similar a la de los vehículos con cambio de marchas escalonado, la gestión de la CVT puede establecer 7 u 8 desarrollos predefinidos que varían de forma instantánea la relación de los diámetros de las poleas con el propósito de simular la respuesta de un cambio de marchas escalonado y deportivo. En esta modalidad el cambio del desarrollo se puede realizar también de forma manual, accionando la palanca o levas del volante, así se puede cambiar a desarrollos más largos o más cortos a saltos rápidos y de forma secuencial, permitiendo la aceleración del régimen del motor en progresión con el aumento de la velocidad lineal del vehículo.

Conclusión

Las cajas de cambio CVT son un recurso mecánico principalmente usado por los ingenieros para instalarlas en automóviles utilitarios urbanos. Normalmente vehículos ligeros, debido a que el poder de arrastre de la correa metálica que transmite el movimiento entre las poleas es limitado, si se expone ante altas cargas o en conjunto con motores que transmitan un par motor muy elevado puede suponer un problema a causa del resbalamiento. Este tipo de transmisión también ha demostrado ser un buen aliado para los grupos motopropulsores híbridos, como por ejemplo Honda, que las instala en el Civic híbrido, el Insight y el Jazz entre otros.

Hoy día el mercado de fabricantes que se ha especializado en el desarrollo y producción de las cajas de cambio CVT es principalmente japonés. JACTO es el principal fabricante que suministra este tipo de cajas de cambio a Nissan, Mazda, Subaru, Isuzu, Suzuki, BMW, VW y Land Rover. A parte, otros muchos fabricantes han incorporado también cajas de cambio JACTO cuando lo han necesitado. AISIN es el segundo fabricante especializado en este tipo de cambios suministrando transmisiones principalmente al gigante Toyota. La excepción la protagoniza Honda que fabrica sus propias cajas de cambio CVT para sus modelos.

Para más información consúltese el apartado de transmisión del curso del Honda Civic en el Campus On-Line de Grup eina Digital.