Viru+: El sistema de transmisión de un Formula 1 (Parte V)
20 ago 2015  
T_GEARBOX_SHAFTS_C_GB2

En la anterior entrega ya entré en materia de cajas de cambio. Si quieres repasar o no la pudiste leer aún, pincha aquí.

CAJA DE CAMBIOS

Bien, como ya expliqué el funcionamiento general de una caja de cambios convencional, paso a explicarte el funcionamiento de una caja de cambios de un Formula 1. Estoy seguro que, leídas las 4 partes anteriores, estás deseando que explique (¡por fin!) el funcionamiento de uno de los elementos más importantes de un monoplaza y responsable, en parte, de la gran aceleración que tienen estos vehículos.

Te pongo una fotografía y comienzo a explicarte:

primario-secundario caja de cambios F1

 

Un primer vistazo a la fotografía y verás una de las grandes diferencias entre una caja de cambios de F1 moderna y una convencional. ¿Qué, aún no lo ves? Fíjate bien en los engranajes, ¿no encuentras algo raro? Bueno, tranquilo/a que ya te lo digo yo. Los engranajes de una caja de cambios de F1 son de dientes rectos, no son helicoidales. Pero si ya te dije anteriormente que los helicoidales son más suaves y mejores para transmitir grandes cargas, ¿por qué se usan dientes rectos? Porque los dientes rectos tienen menos fricción y eso supone menor perdida de potencia por rozamiento. Por contra, como ya te conté, los dientes rectos son más ruidosos y se desgastan antes. Esto último no importa tanto en Formula 1, por lo que es mejor usar dientes rectos.

Otro vistazo a la fotografía nos revelará otra característica fundamental del mecanismo. A la derecha de la foto hay un cilindro hueco llamado barrel. ¿Qué es y para que sirve? Es el cilindro encargado de accionar los selectores de velocidad, que son las tres horquillas que ves en la foto justo al lado del barrel. Para que entiendas el funcionamiento, te pongo una animación cortesía de Alberto Rodríguez, usuario @albrodpul en twitter. La animación está extraída de su blog personal ( albrodpulf1.wordpress.com ):

gearbox_sequential_animation

 

Como verás, y como te explique en la anterior entrega, los engranajes siempre están girando. Y, al igual que en una caja convencional, hay que sincronizar el primario con el secundario para igualar velocidades. Es entonces cuando el barrel gira, mueve la horquilla selectora y conecta el primario y el secundario para transmitir el movimiento. 

Este tipo de cambio secuencial semiautomático fue inventado por el ingeniero de Formula 1 John Barnard en el año 1988. Ya había habido un intento de uso de un cambio más rápido en el año 1977, pero la electrónica entonces estaba aún por desarrollar y el invento no prosperó. Te diré que, desde entonces, los cambios han evolucionado pero la idea básica se mantiene.

Las cajas de cambio actuales, en la Formula 1, tienen un chasis que envuelve el mecanismo de cambio, diferencial y además sirve de soporte para la suspensión y la estructura absorbe impactos trasera. Es, lógicamente, una estructura portante la caja de cambios y debe de tener una rigidez estructural altísima, además de gran capacidad de rigidez torsional. ¿No recuerdas lo que es la torsión? Te invito a pinchar aquí y leer este artículo. Además, para poner más difíciles las cosas, la caja de cambios recibe la carga aerodinámica generada en la zona trasera del monoplaza.

¿Con qué material se fabrica el chasis de una caja de velocidades? Los requisitos de material son de alta exigencia en rigidez, resistencia y peso. Hay muy pocos materiales que cumplan estos requisitos, pero los más usados son aluminio-magnesio, titanio y fibra de carbono. La aleación de aluminio-magnesio es muy ligera y tiene buena rigidez torsional, pero es menos resistente que los otros dos. El titanio es muy resistente, y tiene también alta rigidez torsional pero pesa más que los otros dos y, además, es muy difícil de trabajar y operar para obtener la forma desead. En resumen es muy caro. Y, por último, la fibra de carbono es ultra ligera, muy resistente pero tiene baja rigidez torsional (debido a que son fibras alineadas en una dirección concreta). Para otorgarle rigidez torsional hay que usar muchas capas en distintas direcciones y ello encarece mucho el producto, además de aumentar el peso.

De todas maneras, la colocación de la caja de cambios justo detrás del motor le dota de mayor rigidez, además de que los anclajes de suspensión ayudan también. Te pongo unas fotos, extraídas del blog del inefable Alberto Rodríguez (de nuevo):

transmission-minardi-titanium

Aquí una caja de cambios en titanio. La parte trasera que ves un eje de tamaño considerable, es la que contiene el mecanismo diferencial (que te explicaré pormenorizadamente en las siguientes partes). Ya te adelanto que lo habitual es mezclar materiales en la construcción de las cajas. Fibra de carbono en las zonas donde más resistencia se necesita y aluminio donde no es tan necesaria esa resistencia (para abaratar costes). El titanio se usa en una amplia zona de la misma, porque es durable y rígido. Otro ejemplo extraído también del blog de Alberto Rodríguez:

John Barnard´s PRFC gearbox.

Caja de cambios completamente en fibra de carbono, diseñada por John Barnard. La forma de la misma es consecuencia de la rigidez torsional más baja de la fibra, por lo que hay que ingeniar formas más complejas para dotar al conjunto de la rigidez necesaria.

¿Son muy diferentes las relaciones de cambio de un vehículo de calle y las de un F1? Si, porque en un vehículo de calle perseguimos utilidad y comfort, en un F1 perseguimos prestaciones. En un F1 podemos encontrar una primera velocidad que nos permite superar los 110-120 km/h holgadamente. Antes del año 2014 se permitía a los equipos variar las relaciones de cambio de un GP a otro. Normal si queremos tener las mejores relaciones de cambio para cada circuito. El año pasado se permitía un comodín de cambio de esas relaciones, para usar ese cambio el resto de la temporada. Este año ni siquiera eso, las relaciones son fijas desde el principio.

Lo vehículos actuales tienen 8 relaciones de cambio. Esto permite una mejor optimización del par disponible desde la UP (recuerda que es motor térmico + eléctrico MGU-K). El problema es que mayor nº de relaciones, mayor número de cambios y mayor tiempo perdido por vuelta. ¿Cierto? En parte si, pero gracias al uso de los cambios seamless (sin interrupciones), esos tiempos de cambio son casi inexistentes.

¿Cómo funciona un cambio seamless? Básicamente, la electrónica e hidráulica de estos cambios es más avanzada aún. La electrónica se encarga de medir el par motor transmitido, la posición del engranaje (ángulo de ataque de sus piñones) inmediatamente superior e inferior, la velocidad de rotación de los ejes primario y secundario, posición del acelerador y situación del embrague. Todo para hacer el cambio de manera óptima y sin apenas perdidas de tiempo, permitiendo al sistema reducir el tiempo por debajo de 10 milésimas de segundo y pudiendo meter dos marchas a la vez. El piloto sólo debe accionar la leva derecha para subir de marcha o la izquierda para bajar. Del cambio y accionamiento del embrague se encarga el sistema.

Más datos interesantes sobre las cajas de cambio:

  • La temperatura óptima de funcionamiento ronda los 130º C. La caja está bañada en aceite que permite mantener esa temperatura y evitar agarres entre piñones y mecanismos.
  • Los engranajes serán fabricados en acero por imperativo FIA.
  • De igual manera, la FIA obliga a que el peso de los engranajes deba ser de un mín. de 0,6 kg por cada par de ruedas. 
  • El grosor mínimo de cada rueda de engranaje debe ser de 12 mm, obligado por la FIA.
  • Una caja de cambios estándar para F1 está formada por unas 400 partes indivuales. Esto incluye elementos mecánicos, hidráulicos y electrónicos.
  • El precio de esta obra de ingeniería ronda los 150000 € por conjunto. 

Y lo dejo por ahora, no quiero generarte un dolor de cabeza monumental. Espero hayas entendido un poco mejor el funcionamiento y el diseño de una caja de cambios de un vehículo tan especial como es un Formula 1.

Jero → http://www.twitter.com/jeroitim

Comentarios

  1. […] funcionamiento de la caja de cambios de un F1. ¿Qué aún no lo has leído? Te recomiendo pinchar aquí para leerte la […]

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos necesarios están marcados *

Normas de participación
No necesitas estar registrado para comentar las noticias, pero tu mensaje puede tardar un poco en ser validado.
El tono de tu comentario debe ser respetuoso. No se admitirán insultos, descalificaciones, faltas de respeto, comentarios sexistas o racistas ni contenidos publicitarios. No abuses de mayúsculas o abreviaturas.
El objeto de lo que escribas será comentar la noticia, no de lo que dicen el resto de usuarios. Si no estás de acuerdo, razona porqué crees que se equivocan.
Los administradores podrán eliminar aportaciones que no cumplan estas reglas