Una caja de cambios preselectora es un tipo de transmisión manual utilizada principalmente en automóviles de pasajeros y automóviles de carreras en la década de 1930, en autobuses entre 1940 y 1960 y en vehículos blindados entre la década de 1930 y la de 1970. La característica definitoria de una caja de cambios preselectora es que la palanca de cambios permitía al conductor "preseleccionar" la siguiente marcha, normalmente con la transmisión permaneciendo en la marcha actual hasta que el conductor presionara el "pedal de cambio de marcha" en el momento deseado.
El diseño eliminó la necesidad de que el conductor dominara el tiempo de uso del pedal del embrague y la palanca de cambios para lograr un cambio suave en una transmisión manual no sincronizada. [1] La mayoría de las transmisiones con preselector evitan por completo el embrague controlado por el conductor. Algunas lo utilizan únicamente para arrancar desde parado. [2] Las cajas de cambios con preselector eran las más comunes antes de la adopción generalizada de la transmisión automática, por lo que se consideraron en comparación con el tipo de transmisión manual de " caja de cambios de choque ".
Las cajas de cambios con preselector se comercializaban a menudo como cajas de cambios "autocambiantes", [1] sin embargo, esta es una descripción inexacta, ya que el conductor debe elegir la marcha (y, a menudo, accionar manualmente el cambio de marcha). Una transmisión automática es una verdadera "caja de cambios autocambiante", ya que puede cambiar de marcha sin la intervención del conductor.
Existen varios diseños mecánicos radicalmente diferentes de cajas de cambios con preselector. El más conocido es el diseño de Wilson. [3] Algunas cajas de cambios, como la Cotal, cambian de marcha inmediatamente al mover el control, sin necesidad de utilizar el pedal de cambio de marchas independiente.
En comparación con las transmisiones manuales contemporáneas (no sincronizadas ), las cajas de cambios con preselector eran más fáciles de manejar para los conductores, ya que no requerían técnicas como el doble desembrague . Las cajas de cambios con preselector también tenían tiempos de cambio más rápidos, podían manejar mayores potencias y tenían menos masa y podían cambiar de marcha bajo carga. [ cita requerida ]
Una ventaja de diseño de muchas cajas de cambios con preselector es que los componentes de fricción son frenos [ 4] en lugar de embragues . Esto significa que se pueden utilizar bandas de freno no giratorias para las piezas que están sujetas a desgaste, lo que da como resultado un diseño más simple que un componente giratorio como un embrague típico. Los componentes de desgaste también se pueden montar en el exterior del mecanismo (en lugar de estar enterrados en él), lo que proporciona un acceso más fácil para el mantenimiento y el ajuste.
El tipo más común de caja de cambios con preselector era la Wilson, que utilizaba un diseño epicicloidal . [5] [6] Un precursor de la caja de cambios Wilson fue la caja de cambios epicicloidal controlada manualmente utilizada en los automóviles Wilson-Pilcher de 1901-1904 construidos en el Reino Unido. Uno de los directores de la compañía, Walter Gordon Wilson , se había convertido en un defensor de los beneficios de la caja de cambios epicicloidal, que permitía transmitir grandes pares sin dejar de ser controlable a través de una pequeña fuerza de entrada. [7] Walter Wilson fue un importante co-inventor del tanque blindado durante y después de la Primera Guerra Mundial , [8] y fue responsable del tanque británico Mark V de 1918 que utilizaba una caja de cambios de dirección epicicloidal. [7] [9] La Lanchester Motor Company en el Reino Unido también produjo automóviles con cajas de cambios epicicloidales controladas manualmente a partir de 1900 y construyó un tanque experimental (la Lanchester Gearbox Machine o Experimental Machine K ) equipado con una caja de cambios epicicloidal. [10]
Walter Wilson continuó experimentando con cajas de cambios epicicloidales para automóviles y en 1928 inventó su "caja de cambios Wilson". Walter y uno de los copropietarios de Armstrong Siddeley Motors formaron la empresa Self-Changing Gears Ltd. (inicialmente llamada Improved Gears Ltd. ) para diseñar y construir la caja de cambios Wilson. [11] El Armstrong Siddeley Thirty de 1929 fue uno de los primeros automóviles en utilizar la caja de cambios Wilson. [12] La caja de cambios también fue construida bajo licencia por otros fabricantes, incluidos Cord, ERA, Daimler y Maybach. [13] [14]
El conductor preseleccionaba la siguiente marcha usando una palanca montada en el volante, luego presionaba el 'pedal de cambio de marcha' (a menudo ubicado en lugar del pedal de embrague habitual ) para activar el cambio de marcha en el momento deseado. [15] [16]
La caja de cambios Wilson se produjo con una variedad de embragues. El más conocido es el volante de inercia de fluido , utilizado para turismos como el Daimler (Armstrong Siddeley utilizó un embrague centrífugo). [2] Los coches deportivos utilizaban un embrague centrífugo Newton . [2] Este era un embrague seco de múltiples placas , similar a los embragues manuales de carreras de la época, pero con la placa de presión accionada centrífugamente para acoplarse alrededor de las 600 rpm. [17] Los coches de carreras puros, como el ERA , evitaban el embrague por completo y dependían del acoplamiento progresivo del freno de banda de la caja de cambios en la marcha más baja al arrancar. [2] Cuando estaba equipado con un embrague centrífugo o un acoplamiento de fluido, arrancar desde parado implicaba simplemente seleccionar la primera marcha, luego el embrague se acoplaba automáticamente una vez que se presionaba el pedal del acelerador. En otros coches, el pedal de cambio de marcha funcionaba como un embrague al arrancar desde parado.
La caja de cambios Wilson se basaba en una serie de engranajes epicicloidales, acoplados de una manera ingeniosa que también fue invención de Wilson. Los engranajes sucesivos funcionaban combinando o "reduciendo la reducción" proporcionada por el engranaje anterior. [18] Se requería un epicicloidal separado para cada engranaje intermedio, con un embrague cónico para el engranaje superior directo y otro epicicloidal para la marcha atrás. [19] Se proporcionaron cuatro engranajes, en una época en la que muchos automóviles (especialmente los estadounidenses) generalmente solo tenían una caja de cambios de tres velocidades. Esto se debió al mercado deportivo, o incluso de carreras, para la caja de cambios Wilson, de modo que las relaciones podían estar más espaciadas . Aunque esta misma disposición de epicicloidales se convertiría en el precursor de la transmisión automática de posguerra, [2] el uso de un convertidor de par en la transmisión automática, junto con la amplia banda de potencia y el exceso de potencia de los motores V8 estadounidenses, significaba que eran aceptables relaciones más espaciadas, y por lo tanto menos. A diferencia de las cajas de cambios "crash" de la primera mitad del siglo XX, las ruedas dentadas de una caja preselectora están permanentemente engranadas en una disposición epicicloidal .
El cambio de marchas con la caja Wilson dependía del control de las bandas de freno que mantenían el anillo de cada epicicloidal en una posición fija. La banda de freno que se iba a seleccionar se controlaba mediante una leva giratoria, movida por la palanca de cambios. Solo se activaba una banda para cada selección de marcha. Esta pequeña palanca operada manualmente no podía proporcionar suficiente potencia para activar y bloquear la banda de freno, de ahí la necesidad del pedal. El movimiento real de las bandas de freno se controlaba mediante el mecanismo de "palanca", una característica distintiva del diseño de Wilson. [19] Cuando se presionaba y soltaba el pedal, una serie o "barra colectora" de palancas similares a dedos se presionaban hacia arriba mediante un fuerte resorte helicoidal, contra una serie de varillajes ligeros o "puntales operativos". [20] La posición de cada varillaje se controlaba mediante el árbol de levas de selección de marchas. Si la leva (para cada marcha) mantenía el varillaje en su lugar, en lugar de permitir que se balanceara fuera del camino, el dedo de la barra colectora presionaría, a través del puntal operativo, sobre los palancajes que controlaban las propias bandas de freno. Estos elementos de palanca proporcionaban el efecto de palanca adicional necesario para mantener la banda de freno en su lugar, bajo la fuerza del resorte helicoidal, hasta que se presionara nuevamente el pedal. Otra característica del diseño de Wilson era el uso de tuercas autoajustables en cada banda, para compensar el desgaste. La acción de acoplar y desacoplar cada banda era suficiente para hacer avanzar las tuercas de trinquete y, de ese modo, ajustar el desgaste al absorber cualquier holgura. [19] [20]
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Durante las décadas de 1920 y 1930, varios fabricantes de automóviles de lujo franceses utilizaron cajas de cambios con preselector de tres o cuatro velocidades fabricadas por Cotal. Un aspecto único de la caja de cambios de Cotal era el uso de embragues electromagnéticos (en lugar de frenos de banda) para acoplar las marchas. [21] Una desventaja de este enfoque era que una pérdida de potencia eléctrica significaba que el motor ya no podía impulsar las ruedas. Los embragues se controlaban mediante un simple interruptor montado en el tablero de instrumentos o en la columna, descrito como "una cereza en un palillo de cóctel", [2] y relés. No había acción servo mecánica, por lo que no eran necesarios los arreglos de levas o palancas de Wilson ni el pedal de cambio de marchas.
Durante la década de 1930, los automóviles Humber estaban equipados con una caja de cambios preselectora de cuatro velocidades producida por Laycock-de Normanville . [22] Era muy similar a la Wilson, pero utilizaba un accionamiento hidráulico directo de las bandas de freno (seleccionadas a través de una palanca en la columna de dirección), evitando así la necesidad de un pedal de cambio de marchas.
Varios automóviles Talbot de la década de 1930 (como el Talbot AX65 Darracq de 1932-1935 ) utilizaban una "caja de cambios de aceleración" diseñada por Georges Roesch, basada en las patentes de Wilson. [23] [24] [25] La caja de cambios de Roesch fue revisada en gran medida tanto en diseño como en materiales, lo que dio como resultado una caja de cambios más ligera que podía soportar tres veces la potencia de la caja de cambios de Wilson. [26] [27]
Esta caja de cambios preseleccionaría automáticamente la primera marcha cuando se engranara la marcha atrás. Al engranar la segunda marcha, la caja de cambios preseleccionaría la tercera, y la cuarta cuando se engranara la tercera. [2] Luego, alternaría entre tercera y cuarta marcha hasta que se preseleccionara otra marcha manualmente. [28] Las versiones iniciales se produjeron sin ningún tipo de embrague, sin embargo, pronto se agregó un embrague centrífugo al diseño. Descrito por Talbot como el "embrague de tráfico". [27] Este era un dispositivo simple, con dos zapatas oscilantes radialmente (similar a un freno de tambor).
Una de las primeras cajas de cambios con preselector fue un prototipo de caja de cambios de motocicleta de tres velocidades patentada por Marcel Viratelle en Francia en 1906. El diseño y la producción eran muy compactos. [29] [30] [31]
El tanque blindado alemán Tiger I de 1942-1945 utilizaba una especie de caja de cambios preselectiva construida por Maybach y que ofrecía ocho relaciones. El mecanismo de cambio era hidráulico, para reducir el esfuerzo del conductor. Los embragues se utilizaban en combinaciones, lo que permitía muchas más relaciones que los actuadores. Había tres cilindros hidráulicos, cada uno con dos posiciones y embragues de garras de control para trenes de engranajes dispuestos en cuatro ejes. Los cilindros se controlaban mediante una válvula rotativa en una palanca de cambios de cuadrante simple y se activaban empujando la palanca lateralmente hacia su compuerta. La combinación de los tres cilindros permitía ocho relaciones diferentes, aunque en reversa se limitaban a solo las cuatro más bajas. [32] Cuando los británicos estudiaron un tanque Tiger I capturado en 1943, el informe sobre la caja de cambios lo llevó a cabo Armstrong Siddeley Motors. [33]
Una caja de cambios multiembrague evita las dificultades de cambiar de marcha, ya que no es necesario hacerlo . Funciona como varias cajas de cambios independientes, cada una controlada por un embrague independiente, interconectadas para evitar la selección múltiple. La selección de una marcha es una cuestión de seleccionar el embrague adecuado. Una ventaja de este tipo es que es fácil de configurar el funcionamiento a distancia, ya que no hay una conexión de cambio de marcha como tal, sino solo una duplicación de la conexión del embrague.
Este tipo de caja de cambios apareció en las pruebas de caja de cambios Oldbury de marzo de 1917, en las que se probaban diferentes transmisiones en ocho tanques pesados británicos . [8] Cada relación tiene su propio eje y su propio embrague. Siempre que los embragues estén interconectados de modo que solo se pueda acoplar uno a la vez, el sistema es sencillo.
A principios de la década de 1980, esta transmisión se desarrolló para los autobuses urbanos en el Reino Unido como Maxwell , con una caja de cambios de cuatro velocidades. Los autobuses del Reino Unido son en su mayoría de dos pisos con motores transversales montados en la parte trasera. [34] Su uso también implica mucha conducción con paradas y arranques, por lo que el desgaste del embrague es importante para las cajas de cambios convencionales. La ventaja de esta disposición era el uso de cuatro embragues, todos ellos de fácil mantenimiento desde fuera del conjunto del motor, sin necesidad de quitar el motor. Los embragues eran embragues húmedos multidisco con suministro de aceite. Las primeras cajas de cambios se ganaron una reputación de falta de fiabilidad y en 1985 los desarrolladores originales, Brockhouse, las licenciaron a Avon Maxwell Transmissions. Una versión desarrollada, con una bomba de aceite agrandada, estaba disponible como modernización para la mayoría de los autobuses del Reino Unido. [35] Una característica inusual de esta caja de cambios era la capacidad de acoplar la primera y la segunda marcha simultáneamente. Esto actuaba como un retardador hidráulico de 50 hp .
La idea de cambiar de marcha rápidamente sólo con el embrague también se ha desarrollado en los últimos coches de alto rendimiento, como la transmisión de doble embrague. Esta combina la simplicidad de una caja de cambios con los cambios rápidos de un diseño basado en embrague. Hay dos cajas de cambios independientes, cada una de las cuales ofrece relaciones alternativas del conjunto general, y los dos embragues seleccionan qué caja de cambios está en vigor. Los cambios dentro de la caja de cambios se realizan automáticamente, para predecir qué relación necesitará el conductor a continuación. Siempre que se haya seleccionado correctamente la siguiente relación (es decir, que la computadora haya adivinado correctamente si se trata de un cambio a una marcha superior o inferior), el cambio en sí es simplemente un movimiento rápido del embrague. Sin embargo, los cambios inesperados pueden confundir al sistema y debe seleccionar primero la relación correcta antes de acoplar el embrague, lo que da como resultado un cambio mucho más lento.
Las transmisiones semiautomáticas, generalmente en forma de transmisiones manuales sin embrague , solo automatizan el sistema de embrague y han utilizado varios sistemas de control diferentes para facilitar el funcionamiento del embrague, aunque aún requieren la intervención del conductor para cambiar de marcha manualmente. Estos sistemas fueron introducidos por numerosos fabricantes de automóviles de producción, antes de la llegada y producción de transmisiones automáticas hidráulicas , a partir de mediados de la década de 1930, hasta principios y mediados de la década de 1990. Estos sistemas eliminarían por completo el pedal del embrague, o lo conservarían, pero solo se requeriría que el embrague se operara para realizar arranques desde una posición estacionaria, no para cambiar de marcha.
Posteriormente se introdujeron más avances y desarrollos, y se han utilizado varios otros métodos para automatizar el proceso de funcionamiento del embrague y la selección de marchas simultáneamente, sobre todo con la moderna transmisión manual automatizada , introducida por varios fabricantes de automóviles en la década de 1990, pero iniciada por Isuzu , con su transmisión NAVi5 , en 1985.
Las cajas de cambios preselectoras se utilizaron en varios coches de carreras y motocicletas, incluidos los Seis Días de Trial Internacional de 1921 y 1922 (Suiza), donde las motocicletas Marcel Viratelle participaron con motocicletas de serie; la ERA R4D de 1935 , [43] y coches de escalada como los Auto Union 'Silver Arrows' de los años 30 .
Varios autobuses construidos en el Reino Unido entre 1940 y 1960 tenían transmisión con preselector, incluidos los construidos por Leyland, [44] Daimler y AEC. El tipo AEC RT , un autobús comúnmente utilizado en Londres durante este período, utilizaba aire comprimido para accionar los cambios de marcha, [45] [46] mientras que otras cajas de cambios utilizaban accionamiento mecánico.
El funcionamiento típico de los autobuses londinenses era que tenían una primera marcha muy baja, que solo se utilizaba en cuestas, por lo que el conductor, al arrancar, seleccionaba la segunda marcha, pisaba y soltaba el pedal de cambio de marcha para acoplar la transmisión y, a continuación, seleccionaba la tercera, lista para cambiar de marcha en movimiento, todo esto se hacía mientras el autobús todavía estaba parado. Al arrancar, solo se presionaba el pedal del acelerador y, para cambiar a la tercera marcha, simplemente se presionaba el pedal de cambio de marcha.
Los autobuses preselectorales también se exportaron a varios países: el AEC Regent III con cajas de cambios tipo Wilson se utilizó en Australia Occidental durante 25 años como parte de la flota de transporte público desde 1950 hasta 1976. [47]
Algunas motocicletas James de la década de 1950 se construyeron con motores Villiers y una caja de cambios con preselector. [ cita requerida ] Se operaban presionando el pedal de cambio hacia abajo para seleccionar la 1.ª marcha, luego tirando de la palanca del embrague y, al regresar, la marcha se acoplaba y avanzaba. Al presionar nuevamente el pedal de cambio se seleccionaba la 2.ª marcha, que se acoplaba solo después de haber tirado nuevamente de la palanca.
Algunos de los primeros vagones con motor de gasolina y diésel de la década de 1930 utilizaban la caja de cambios con preselector Wilson. Los vagones GWR 'Flying Banana' con motor AEC tenían una caja de cambios de este tipo. [49]