Hace menos de dos décadas era posible entrar en un concesionario y comprar un coche automático con tres velocidades. Sin embargo, a día de hoy, cualquier cosa con menos de ocho marchas parece anticuada… y muchos fabricantes apuestan ya por las diez.

En 2001, el proveedor alemán ZF alcanzó la fama dotando al BMW Serie 7 de un cambio automático de nada menos que seis velocidades: la caja 6HP26. Fue un hito mundial: por aquel entonces, el seis parecía un número mágico. Poco después, en 2003, Mercedes sacó su 7G-Tronic, con siete velocidades… propinando una especie de bofetada a ZF.

Por eso, cuando en 2006 ZF lanzó su segunda generación de cajas de seis velocidades, se aseguró de que fueran las mejores del mundo, dotándolas de un montón de sofisticaciones, como la habilidad de bajar varias marchas en décimas de segundo y sin interrumpir la transmisión de par –gracias a que eran capaces de engranar una marcha antes incluso de sacar la anterior–. Y la pregunta era obligada. “¿Pensáis seguir su estela? ¿Habrá una ZF de siete velocidades?” “No… siete velocidades no son necesarias. En absoluto”.

Lo que a ZF se le pasó por alto contarnos durante aquella presentación fue que ya estaban desarrollando una caja de ocho velocidades para BMW, la 8HP70 que estrenaría el Serie 7 en 2008. Según BMW y ZF, esa caja proporcionaba un ahorro de combustible del 14% en comparación con la 6HP, y del 17% respecto de una caja de cinco velocidades… además de tiempos de cambio de marcha de 200 milisegundos. Actualmente, presta servicio en 13 marcas distintas, de Alfa Romeo a Rolls Royce, y pasando por Aston Martin.

 

En 2014, coincidiendo con la presentación de la segunda generación de la 8HP, repetimos la pregunta… “¿Son suficientes ocho velocidades?” “Absolutamente”, nos contestaron los responsables de ZF. “No se trata de tener muchas marchas, sino de tener una relación entre la marcha más corta y la más larga lo suficientemente grande. Incrementar el número de marchas proporciona beneficios totalmente despreciables”.

Sin embargo, estamos en 2018, y ZF ya tiene una caja de nueve velocidades, mientras que Aisin y GM/Ford han desarrollado sus propias alternativas de ocho y diez velocidades para montaje transversal y longitudinal –Aisin UA80 y AGA0 y GM/Ford 10SPD y 8SPD, respectivamente–.

Para que podamos probar las dos nuevas creaciones del fabricante norteamericano, Ford nos ha invitado a su centro de desarrollo en Lommel –Bélgica–, donde hemos podido conducir el Mustang equipado con esta caja de diez velocidades –un cambio que también monta la pick up F150 y el Chevrolet Camaro ZL1, y que es una evolución del de seis velocidades que estrenó, en 2015, el Mustang– y el Ford S-Max con cambio de ocho marchas –esta caja sustituye a la Getrag de seis relaciones y doble embrague que viene empleando Ford hasta ahora en sus modelos automáticos con motor transversal–. Y, por supuesto, hemos vuelto a repetir la pregunta: “¿Será suficiente con diez velocidades?” Según Kevin Norris, jefe de desarrollo de la caja, “hemos comprobado que pasando de ocho a nueve y diez velocidades se registran reducciones sensibles en el consumo… y cierta mejora en cuanto a las prestaciones. Pero, por encima de diez velocidades no vemos ninguna mejora. Y lo mismo ocurre con el gear spread –la relación entre la marcha más corta y la más larga de la que hablábamos antes–, que actualmente es de 7,39″. Por proporcionar una referencia, el gear spread de la ZF 8HP70 es de 7,05, mientras que en la Aisin AGA0 –que emplea, por ejemplo, el Lexus LC500– es de nada menos que 8,23.

Esta sucesión de ´desmentidos´ parece un culebrón, pero no seamos cínicos. Por un lado, los cambios automáticos han experimentado un montón de mejoras que han ido más allá de las mejores expectativas de los propios fabricantes. Y, por otro, las normativas sobre la reducción de las emisiones de CO2 han conseguido –y van a seguir logrando– que un montón de cosas impensables hace una década pasen a tener todo el sentido del mundo.

Desde el punto de vista de la ingeniería, los cambios de marcha automáticos han sufrido una evolución dramática, especialmente en lo que respecta a su ligereza y funcionamiento. Las cajas del pasado empleaban componentes de fundición y sistemas de control poco sofisticados. Eran increíblemente suaves y robustas, pero resultaban voluminosas y pesadas, y su funcionamiento era poco refinado desde el punto de vista del tacto de conducción. “En nuestra caja no empleamos componentes de hierro fundido”, explica Norris. “Utilizamos aceros de alta resistencia, componentes sinterizados –fabricados a base de metal en polvo con aglutinantes, que se prensa a alta temperatura–, aleaciones ligeras como el aluminio y el magnesio y, allí donde no hay cargas estructurales, materiales compuestos”. Teniendo en cuenta que el Camaro ZL1 monta esta nueva caja, y que está propulsado por el motor 6.2 V8 sobrealimentado de 650 CV y 880 Nm de par máximo del Corvette Z06, parece que podemos asegurar que es una caja bastante resistente…

A pesar de todo, las cajas no son más pesadas que en el pasado. Y, asombrosamente, tampoco son mucho más voluminosas. Según Ford, el objetivo era que su caja de 10 velocidades ocupara aproximadamente lo mismo que su anterior cambio automático de seis, el TorqShift.

Eso implicaba cierta dificultad, porque para pasar de seis a diez velocidades ha sido necesario incrementar de 3 a 4 el número de engranajes epicicloidales. Lograrlo ha requerido ir ganando milímetros aquí y allí. Por ejemplo, se ha reubicado la bomba de aceite; que ya no va intercalada en el eje de transmisión, y que cuenta con caudal variable para reducir el consumo, y un acumulador de presión para que la caja pueda operar cuando el sistema Stop?t para el motor. El convertidor de par –que es el elemento que permite arrancar suavemente– también se ha ´comprimido´, y ahora incorpora parte de los componentes del embrague de bloqueo –que sirve para eliminar el denominado ´resbalamiento´ –la variación del régimen del motor que no se traduce de manera inmediata en una variación de velocidad–, permitiendo ganar 10 mm adicionales.

Otro aspecto en el que se han obtenido mejoras notables es en el de la eficiencia; es decir, en la cantidad de energía que se pierde en la propia caja. Según Aisin, en el mejor de los casos, su caja sólo consume el 2% de la energía que transmite, alcanzando una eficiencia del 98% –los valores ´normales´ para cajas de cambio oscinal entre el 87% y el 95%–. Ese es un valor muy bueno –casi inmejorable– y muy relevante, teniendo en cuenta que las pérdidas por rozamiento del sistema completo de transmisión, trabajando a plena carga –por ejemplo, acelerando a fondo en un banco de potencia–, suelen oscilar entre el 15% y el 20% de la potencia total.

Aunque, probablemente, el factor clave de cara a la aceptación por parte de los consumidores sea la mejora del tacto. Las cajas automáticas por convertidor de par siempre han transmitido una profunda sensación de desconexión con el motor. Esa sensación es derivada de la inercia de sus engranajes y de la suavidad del acoplamiento de los embragues que se abren y cierran para cambiar de marcha –por ejemplo, la caja de Ford cuenta con cuatro embragues y dos frenos, mientras que la ZF 8HP cuenta con dos frenos y tres embragues–. Mejorar el tacto requiere reducir las tolerancia, perfeccionar la hidráulica e incrementar el número de sensores. Por ejemplo, la caja de Ford emplea sensores de velocidad para cada uno de sus engranajes, mientras que las anteriores deducían la velocidad de algunos engranajes a partir de la de otros.

¿Podemos garantizar que no veremos una próxima generación de cajas automáticas de doce velocidades? Desde luego que no. En realidad, viendo que todos los pronósticos anteriores fracasaron, es probable que ocurra. Eso sí… con tantas marchas, va a hacer falta algún mecanismo alternativo a las levas para no volvernos locos…

El problema de la eficiencia

¿Por qué necesitamos –muchas– marchas? Los motores de combustión, ya sea gasolina o diésel, tienen una flaqueza muy importante: son capaces de entregar bastante potencia… pero sólo logran funcionar de forma eficiente en una zona estrecha de su rango de revoluciones. De manera que, para reducir el consumo al mínimo, debemos mantener las revoluciones lo más cerca posible de ese punto ‘dulce’ en el que funcionan ‘bien’.

Aunque, la razón de fondo, son las emisiones de CO2. La normativa europea sobre emisiones de CO2 establece que las emisiones medias de los fabricantes deben reducirse de forma paulatina de los 130 gramos actuales hasta los 95 gramos en el año 2020. Por otro lado, el reciente cambio del ciclo de homologación por uno más exigente, el WLTP, va a suponer un incremento en las cifras de CO2 homologadas, debido a que contempla aceleraciones y velocidades máximas más elevadas.

Ambos efectos, combinados, se traducen en que los fabricantes necesitan lograr que sus motores puedan ´llanear´ a bajísimas vueltas y acelerar cerca del régimen de máxima eficiencia –que suele rondar el de par máximo–. Eso se consigue teniendo las marchas más largas posibles… y muchas marchas. Los cambios de diez velocidades permiten llanear a 90 km/h con el motor girando a 1.200 rpm… y ofrecer una quinta velocidad equivalente a una tercera de un cambio de seis velocidades, lo que mejora la eficiencia durante las aceleraciones… y también las cifras de prestaciones.

La nueva caja del Mustang

Ford ofrece la caja de diez velocidades, en sustitución de la anterior de seis, en las dos motorizaciones europeas del Mustang, los renovados 2.3 EcoBoost de 290 CV, y 5.0 V8 con 450 CV. En ambos casos se emplean idénticas relaciones de cambio aunque los desarrollos son algo más largos en el V8 debido al mayor diámetro de los neumáticos.

¿Para qué sirve? Sobre el papel, cumple su cometido en lo referente a prestaciones y reducción de las emisiones; centrándonos en el V8, rebaja la aceleración de 0 a 100 km/h en 0,5 segundos –una mejora bastante notable– y las emisiones de CO2 de 281 a 270 g/km.

¿Cómo funciona? No es especialmente rápida en la transición entre marchas y, en modo manual, obliga a anticipar los cambios mucho más de lo deseado. La suavidad tampoco es su fuerte, especialmente al reducir a segunda o tercera. Por otra parte, las dos últimas relaciones tienen un desarrollo prácticamente idéntico: a 120 km/h, el motor gira a 2.158 rpm en novena y a 2.000 rpm en décima.

¿Por qué epicicloidal?

El tipo de caja automática más eficiente que existe en la actualidad es la de doble embrague. Básicamente consiste en dos cajas manuales funcionando en paralelo; una encargada de las marchas pares y la otra de las impares.

En esta clase de caja, el movimiento entra por un eje, atraviesa un ´par de engranajes´ –por aquello de que son dos– y sale por un segundo eje. Como pueden conseguirse eficiencias entre pares de engranajes de 99,8%, esta es la alternativa más eficiente y ligera. Sin embargo, todas las cajas de las que estamos hablando en este reportaje emplean un convertidor de par y engranajes epicicloidales… Y la pregunta que cualquiera debe hacerse es… ¿por qué?

¡Diez marchas no caben! En un cambio de pares de engranajes, hay que añadir un par de engranajes por cada nueva marcha que quieras introducir. Eso significa que, para tener diez marchas, necesitas diez pares de engranajes… uno detrás de otro. ¿El problema? Una caja de diez marchas sería más larga que un día sin pan.

Existen trucos, pero son complejos, como por ejemplo montar tres ejes paralelos en lugar de dos. Hay cambios automáticos de doble embrague como las cajas DTC de seis velocidades de Getrag que recurren a él para ahorrarse un par de engranajes: carecen de primera velocidad, y la ´generan´ mediante una cascada de engranajes que pasa por segunda, quinta y sexta.

El epicicloidal es un engranaje ‘superdotado’

Un par de engranajes tiene dos ruedas dentadas engranadas, con una velocidad de entrada y otra de salida. Sin embargo, un engranaje epicicloidal o planetario tiene tres ruedas dentadas y tres velocidades de entrada. Eso significa que podemos extraer tres relaciones de transmisión y, combinándolos en cascada, podemos conseguir muchas más velocidades en mucho menos espacio que usando pares de engranajes.

Menudo caos, ¿no? Desde luego que sí. De hecho, en el caso de la caja de Aisin, que emplea cuatro epicicloidales, junto con cuatro embragues y dos frenos, existen literalmente billones de combinaciones diferentes para obtener diez velocidades… y, hasta que los ordenadores no han permitido realizar miles y miles de simulaciones, no ha sido posible construir una caja tan terriblemente sofisticada y compacta.

¿Y por qué no un variador continuo?

Los cambios de variador continuo –Continiously Variable Transmission– emplean dos poleas de diámetro variable para crear infinitas relaciones de transmisión. Se trata de una idea antigua –la patentó Mercedes hace 118 años–… que no acaba de despegar. Y no por falta de impulso: Audi y Luk lo intentaron, en 1999, con el cambio Multitronic. Y allá por 2001, BMW lo aplicó en Mini. De hecho, en 2003, un 15% de los modelos a la venta en el mundo empleaban una CVT.

Las CVT pueden adaptar la relación de transmisión ‘sobre la marcha’, de manera que pueden hacer que el motor funcione siempre cerca de su punto óptimo. Sin embargo, arrastran tres estigmas. El primero, es que ofrecen la peor eficiencia de todas, con cifras que rondan el 87%. El segundo es el de haber sido empleados en coches muy baratos y con resultados mejorables. Y el tercero, tal como explica Óscar Sarmiento, jefe de transmisiones de Continental, es que “las CVT desvinculan las revoluciones del motor respecto de la velocidad del coche –es decir, el régimen no aumenta al mismo ritmo que la velocidad, como ocurre en casi todos los scooters, que utilizan este tipo de transmisiones–, y eso no le gusta a los clientes”.

No obstante, existe una aplicación en la que las CVT podrían brillar en el futuro: los híbridos enchufables. En esos modelos, se procura que el motor térmico, cuando funciona, lo haga en su punto óptimo. Y no importa que se genere más energía de la necesaria para avanzar… porque se almacena en las baterías para emplearla más tarde.