La sobremarcha es el funcionamiento de un automóvil a velocidad sostenida con una velocidad del motor (rpm) reducida, lo que conduce a un mejor consumo de combustible, menor ruido y menor desgaste. [1] El término es ambiguo. [1] El significado más fundamental es el de una relación de transmisión general entre el motor y las ruedas, tal que el automóvil está sobreengranado y no puede alcanzar su velocidad máxima potencial, es decir, el automóvil podría viajar más rápido si estuviera en una velocidad más baja. con el motor girando a mayores RPM. [1]
La potencia producida por un motor aumenta con las RPM del motor hasta un máximo y luego disminuye. El punto de potencia máxima es algo inferior al régimen máximo absoluto del motor al que está limitado, la " redline ". La velocidad de un automóvil está limitada por la potencia necesaria para impulsarlo contra la resistencia del aire, que aumenta con la velocidad. A la máxima velocidad posible, el motor funciona en su punto de máxima potencia, o pico de potencia , y el automóvil viaja a la velocidad en la que la resistencia del aire es igual a esa potencia máxima. Por tanto, existe una relación de transmisión específica a la que el coche puede alcanzar su velocidad máxima: aquella que hace coincidir ese régimen del motor con esa velocidad de desplazamiento. [1] A velocidades de desplazamiento por debajo de este máximo, existe una variedad de relaciones de transmisión que pueden igualar la potencia del motor con la resistencia del aire, y la más eficiente en combustible es la que resulta en la velocidad más baja del motor. Por lo tanto, un automóvil necesita una marcha para alcanzar la velocidad máxima pero otra para alcanzar la máxima eficiencia de combustible a una velocidad más baja.
Con el desarrollo inicial de los automóviles y el diseño casi universal de tracción trasera , se eligió la relación de transmisión final (es decir, el eje trasero ) para los automóviles rápidos para obtener la relación de velocidad máxima. La caja de cambios fue diseñada de modo que, para lograr eficiencia, la relación más rápida fuera una relación de 1:1 de "transmisión directa" o "directa", evitando pérdidas por fricción en los engranajes. Por lo tanto, lograr una relación de sobremarcha para crucero requería una relación de caja de cambios incluso mayor que esta, es decir, que el eje de salida de la caja de cambios girara más rápido que el motor. Por lo tanto, el eje de la hélice que une la caja de cambios y el eje trasero está sobremarcha, y una transmisión capaz de hacer esto pasó a denominarse transmisión de "sobremarcha". [1]
El dispositivo para lograr una transmisión de sobremarcha era normalmente una pequeña caja de cambios separada, unida a la parte trasera de la caja de cambios principal y controlada por su propia palanca de cambios. [1] Estos eran a menudo opcionales en algunos modelos del mismo automóvil.
A medida que los automóviles populares se volvieron más rápidos en relación con los límites legales y los costos de combustible se volvieron más importantes, particularmente después de la crisis del petróleo de 1973 , el uso de cajas de cambios de cinco velocidades se volvió más común en los automóviles del mercado masivo. Estos tenían una cuarta marcha directa (1:1) con una quinta marcha con sobremarcha, reemplazando la necesidad de una caja de cambios con sobremarcha separada. [1]
Con la popularidad de los automóviles con tracción delantera , la caja de cambios separada y la transmisión final se han fusionado en un solo transeje . Ya no existe un eje de transmisión, por lo que ya no se puede aplicar el significado de "sobremarcha". Sin embargo, el significado fundamental, el de una relación total superior a la relación para la velocidad máxima, sigue siendo válido: las marchas más altas, con relaciones superiores a 1:1, se denominan "marchas de sobremarcha". [1]
La potencia necesaria para propulsar un automóvil en cualquier conjunto de condiciones y velocidad es sencilla de calcular, basándose principalmente en el peso total y la velocidad del vehículo. Estos producen dos fuerzas principales que frenan el automóvil: la resistencia a la rodadura y la resistencia del aire . El primero varía aproximadamente con la velocidad del vehículo, mientras que el segundo varía con el cuadrado de la velocidad. Calcularlos a partir de los primeros principios suele ser difícil debido a una variedad de factores del mundo real, por lo que a menudo se mide directamente en túneles de viento y sistemas similares.
La potencia producida por un motor aumenta con las RPM del motor hasta un máximo y luego disminuye. Esto se conoce como el punto de máxima potencia . Dada una curva que describe la resistencia total del vehículo, es sencillo encontrar la velocidad a la cual las fuerzas de resistencia totales son iguales a la potencia máxima del motor. Esto define la velocidad máxima que el vehículo es capaz de alcanzar. La velocidad de rotación de las ruedas para esa velocidad de avance dada es fácil de calcular, multiplicando la circunferencia del neumático por las RPM. [a] Como las RPM de los neumáticos a velocidad máxima no son las mismas que las RPM del motor a esa potencia, se utiliza una transmisión con una relación de transmisión para convertir una a la otra. [b]
Incluso a velocidades ligeramente más bajas que la máxima, la resistencia total del vehículo es considerablemente menor y el motor necesita entregar esta cantidad de potencia muy reducida. En este caso las RPM del motor han cambiado significativamente mientras que las RPM de las ruedas han cambiado muy poco. Claramente esta condición exige una relación de transmisión diferente. Si no se suministra uno, el motor se ve obligado a funcionar a unas RPM superiores a las óptimas. Como el motor requiere más potencia para superar la fricción interna a mayores RPM, esto significa que se utiliza más combustible simplemente para mantener el motor funcionando a esta velocidad. Cada ciclo del motor provoca desgaste, por lo que mantener el motor a mayores RPM también es desfavorable para su vida útil. Además, el sonido de un motor está fuertemente relacionado con las RPM, por lo que funcionar a RPM más bajas es generalmente más silencioso. [1]
Si uno ejecuta el mismo ejercicio de transmisión de RPM descrito anteriormente para la velocidad máxima, pero en lugar de eso establece la "velocidad máxima" en la de crucero en carretera, el resultado es una relación de transmisión más alta que proporciona un consumo de combustible ideal. En una época en la que los automóviles no podían viajar muy rápido, el punto de máxima potencia podría estar lo suficientemente cerca de la velocidad deseada como para que no se necesitaran marchas adicionales. Pero a medida que aparecieron coches más potentes, especialmente durante la década de 1960, esta disparidad entre el punto de máxima potencia y la velocidad deseada creció considerablemente. Esto significaba que los coches a menudo funcionaban lejos de su punto más eficiente. A medida que crecía el deseo de una mejor economía de combustible , especialmente después de la crisis del petróleo de 1973 , la necesidad de un "marcha de crucero" se hizo más apremiante. [1]
La solución obvia a este problema sería agregar más marchas a la transmisión. De hecho, en los vehículos modernos esto es común. Sin embargo, debido a particularidades históricas, esto no siempre fue práctico.
En el diseño convencional de tracción trasera , el sistema de transmisión normalmente contenía dos secciones, la "caja de cambios" o "transmisión" montada detrás del motor y la "transmisión final" montada en el eje trasero en la parte trasera del automóvil. La razón de esta separación de funciones entre la parte delantera y trasera del automóvil era permitir que el eje de transmisión funcionara con un par más bajo, utilizando RPM más altas. Como la potencia es el producto de las RPM y el par , hacer funcionar el eje a RPM más altas permitió transferir más potencia a un par más bajo. Al hacerlo, se redujo el torque que tenía que soportar el eje de transmisión y, por lo tanto, la resistencia y el peso requeridos.
Aunque en teoría el diseñador era libre de elegir cualquier relación para la caja de cambios y la transmisión final, hay una consideración adicional que significaba que la marcha superior de la mayoría de las cajas de cambios era 1:1 o "transmisión directa". Se elige por motivos de eficiencia, ya que no requiere ningún engranaje para transmitir potencia y, por lo tanto, reduce la potencia perdida por ellos. Esto fue particularmente importante en los primeros días de los automóviles, ya que sus engranajes de corte recto tenían malos acabados, eran ruidosos e ineficientes. Luego, el mando final tomó esta salida y la ajustó en una disposición de transmisión de relación fija que era mucho más sencilla de construir. Las relaciones de transmisión final de 4:1 eran comunes, [c] lo que significa que las ruedas girarían a un cuarto de la velocidad que lo harían si estuvieran conectadas directamente al motor.
En una era en la que se podían acomodar diferentes modelos de automóviles con diferentes tamaños de ruedas simplemente cambiando la relación de transmisión final, tenía sentido que todas las transmisiones usaran la transmisión directa como la marcha más alta. Sin embargo, como se señaló anteriormente, esto haría que el motor funcionara a RPM demasiado altas para una velocidad de crucero eficiente. Aunque era posible agregar la marcha de crucero a la caja de cambios principal, en general era más sencillo agregar un sistema de sobremarcha de dos marchas separado a la caja de cambios existente. Esto no sólo significaba que podía adaptarse a diferentes vehículos, sino que tenía la ventaja adicional de que podía ofrecerse como una opción de fácil instalación.
Con el uso de diseños de tracción delantera, la caja de cambios y la transmisión final se combinan en un solo transeje. Ya no hay un eje de transmisión entre ellos, por lo que el concepto de "accionamiento directo" ya no es aplicable. Aunque todavía se hace referencia a "sobremarcha", ahora es principalmente un término de marketing para referirse a cualquier relación extra alta para una conducción eficiente, ya sea que se logre a través de las relaciones de la caja de cambios o mediante una transmisión final inusualmente alta. [d]
En términos generales, la sobremarcha es la marcha más alta de la transmisión. La sobremarcha permite que el motor funcione a RPM más bajas para una velocidad de carretera determinada. Esto permite que el vehículo logre una mejor eficiencia de combustible y, a menudo, un funcionamiento más silencioso en la carretera. Cuando está activada, una transmisión automática puede cambiar al modo de sobremarcha después de alcanzar una determinada velocidad (normalmente más de 70 km/h [40-45 mph o más], dependiendo de la carga). Cuando está apagado, los cambios de la transmisión automática se limitan a las marchas más bajas. Por lo general, se debe seleccionar la sobremarcha cuando la velocidad promedio es superior a 70 km/h (40-45 mph).
La transmisión automática cambia automáticamente de OD a transmisión directa cuando hay más carga. Cuando hay menos carga, vuelve a OD. En determinadas condiciones, por ejemplo, al conducir cuesta arriba o remolcar un remolque, la transmisión puede "buscar" entre OD y la siguiente marcha más alta, cambiando hacia adelante y hacia atrás. En este caso, apagarlo puede ayudar a que la transmisión "decida". También puede resultar ventajoso desactivarlo si se desea frenar el motor , por ejemplo al conducir cuesta abajo. El manual del propietario del vehículo a menudo contendrá información y procedimientos adecuados con respecto a tales situaciones, para cada vehículo determinado.
Prácticamente todos los vehículos (automóviles y camiones) tienen sobremarcha hoy en día, ya sea con transmisión manual o automática. En el mercado de repuestos para automóviles también se puede adaptar la sobremarcha a las primeras transmisiones existentes. La sobremarcha se usó ampliamente en los automóviles europeos con transmisión manual en los años 60 y 70 para mejorar el kilometraje y la conducción deportiva como una opción atornillada, pero se volvió cada vez más común que las transmisiones posteriores tuvieran esta marcha incorporada. Si un vehículo está equipado con un La sobremarcha atornillada (por ejemplo: GKN o Gear Vendors), en lugar de tener una sobremarcha incorporada, normalmente tendrá la opción de usar la sobremarcha en más marchas además de la marcha superior. En este caso, el cambio de marchas sigue siendo posible en todas las marchas, incluso con la sobremarcha desconectada. La sobremarcha simplemente agrega rangos efectivos a las marchas, por lo que la sobremarcha tercera y cuarta se convierten en efecto en "tercera y media" y quinta marcha. En la práctica, esto proporciona al conductor más relaciones que están más juntas, lo que proporciona una mayor flexibilidad, especialmente en coches de alto rendimiento.
Una sobremarcha consiste en un tren de engranajes epicicloidal operado eléctrica o hidráulicamente atornillado detrás de la unidad de transmisión . Puede acoplar el eje de transmisión de entrada directamente al eje de salida (o eje de hélice ) (1:1) o aumentar la velocidad de salida para que gire más rápido que el eje de entrada (1:1 + n ). Por lo tanto, el eje de salida puede estar "sobreaccionado" con respecto al eje de entrada. En las transmisiones más nuevas, las velocidades de sobremarcha suelen ser el resultado de combinaciones de juegos de engranajes planetarios/epicíclicos que están integrados en la transmisión. Por ejemplo, la transmisión ZF 8HP tiene 8 marchas hacia adelante, dos de las cuales son relaciones de transmisión de sobremarcha (< 1:1). En los vehículos más antiguos, a veces se acciona mediante una perilla o botón, a menudo incorporado en la perilla de la palanca de cambios, y no requiere la operación del embrague . Los vehículos más nuevos tienen sobremarcha electrónica en la que la computadora se ajusta automáticamente a las condiciones de carga y necesidad de energía.
La gran mayoría de los overdrives de los automóviles europeos fueron inventados y desarrollados por Edgar de Normanville , [2] y fabricados por la empresa inglesa Laycock Engineering (más tarde GKN Laycock), en su sitio de Little London Road en Sheffield . El sistema ideado por De Normanville fue adoptado y fabricado por Laycock después de su encuentro casual con un ingeniero de productos de Laycock. Las sobremarchas De Normanville se encontraron en vehículos fabricados por Standard-Triumph , que fueron los primeros, seguidos por Ford , BMC y British Leyland , Jaguar , Rootes Group y Volvo , por nombrar sólo algunos. Otra empresa británica, el antiguo constructor de aviones Fairey , construyó para el Land Rover una exitosa unidad totalmente mecánica , que todavía hoy se produce en Estados Unidos.
El primer vehículo de producción que presentó el sistema Laycock fue el Standard Vanguard Saloon de 1948. La primera unidad que se creó fue el overdrive tipo A, que se instaló en muchos coches deportivos durante los años cincuenta y finales de los sesenta. Varias marcas famosas utilizaron overdrives tipo A, incluidas Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley y la gama de autos deportivos TR de Triumph, desde el TR2 hasta el final del año modelo 1972 del TR6.
En 1959, Laycock Engineering Company introdujo la sobremarcha tipo D, que se instaló en una variedad de automóviles, incluidos Volvo 120 y 1800 , Sunbeam Alpines y Rapiers , Triumph Spitfires y también MGB de 1962 a 1967 (aquellos con transmisiones de 3 sincronizadas). ).
A partir de 1967 se introdujo la sobremarcha tipo LH, que apareció en una variedad de modelos, incluidos los MGB de 1968 a 1980 , el MGC , el Ford Zephyr , los primeros Reliant Scimitars , los TVR y los Gilbern .
La sobremarcha tipo J se introdujo a finales de la década de 1960 y se adaptó para adaptarse a los automóviles Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors y Chrysler, y a las furgonetas Ford Transit .
La sobremarcha tipo P marcó las últimas actualizaciones y se fabricó en una versión estadounidense de Gear Vendors y en una versión Volvo. La versión Volvo mantuvo el mismo tamaño de paquete que el tipo J pero con la rueda libre actualizada de 18 elementos y estrías más fuertes a través del portasatélites. La versión estadounidense de Gear Vendors utiliza un eje de salida de diámetro exterior más grande de 1,375 para una mayor capacidad y una caja trasera más larga.
Durante un período de 40 años, Laycock Engineering fabricó más de tres millones y medio de unidades de sobremarcha, y más de un millón de ellas se instalaron en automóviles Volvo.
En 2008, la empresa estadounidense Gear Vendors, Inc. [3] de El Cajon, California, compró todos los activos overdrive de GKN para continuar la producción de la versión estadounidense y todos los repuestos para los tipos J y P en todo el mundo.
El sistema cuenta con un dispositivo operado por presión de aceite adjunto a la parte posterior de la caja de cambios estándar que opera en el eje de salida de la caja de cambios. A través de un sistema de presión de aceite, solenoides y pistones, la sobremarcha reduciría las revoluciones en cualquier marcha en la que se usara en un 22% (.778). Por ejemplo, el sistema de sobremarcha aplicado a una Triumph TR5 funciona en segunda, tercera y máxima velocidad. Cuando se activa, la sobremarcha reduciría las revoluciones de 3000 a 666 RPM, o de 3500 la caída sería de 777 RPM a 2723 netas. Las ventajas que esta reducción de rpm tuvo sobre el consumo de combustible fueron, en la mayoría de los casos, una disminución cercana al 22% durante la conducción en carretera.
En los días previos a que las transmisiones automáticas fueran comunes, especialmente en la década de 1950, muchos automóviles estadounidenses con tracción trasera estaban disponibles con una opción de sobremarcha. Con mejoras sustanciales desarrolladas en Muncie, Indiana , por William B. Barnes para la producción de su división Warner Gear, BorgWarner proporcionó la caja que se instaló de fábrica entre la transmisión y un eje de transmisión escorzado. Dado que la función de sobremarcha, si estaba habilitada, se podía cambiar simplemente pisando el acelerador sin presionar el pedal del embrague , la acción era muy parecida a una semiautomática. Además, un solenoide operado eléctricamente desactivaría la unidad mediante un interruptor debajo del pedal del acelerador que proporcionaría el equivalente al kickdown de la automática. También se proporcionó una perilla conectada a un cable Bowden , similar a algunas aplicaciones de freno de emergencia, para bloquear mecánicamente la unidad. El uso de sobremarcha con la transmisión principal de 3 velocidades en 2.ª marcha era similar en relación a la 3.ª marcha, y con la transmisión principal en tercera, la relación general era fraccionaria (es decir, "verdadera sobremarcha"). Esto fue importante para reducir el desgaste, el ruido y la dificultad de control.
Estas cajas de sobremarcha adicionales estuvieron disponibles desde los años 1930 hasta los años 1970 para automóviles y camionetas ligeras.
Hoy en día, la mayoría de los automóviles y camiones de gasolina y diésel vienen con una transmisión de sobremarcha debido al beneficio para la economía de combustible. [4] La sobremarcha se incluye tanto en las transmisiones automáticas como en las manuales como una marcha adicional (o dos en algunos casos). [5]
Cuando se utiliza una transmisión de sobremarcha, la velocidad del motor del automóvil disminuye, lo que reduce el desgaste y normalmente ahorra combustible. Desde 1981, la legislación corporativa estadounidense sobre economía de combustible promedio (CAFE, por sus siglas en inglés), prácticamente todos los vehículos nacionales han incluido sobremarcha para ahorrar combustible. Se debe consultar el manual del propietario del automóvil para conocer la velocidad adecuada para funcionar en sobremarcha. Todos los motores tienen un rango de eficiencia máxima y es posible utilizar la sobremarcha para mantener el motor fuera de este rango durante todo o parte del tiempo de su uso si se usa a velocidades inapropiadas, reduciendo así cualquier ahorro de combustible del nivel más bajo. la velocidad del motor.
La reducción general de la transmisión se reduce a tres factores básicos: engranajes de la transmisión (incluida la sobremarcha), engranajes diferenciales (en el eje) y tamaño de los neumáticos. El problema de la velocidad de rotación entra en vigor cuando el engranaje diferencial tiene una relación alta y se utiliza una sobremarcha para compensar. Esto puede crear vibraciones desagradables a altas velocidades y una posible destrucción del eje de transmisión debido a las fuerzas centrípetas o al equilibrio desigual.
El eje de transmisión suele ser un tubo metálico hueco que requiere equilibrio para reducir la vibración y no contiene refuerzos internos.
Las velocidades más altas en el eje de transmisión y las piezas relacionadas pueden causar problemas de calor y desgaste si se combinan una sobremarcha y un engranaje diferencial alto (o incluso neumáticos muy pequeños), y crean fricción innecesaria. Esto es especialmente importante porque los engranajes diferenciales están bañados en aceite pesado y rara vez cuentan con refrigeración aparte del aire que sopla sobre la carcasa.
El objetivo es minimizar el uso de sobremarcha y proporcionar una relación más alta en la primera marcha, lo que significa más marchas entre la primera y la última para mantener el motor a su velocidad más eficiente. Esta es parte de la razón por la que los automóviles modernos tienden a tener un mayor número de marchas en sus transmisiones. También es la razón por la que rara vez se ve más de un engranaje de sobremarcha en un vehículo, excepto en circunstancias especiales, es decir, cuando se requiere un engranaje diferencial alto (numérico) para que el vehículo se mueva, como en camiones o autos de alto rendimiento, aunque las transmisiones de doble sobremarcha son comunes en otros vehículos. a menudo con un pequeño número en la reducción de engranajes del eje, pero generalmente solo se activan a velocidades superiores a 100 kilómetros por hora (62 mph).
