Influencia de la caja de cambios y transmisión final en las prestaciones de motos de competición (predicción y puesta a punto)
- Introducción.
Siguiendo con nuestra serie de artículos acerca de nuestra actividad y desarrollo del modelo predictivo para las condiciones dinámicas de las motos de competición del equipo SAG (Moto2), hoy dedicamos el siguiente artículo a la influencia de las características de la caja de cambios, transmisión final y neumáticos trasero, al ser el motriz.
Estos elementos constituyen la transmisión de la moto, es decir, lo que posibilita que la potencia del motor se transmita a la rueda trasera y, por ende, impulse nuestra moto.
En la figura inferior los vemos perfectamente representados:
- Caja de cambios.
- Cadena de transmisión.
- Corona de transmisión final.
- Neumático trasero.
Figura 1. Localización de los elementos básicos de la transmisión de potencia en una moto.
Vamos a estudiar qué influencia tienen en la dinámica de la moto.
- Caja de cambios.
De una forma muy esquemática, vemos seguidamente los componentes más importantes de la caja de cambios.
Figura 2. Despiece esquemático de una caja de cambios.
La caja de cambios de una moto se encuentra solidaria con el motor. En su eje primario recibe el movimiento directamente del giro del cigüeñal a través del embrague. Habitualmente gira a la misma velocidad angular que el cigüeñal (mismas rpm) y por tanto, recibe el mismo par motor generado por el propulsor. Es importante destacar que la potencia generada por el motor en cada momento no cambia por transmitirse por la caja de cambios. Sin embargo el par transmitido sí varía, multiplicándose normalmente por efecto multiplicador de engranajes y coronas.
El eje secundario gira a una velocidad muy inferior por el efecto reductor de velocidad de los engranajes de cada marcha. A menor velocidad de giro (velocidad angular) se obtiene más par mecánico de salida para la corona de la transmisión primaria a igualdad de potencia generada por el propulsor. Se entiende con la siguiente fórmula:
P = M x w
Donde:
P: Potencia del motor expresada en CV o kW. (1 CV = 0,7355 kW)
M: Par torsor expresado en Newton x metro (Nm) o Kilos por metro (Kgm).
w: Velocidad angular expresada en radianes por segundo.
360º de circunferencia son 2p radianes;
p = 3,14159264; constante universal matemática.
En función del sistema de medidas empleado (internacional para kW y Nm o técnico para CV y Kgm) se emplean unas unidades u otras.
Se deduce, por tanto, que a igualdad de potencia generada por el motor (dato fijo), a menor velocidad de giro, más par generado en el eje secundario de la caja de cambios. Es por ello que en 1ª velocidad, con una índice de reducción fuerte, se obtiene una velocidad baja pero un par torsor elevado, ideal para arrancadas desde parado o marcha en cuesta. Por el contrario, en marchas largas (6ª ó 7ª), la velocidad de giro es prácticamente igual de elevada que el eje primario pero el par torsor es más reducido (ideal para altas velocidades en llano con la moto lanzada).
El estudio de las relaciones de reducción de cada marcha es clave para poder obtener las mejores prestaciones de la moto. Ahí radica la importancia de la caja de cambios.
En circuitos lentos, ratoneros y con muchas curvas nos interesará más tener una caja de cambios con relación de reducción elevada en casi todas las marchas. Ello nos proporcionará una moto con mayor capacidad de aceleración y capacidad para que el motor (unido a la caja de cambios en su eje primario por el embrague) suba de vueltas con agilidad. Este tipo de caja de cambios se conocen como “cajas de relación cerrada” y permiten que entre marcha y marcha el motor caiga poco de vueltas con lo que siempre se puede estar en la banda útil de potencia en el motor. Recordemos que los motores de carreras suelen estar muy “apretados” y la banda de revoluciones con potencia útil no suele ser muy amplia. Habitualmente no más allá de 3.000 ó 4.000 rpm en la zona alta del cuentavueltas. En los antiguos motores de 2 tiempos (2T), esta banda de potencia útil podía llegar a ser tan estrecha que sólo abarcaba apenas 500 rpm para desesperación y estrés de los pilotos que se las veían y deseaban para no dejar caer el motor de vueltas fuera de la potencia útil.
Para circuitos más rápidos se opta por cajas de cambios con reducciones más livianas que, si bien, hacen que la moto acelere algo menos, sí proporcionan una mayor velocidad máxima. Son los cambios de “relación abierta”. También se deduce que los saltos en rpm del motor entre marcha y marcha son algo mayores.
En la figura siguiente vemos cómo se dispone una caja de cambios junto al propulsor. Podemos fijarnos en sus engranajes coloreados en azul y rojo. Los rojos giran solidarios con el eje primario conectado con el motor, mientras que los azules están libres en el eje secundario de salida hacia la corona primaria y, a través de la cadena de transmisión, a la rueda trasera.
Figura 3. Situación de la caja de cambios junto al moto de una motocicleta.
Los esquemas inferiores son auto-explicativos para comprender el funcionamiento de una caja de cambios. Como hemos comentado, los engranajes rojos son solidarios con sus ejes y se pueden desplazar en longitudinalmente, mientras que los engranajes azules giran sueltos sin conexión con los ejes. Los engranajes rojos, en su desplazamiento longitudinal van conectado los distintos engranajes enfrentados de los ejes primario y secundario a medida que vamos seleccionando marchas. Vemos más abajo ejemplos del flujo de potencia (flechas verdes) cuando insertamos 1ª y 2ª velocidad.
Figura 4. Engranajes en toma constante de los ejes primario y secundario de una caja de cambios.
Figura 5. Flujo de potencia al insertar 1ª velocidad.
Figura 6. Flujo de potencia al insertar 2ª velocidad.
En función del índice de reducción o desmultiplicación de la caja de cambios en cada marcha, se pasará más o menos par torsor a la corona de la transmisión primaria que se conecta con la cadena conectándose con la rueda trasera. Ello nos condicionará las prestaciones de la moto en cada momento y marcha engranada en un circuito que repercute directamente en las prestaciones y tiempos por vuelta.
Con la herramienta predictiva que estamos desarrollando para el equipo SAG de Moto2, ayudamos a elegir entre distintas cajas de cambios prestablecidas de forma que obtengamos las mejores prestaciones idóneas para cada trazado. No es tarea sencilla, pero somos capaces de simular con precisión los efectos en las prestaciones de la moto en función del tipo de caja de cambios que se monte: “abierta” o “cerrada”.
- Corona de transmisión primaria y transmisión secundaria.
Hemos visto como la potencia del motor se transmite, desmultiplicada, a través de la caja de cambios y la corona de la transmisión primaria. A partir de ahí, interviene la transmisión secundaria formada por:
- Cadena de transmisión.
- Corona final dentada.
En el motociclismo de competición, se utiliza de forma unánime una cadena metálica de transmisión entre la corona de la transmisión primaria y la corona final en el cubo de la rueda trasera. En motos para el gran público (no de carreras) se usan también correas de transmisión de material sintético (como en Harley-Davidson, por ejemplo) y ejes cardan (muy habitual en BMW). Cada sistema tiene sus pros y contras.
Centrándonos en la cadena metálica usada en las carreras, vemos que está formada por un número determinado de eslabones. Los equipos de competición pueden variar el número de estos eslabones (incluso poner o quitar medios eslabones) para que la cadena esté más o menos tensa y transmite la tensión que perciben de la corona primaria de una forma más o menos directa. De una forma más directa, la transmisión de la potencia a la rueda trasera es más inmediata… y más brusca, lo que en según qué circunstancias puede ser contraproducente.
Además, el número de eslabones estará condicionado por el diámetro final de las respectivas coronas primaria y secundaria enlazadas por la propia cadena. Incluso sólo medio eslabón puede suponer la diferencia entre que la moto vaya de forma óptima o con fallas.
Más abajo, vemos el esquema de una cadena de transmisión entre la corona primaria a la salida de la caja de cambios y la corona secundaria en la rueda.
Figura 7. Cadena de transmisión entre la corona primaria (a la salida del cambio) y la corona secundaria (en el cubo de la rueda)
La corona primaria gira a una velocidad concreta (w1), dependiendo directamente de las rpm del motor, y se le transmite un momento de rotación (M1) que varía en función de régimen de giro del propulsor y, por ende, del eje secundario de la caja de cambios. Este momento de rotación se transmite a la cadena, en forma de tensión lineal (T), conforme a la siguiente fórmula:
T= (2 x M1)/D1
Donde:
T: Tensión lineal transmitida a la cadena por la corona primaria.
M1: Momento de rotación de la corona primaria.
D1: Diámetro de la corona primaria.
La Tensión (T) se transmite integra a la corona secundaria. Esto implica que, al ser el diámetro de la corona secundaria mayor que el de la corona primaria, el par de giro M2 es mayor que M1. Lógicamente, la velocidad angular de giro (rpm) de la corona secundaria (w2), es menor que la corona primaria (w1), ya que la velocidad lineal de la cadena (V) se mantiene uniforme dependiendo de régimen de giro del motor y de la marcha engranada.
Por tanto, vemos que el par de giro que llega a la rueda es multiplicado primero por la caja de cambios y seguidamente por la transmisión secundaria.
Conocer la influencia de estos parámetros en la dinámica de la moto es de capital importancia para poder introducirlos adecuadamente en nuestro modelo predictivo. En el motociclismo de competición podemos elegir a voluntad entre distintos diámetros y número de dientes. Para circuitos lentos, se tenderá a elegir coronas de gran diámetro y elevado número de dientes; para circuitos rápidos, primarán coronas más pequeñas con menor número de dientes.
En este punto, destacamos que el valor con el que habitualmente se trabaja, es la relación entre las coronas primaria y secundaria. De una forma muy intuitiva lo obtendremos con la siguiente fórmula:
Relación de transmisión final = D2/D1
Donde:
D2: Diámetro de la corona secundaria.
D1: Diámetro de la corona primaria.
La práctica habitual es que D2 sea mayor que D1. Por tanto, el M2 que llega a la rueda trasera es
M2 = M1 x (D2/D1)
Donde:
M2: Par de giro en la corona secundaria y en la rueda.
M1: Par de giro en la corona primaria.
D2/D1: Relación de transmisión final.
- Neumático trasero.
Como parte final de la transmisión, nos queda comentar la influencia del neumático trasero. Como hemos visto, el par de giro que llega a la rueda, e impulsa a la moto es justo M2.
La velocidad angular w2 es la misma para la corona secundaria y el neumático trasero. Sin embargo, la velocidad lineal de la periferia del neumático variará en función de su diámetro conforme a la siguiente fórmula:
V2 = w2 x D/2
Donde:
V2: Velocidad lineal periférica de la rueda en metros por segundo (m/s).
w2: Velocidad angular de la rueda en radianes por segundo (rad/s).
D: Diámetro de la rueda en metros (m).
Figura 8. Esquema de velocidades angular de giro y periférica del neumático.
Por tanto, vemos que a mayor diámetro, mayor velocidad a igualdad de revoluciones por minuto de giro de rueda.
Figura 9. Las dimensiones del neumático trasero, influyen claramente en las prestaciones de la moto.
- Conclusión.
Como hemos visto, la cadena cinemática de la transmisión de la moto es clave para sus prestaciones finales y tiempos por vuelta en circuito. Gran influencia ejercen la caja de cambios, la cadena de transmisión y el neumático trasero.
La combinación óptima de todas las variables que intervienen no es tarea fácil y es necesaria una gran experiencia para saber hacerlo sabiamente. Hablamos de:
- Distintas relaciones de cambio para cada marcha.
- Diámetro de la corona primaria a la salida de la caja de cambios.
- Número de eslabones de la cadena.
- Diámetro de la corona secundaria unida al cubo de la rueda.
- Diámetro del neumático trasero.
Es por ello que, con nuestra herramienta matemática, facilitamos al equipo SAG de Moto2 conocer de antemano las prestaciones de la moto y poder simular tantas combinaciones como se deseen para encontrar su mejor ajuste y puesta a punto. Cada variable influye en otras y con nuestro modelo predictivo seremos capaces de encontrar la mejor puesta a punto final.
Eso sí, necesitamos una gran potencia de cálculo ya que combinar no sólo las variables comentadas en este artículo, sino las propias de motor, chasis y ambientales no está al alcance de cualquier equipo. Para ello ya estamos llevando a cabo ensayos con modelos de hipercubo que conllevan intensas jornadas de cálculo con potentes máquinas.
Y todo ello con la última finalidad de conseguir la moto más rápida en cada circuito.
Figura 10. La digitalización está resultando clave en el motociclismo de alta competición.
Santiago Ferrer Jover
Head of Industry
Asseco Spain Group
