Técnica de los cambios de marcha en motores de automoción

Hasta ahora, casi todas las entradas de este blog han tratado sobre cuestiones de Termodinámica de las Turbomáquinas. Voy a cambiar radicalmente el tema para escribir unas cuantas divagaciones sobre motores y cajas de cambio. Es un tema del que todos tenemos una idea intuitiva, basada en nuestra experiencia como conductores de automóviles o motocicletas, pero sobre el que creo que existen algunos lugares comunes e ideas preconcebidas que puede ser bueno poner en cuestión. Voy a particularizar lo que sigue a las motos, porque me parece que es posible que haya más moteros que automovilistas interesados en mejorar su técnica de conducción, pero las explicaciones son perfectamente trasladables a un motor de automóvil. 

En general, yo creo que la mayoría de nosotros pilotamos de oído, y no me parece mal que sea así, porque bastante complicado es ya de por sí estar conduciendo una motocicleta, pendiente de los muchísimos detalles a los que hay que atender para no matarse, como para encima estar pensando en curvas de par y potencia en las diferentes relaciones de cambio. Pero tampoco está mal profundizar algo en la técnica y tal vez sea interesante, para reforzar nuestra intuición, tener claro qué es exactamente lo que estamos haciendo cuándo cambiamos de marcha.

Para entender lo que sigue hay que tener claro cómo son las curvas de par motor y potencia de un motor de combustión interna alternativo y, además, la relación que existe entre el consumo específico efectivo de combustible y el rendimiento del motor. También hay que entender como altera la caja de cambios la curva de par motor que recibe del motor térmico para transformarla en la curva de par motor que aparece en la rueda de la motocicleta; si esos conceptos se tienen claros no debería haber mayor problema en seguir las explicaciones. 

Para empezar, hay que tener claro que no es lo mismo una conducción deportiva, en la que pretendemos ir lo más rápido posible, que una conducción más tranquila, en la que, probablemente, el criterio que podría primar es minimizar el consumo de combustible. Voy a intentar explicar cuando hay que cambiar de marcha en esas dos situaciones, haciendo alguna hipótesis simplificativa para no complicar en exceso el problema. La simplificación principal que voy a introducir ( al principio) es que NO vamos a actuar sobre el puño de gases al cambiar, por lo que la curva de par por la que se mueve el motor es siempre la misma. Ese caso en el que la marcha es constante se va a tratar en los apartados A) y B). Una situación interesante, en la que se varían a la vez posición del acelerador y relación  de cambio pero se mantiene constante la velocidad del vehículo se tratará en el apartado C). Si variase la posición del acelerador durante los cambios de marcha a velocidad variable las explicaciones se complicarían. No obstante, es útil en ese caso razonar lo que pasa al dejar la marcha de la caja de cambios constante y tomar como variable la posición del acelerador, lo que se tratará en el apartado D).

A) Conducción deportiva: cómo acelerar lo más rápido posible

Empiezo por el primer caso, que es el que se daría, por ejemplo, cuando en la salida de una carrera en circuito queremos llegar los primeros a la curva final de la recta de meta, o cuando estamos en un carril de aceleración para incorporarnos a una autopista y queremos entrar con la mayor velocidad posible en el carril. Me voy a apoyar para explicarlo en las curvas de par motor y potencia en rueda de la figura de más abajo, de las que he dibujado solamente las correspondientes a tres marchas consecutivas, en este caso primera, segunda y tercera.

Aclaro que las curvas las he dibujado a mano alzada inventándomelas y que no corresponden a ningún modelo concreto de ninguna motocicleta. En color azul están representadas las curvas de par en rueda (Mr) y en rojo las de potencia, también en rueda (Pr). Todas corresponden, como he dicho antes, a una posición fija del puño de gases. Fijaos que, cuando se va subiendo de marchas y se pasa de primera a segunda y luego a tercera, el par motor va cayendo a medida que se va ganando velocidad (representada en el eje de abscisas); eso es un efecto de la desmultiplicación que introduce la caja de cambios cuando se aumenta una marcha. Sin embargo, las curvas de potencia, que están representadas en color rojo, son en esencia la misma curva, repartida a lo largo de diferentes intervalos de velocidades; fijaos también en que el máximo de potencia en rueda está situado siempre a la misma altura, porque la potencia que le entrega el motor a la rueda pasa esencialmente inalterada por la caja de cambios. La caja de cambios es un amplificador o un reductor de par motor, pero la potencia todavía nadie ha inventado la manera de amplificarla. 

Ahora que ya hemos planteado las curvas de par y potencia en rueda, en la parte de abajo de la figura he dibujado en una línea de trazo más grueso por dónde hay que moverse para ganar velocidad lo más rápidamente posible: en esencia, se trata siempre de tener en la rueda la mayor potencia (y el mayor par) que permite para cada velocidad la caja de cambios. Eso conlleva cambiar bastante por encima del régimen de potencia máxima; fijaos que, en el momento en el que la curva de potencia en primera se corta con la curva de potencia en segunda también se cortan (en la misma vertical) las dos curvas de par en rueda correspondientes. Si siguiésemos ganando velocidad en primera, el par motor en la rueda sería menor a partir de entonces que el par motor que tendríamos en el caso de haber subido a segunda y, por consiguiente, la aceleración que tendríamos manteniendo la primera marcha sería menor que la que tendríamos si subimos a segunda. Lo mismo pasa de segunda a tercera y con el resto de las marchas. Esta explicación echa parcialmente por tierra un lugar común muy universalmente aceptado, que es que hay que cambiar en el régimen de par máximo. Si lo que se quiere es acelerar deprisa, hay que llevar el motor por encima del régimen de potencia máxima, de manera que, justo después  (no antes) de aumentar una marcha, el motor vaya a trabajar en su régimen de par máximo. Eso más o menos es lo que haciamos en los juegos de niños, cuando imitábamos con sonidos guturales el ruido de un motor que gana velocidad mientras cambia de marchas. Antes he dicho parcialmente porque, con otros modos de conducción más tranquila, el cambio de marchas en las cercanías del régimen de par máximo puede ser una buena estrategia como voy a exponer a continuación. 

B) Conducción no deportiva: qué hacer cuando la pendiente de la carretera cambia

Voy a intentar explicar ahora otra circunstancia de conducción, probablemente más frecuente que la anterior, que es la que se da a carga constante cuando se busca minimizar el consumo de combustible. Nos vamos a apoyar de nuevo en dos figuras para explicar cómo hay que proceder.

Tenemos en la parte superior de la figura representadas de nuevo las curvas de par en rueda (Mr) en primera, segunda y tercera. La mitad de abajo de la figura es también una curva de par, pero en este caso en el motor (Mm). En esa figura inferior he dibujado también unas curvas de nivel en color rojo que representan el consumo específico efectivo, que viene a ser equivalente a la inversa del rendimiento del motor. El punto señalado con una cruz y denotado "P" es el que se llama polo económico, en el que se da el mínimo consumo específico y, por consiguiente, el mayor rendimiento. Si lo que buscamos es el menor consumo posible tendremos que procurar que el motor trabaje lo más cerca posible de "P", en el que el régimen de giro es razonablemente cercano al de par máximo. Vamos a suponer que circulamos por ejemplo en segunda marcha a una velocidad dada constante. Si la velocidad es constante es porque el par resultante en la rueda es nulo, lo que quiere decir que el par motor en la rueda es igual al par resistente que ofrece la carretera al avance de la motocicleta. Esa situación está representada por el punto M, en el que se da la intersección entre la curva de par motor en la rueda (dibujada en color azul) y la curva de par resistente de la carretera (representada en color amarillo). Sobre la curva de par en el motor el punto M se encuentra de nuevo en la intersección entre la curva de par resistente (otra vez de color amarillo) y la curva de par motor en el motor (dibujada en color azul). El punto M está relativamente lejos del polo económico, lo cual no es extraño porque estamos circulando a un régimen de giro en el motor relativamente elevado; en realidad, siempre nos interesa circular en una zona de pendiente descendente de la curva de par --aunque eso nos aleje del polo económico--, porque eso permite hacer frente a posibles incrementos del par resistente con subidas del par motor y viceversa. Vamos a analizar dos circunstancias distintas: La a) es la que se daría si aumenta la pendiente, por ejemplo porque empieza una cuesta arriba, y la curva de par resistente pasa a ser la A; si no cambiamos de marcha, el motor perdería régimen de giro y se iría a buscar un nuevo punto de equilibrio entre el par motor y el par resistente, representado en la figura de arriba en el punto N. En segunda, el motor estaría en su régimen de par máximo y eso se lee en la figura de abajo en el punto N2a, que está ya más cerca del polo económico. Lo que pasa es que si el par resistente siguiese aumentando, entonces el motor se estrangularía perdiendo régimen muy deprisa. Para evitarlo, lógicamente hay que reducir una marcha y meter primera, en cuyo caso el motor vuelve a ganar régimen de giro y se iría a un punto como el representado en la curva de abajo por el N1a, en el que de nuevo hay margen para seguir ganando par motor a medida que el régimen de giro baja si el par resistente sigue aumentando. El punto N1a vuelve a estar lejos del polo económico, y desde el punto de vista del consumo no es un régimen en el que nos interese permanecer mucho tiempo. La b) es la circunstancia contraria: empieza una cuesta abajo y la curva de par resistente pasa a ser la B. El motor entonces se acelera y gana velocidad hacia el punto L, en el que de nuevo la velocidad será constante porque vuelven a ser iguales el par motor en la rueda y el par resistente de la carretera. Si seguimos en segunda, esa circunstancia lleva al motor a trabajar en el punto L2a en el que el régimen de giro es alto y de nuevo estamos lejos del polo económico. Lo que hay que hacer entonces es subir una marcha y meter tercera, en cuyo caso el motor se va a trabajar al punto denotado en la figura de abajo como L3a que vuelve a estar cerca del polo económico.  Hay más circunstancias, y la cosa se puede complicar más si consideramos que también podemos actuar sobre el puño de gases. Pero, para abrir boca, creo que con lo que he escrito hay para entender lo esencial. La tercera circunstancia que vamos a ver, tal vez la más frecuente de todas, es la que se produce cuando circulamos a velocidad constante y dudamos en qué marcha es más conveniente hacerlo. 

C) Conducción no deportiva: qué hacer al circular a velocidad constante

Para seguir esta serie sobre los cambios de marcha vamos a analizar lo que sucede al circular a la misma velocidad por una carretera llana en distintas relaciones de cambio, tomando esta vez como ejemplo las marchas primera a quinta. Nos vamos a apoyar de nuevo en un gráfico para explicar lo que pasa.

A diferencia de lo que sucedía anteriormente, esta vez sí vamos a actuar sobre el puño de gas, porque no hay más remedio que hacerlo así si queremos circular a la misma velocidad con marchas diferentes. Por eso he dibujado dos nuevas curvas de par, de colores azul claro y violeta, que corresponden a situaciones de carga parcial en las que el gas está menos abierto que en la curva azul de plena carga. Están  señalados con aspas de color negro los distintos puntos de trabajo del motor en las relaciones de cambio de la 1ª a la 5ª. Al circular a la misma velocidad, la potencia producida por el motor es la misma en todos los casos analizados. La curva de trazos que une los cinco puntos en la figura es, por tanto, una hipérbola en la que el producto del par motor por el régimen de giro es constante. Lo interesante aquí es observar que la curva de isoconsumo que corresponde a la primera marcha está más alejada del polo económico que la de la segunda marcha, que a su vez también tiene peor consumo que la de la tercera y así sucesivamente. Se trata de escoger la relación de cambio que haga trabajar al motor más cerca del polo económico. Se deduce de ello que, para optimizar el consumo a una velocidad dada, lo ideal es engranar la marcha más larga posible, siempre que eso sea compatible con un funcionamiento suave y estable de la caja de cambios, lo que sucede si el régimen de giro del motor no está muy lejos del de par máximo. En el ejemplo de la figura, es posible que en la 5ª marcha el motor ande escaso de par y, sin embargo, el consumo  específico no es significativamente menor que en 4ª. Yo, a la vista de ese mapa, probablemente  elegiría ir en 4ª.

D) Conducción dinamica: qué sucede al actuar sobre el puño de gases a velocidad variable.

Los apartados A) y B) estaban basados en una situación hipotética en la que no se toca el puño de gases. Muchas motocicletas modernas permiten hacer eso al cambiar con un dispositivo denominado a veces como "shifter". El no tocar el mando de gases ayuda a entender el problema del cambio de marchas, porque no se cambia de curva de par en el motor y es más fácil ver lo que pasa; pero es obvio que en la realidad el mando de gases está ahí para usarlo y bien que sacamos provecho de él. Así que parece conveniente hacer entrar como nueva variable la posición del gas. Ya lo hemos necesitado en el apartado C). Ahora, para terminar esta entrada del blog, la variable que vamos a mantener constante es la marcha de la caja de cambios y vamos a actuar sobre el gas. En la siguiente figura he vuelto a dibujar las mismas tres curvas de par motor de antes, correspondientes a tres posiciones distintas del gas (en la misma marcha) A, B y C, y dos curvas de par resistente, a) y b), correspondientes a dos tramos de carretera con diferente pendiente.

Supongamos que estamos circulando a velocidad constante por el tramo de menos pendiente a) con el gas poco abierto en la curva de par A. El motor en esas circunstancias está trabajando en el punto Aa, en el que son iguales el par motor y el par resistente y, por ello, la velocidad es constante. Vamos felices, el paisaje es espléndido, la temperatura agradable, miramos lejos --como todos los moteros saben que hay que hacer-- y todo va bien hasta que llega una cuesta arriba y de manera perversa el par resistente crece, su curva pasa de la a) a la b) y es mayor que el par motor. Newton no nació por azar y sus leyes imponen que, si no hacemos nada (no tocamos ni gas ni caja de cambios) el motor va a ir perdiendo régimen hasta llegar a una nueva situación de equilibrio en el punto Ab. Ya podemos rezar para que la pendiente no aumente aún más, porque de ser así (y de seguir sin hacer nada) el motor seguirá perdiendo régimen y terminará por calarse. Así que algo hay que hacer y, ya que hemos dicho que no vamos a tocar la caja de cambios, lo otro que nos queda es abrir gas y pasar a la curva de par de color azul claro B. Ahora el par motor es mayor que el resistente y el motor gana régimen siguiendo la línea de trazos (de color azul claro) que lleva de Aa a Bb. Podemos volver a ser felices: de nuevo tenemos en el Bb un punto de trabajo situado en una curva de par de pendiente negativa en ese punto. Si llegase a aumentar de nuevo la pendiente, el motor podría hacer frente a ese aumento sin tocar ni gases ni marchas. Simplemente perderíamos velocidad hasta alcanzar el régimen de par máximo correspondiente a la nueva posición del gas (señalado con un aspa roja). Si, en lugar de abrir solo un poco el gas, lo abrimos más a lo bestia (como el Maverick con la Yamaha en cierta ocasión) hasta alcanzar la curva de par C, entonces nos iríamos del punto Aa al Cb siguiendo la línea de trazos color verde, y habremos ganado más velocidad con mayor aceleración, ya que en esa situación la diferencia entre par motor y par resistente sería aún mayor. Eso se ve también  en que la línea verde está más  inclinada que la azul.

Lógicamente, las explicaciones se pueden invertir si en lugar de abrir gas lo que hacemos es cortarlo.

Creo que con esto el tema queda más o menos completo, pero todo es cuestión de que sigan siendo necesarias más aclaraciones, que se pueden añadir en los comentarios.

N. B. Dedicado a mi buen amigo José González Tortosa, también conocido como Doctor Infierno, autor de un estupendo manual de técnicas de conducción de motocicletas.