CAJA DE CAMBIOS MECANICO
1. Introducción
Ya sabemos que el giro del motor es transmitido hasta las ruedas por medio del embrague, la caja de cambios y las transmisiones. La caja de cambios es un elemento capaz de variar el régimen de giro y el par transmitido hacia las ruedas.
La potencia y el par desarrollados por el motor varían según el número de revoluciones, consiguiéndose la mayor potencia a mayor régimen que el necesario para obtener el máximo par motor.
Por tanto, para obtener la potencia y el par adecuados para cada situación, la caja de cambios, por medio de un sistema de engranajes, consigue adaptar una desmultiplicación adecuada para lograr una relación entre potencia y par adecuada para las necesidades del conductor.
2. La caja de cambios convencional
Actualmente, se utilizan cajas de cambios de tres ejes. Estas cajas de cambios están formadas por un eje primario que se une por medio de un rodamiento a un eje secundario, de forma que queden en prolongación. También disponen de un eje fijo o tren fijo, que está engranado constantemente con los ejes primario y secundario. El eje primario está formado por un solo piñón, que engrana con el tren fijo. El tren fijo transmite el giro del eje primario a unos engranajes que van montados locos sobre el eje secundario. En el eje secundario se montan unos dispositivos llamados acopladores, que permiten engranar los piñones locos con el eje. Para ello, se mueven lateralmente sobre el estriado del árbol hasta encajar en el estriado del piñón correspondiente.
Los dientes de los piñones de las cajas de cambios actuales son de tipo helicoidal. Anteriormente se utilizaban los dientes rectos pero los helicoidales resultan ser más silenciosos en su funcionamiento, a la vez que transmiten el esfuerzo con mayor suavidad. Las cajas de cambios van provistas también de una cierta cantidad de aceite, que es proyectada a todas direcciones por el movimiento de los engranajes, impregnándolos haciendo llegar el aceite hasta los rodamientos para conseguir su engrase.
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La caja de cambios convencional está formada por un eje primario, en el cual forma parte un piñón que engrana de forma constante con su respectivo en el tren fijo. Además, en el tren fijo van labrados los piñones correspondientes para cada velocidad. Éstos piñones engranan sobre otros piñones que van montados locos sobre el eje secundario con interposición de cojinetes de bronce, de forma que giran libremente arrastrados por el tren fijo.
El eje primario recibe el giro del motor a través del mecanismo de embrague y el eje secundario es el encargado de transmitir el giro a la transmisión y a las ruedas. Los tres ejes que forman la caja de cambios, eje primario, secundario y tren fijo, van apoyados sobre cojinetes de bolas. El eje secundario y el eje primario van unidos a través de un cojinete de agujas, de forma que el movimiento no se transmita de uno a otro.
Para conseguir que el eje secundario gire junto con el motor es necesario que se engrane con los piñones que lleva acoplados locos a él. Esta acople se consigue mediante el uso de cubos sincronizadores, que están integrados por un cubo estriado sobre el eje secundario, sobre el cual se monta una corona desplazable, también estriada, que se puede mover lateralmente un cierto recorrido. En el interior de los cubos sincronizadores van montados dos anillos sincronizadores, uno a cada lado, cuyo dentada engrana a la perfección en la corona del cubo interior. Además, estos anillos se acoplan a las superficies cónicas de los piñones del eje secundario.
Cuando la corona del sincronizador se desplaza (2) a uno y otro lado se produce el engrane de su estriado interior con el de los anillos sincronizadores (1), y con el piñón correspondiente a la velocidad seleccionada. Antes de lograrse el engrane total se produce un frotamiento entre el anillo sincronizador y el cono del piñón que hace que ambos ejes igualen su velocidad de giro entre ambos ejes. Una vez logrado el engrane total se transmite el movimiento desde el piñón al cubo sincronizador, y de éste al eje secundario.
El tren fijo dispone de un piñón helicoidal para cada velocidad y otro piñón recto para formar el mecanismo de la marcha atrás.
4. CLASIFICACION
La clasificación de las cajas de cambio en «manuales» y «automáticas» puede resultar ambigua. Mientras no las había con control electrónico, o éste era aún incipiente, la distinción entre automáticas y manuales servía para describir tanto su funcionamiento como su construcción.
Una caja manual estaba formada por pares de engranajes, que el conductor seleccionaba —a través de varillas o cables— con una palanca «en H». Una caja automática tenía engranajes epicicloidales, seleccionados por un sistema hidráulico a través de embragues, en función de la velocidad del coche, el régimen del motor y la posición del acelerador. En este tipo de cambio automático, el conductor normalmente disponía de una palanca para eliminar marchas, con objeto de que el cambio no engranara las más largas en pendientes o al arrastrar un peso.
Desde la perspectiva anterior, ahora hay cambios manuales que pueden funcionar automáticamente y cambios automáticos que admiten un manejo manual. Esta ambiguedad surge de considerar que, si un cambio es automático o manual funcionalmente, también lo es estructuralmente.
Para km77.com la distinción entre manual y automático es sólo funcional. Manual es el cambio en el que el conductor engrana las relaciones por un procedimiento mecánico, sin ningún otro sistema de control. Automático es aquél capaz de variar las relaciones de cambio sin intervención del conductor, aunque en alguno de sus modos de funcionamiento sea posible que el conductor las seleccione. Es decir, es cambio automático si puede cambiar solo, y manual si no puede.
Dentro de esta división funcional, cabe considerar diferentes tipos de cambio según criterios como el tipo de mecanismo para variar las relaciones, tipo de mando para seleccionarlas o tipo de conexión entre el motor y el cambio. Todos ellos se verán más adelante.
El número de marchas no me parece un buen criterio de clasificación. Actualmente las manuales son de cinco o seis normalmente, las automáticas epicicloidales de cuatro o cinco (la ZF CFT 23 tiene seis, pero aún no está en el mercado) y las de variador llegan hasta seis (Nissan) o siete (Fiat) relaciones fijas.
Lo que citamos en cada clasificación son ejemplos, no se trata de una enumeración de todo lo que hay en el mercado en este momento (una información que tardaría muy poco en perder vigencia). Tampoco agota las posibilidades técnicas; que hoy no haya un cambio manual de engranajes epicicloidales no significa que técnicamente sea imposible. No obstante, sí hay ciertas combinaciones que son imposibles, como un cambio automático con pedal de embrague.
He dejado fuera algunos tipos de cambios muy particulares, como el del Toyota Prius, que tiene un solo engranaje epicicloidal y lo que podríamos llamar «convertidor eléctrico de par». Tampoco están sistemas en desarrollo, como el interesante variador toroidal de Mazda, en el que la variación se efectúa mediante el cambio de posición de un engranaje intermedio entre dos semicirculares.
Existen varios tipos de cajas de cambios y diversas maneras de clasificarlas. Hasta el momento en que no se habían desarrollado sistemas de control electrónico la distinción era mucho más sencilla e intuitiva ya que describía su construcción y funcionamiento. En tanto que se han desarrollado sistemas de control electrónico para cajas se da la paradoja que existen cajas manuales con posibilidad de accionamiento automatizado (por ejemplo Alfa Romeo) y cajas automáticas con posibilidad de intervención manual. La clasificación en función de su accionamiento es una de las clasificaciones aceptadas por mayor número de autores:
a) Manuales, Mecánicas o Sincrónicas
Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementos estructurales ) y funcionales (, rodamientos, etc.) de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado. Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes, sincronizadores, o selectores están lubricados mediante baño de aceite -específico para engranajes en el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la estanqueidad. Los acoplamientos en el interior se realizan mediante mecanismos compuestos de balancines y ejes guiados por cojinetes.
El accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de la caja y que debería accionar un eventual conductor- se realizan mediante cables flexibles no alargables o varillas rígidas. Las distintas velocidades de que consta la caja están sincronizadas. Esto quiere decir, que estas disponen de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos ejes de que consta la caja durante el cambio de una a otra. La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague. Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizado de doble embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen que permite el funcionamiento manual y automático además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con la presencia de dos embragues encargado uno de las marchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás). El sistema de cambio de marchas manual ha evolucionado notablemente desde los primeros mecanismos de caja de cambios de marchas manuales sin dispositivos de sincronización hasta las actuales cajas de cambio sincronizadas de dos ejes. Independientemente de la disposición transversal o longitudinal y delantera o trasera, las actuales cajas de cambios manuales son principalmente de dos tipos:
•De tres ejes: un eje primario recibe el par del motor a través del embrague y lo transmite a un eje intermediario. Éste a su vez lo transmite a un eje secundario de salida, coaxial con el eje primario, que acciona el grupo diferencial.
•De dos ejes: un eje primario recibe el par del motor y lo transmite de forma directa a uno secundario de salida de par que acciona el grupo diferencial.
En ambos tipos de cajas manuales los piñones utilizados actualmente en los ejes son de dentado helicoidal, el cual presenta la ventaja de que la transmisión de par se realiza a través de dos dientes simultáneamente en lugar de uno como ocurre con el dentado recto tradicional siendo además la longitud de engrane y la capacidad de carga mayor. Esta mayor suavidad en la transmisión de esfuerzo entre piñones se traduce en un menor ruido global de la caja de cambios. En la marcha atrás se pueden utilizar piñones de dentado recto ya que a pesar de soportar peor la carga su utilización es menor y además tienen un coste más reducido.
En la actualidad el engrane de las distintas marchas se realiza mediante dispositivos de sincronización o "sincronizadores" que igualan la velocidad periférica de los ejes con la velocidad interna de los piñones de forma que se consiga un perfecto engrane de la marcha sin ruido y sin peligro de posibles roturas de dentado. Es decir, las ruedas o piñones están permanentemente engranados entre sí de forma que una gira loca sobre uno de los ejes que es el que tiene que engranar y la otra es solidaria en su movimiento al otro eje. El sincronizador tiene, por tanto, la función de un embrague de fricción progresivo entre el eje y el piñón que gira libremente sobre él. Los sincronizadores suelen ir dispuestos en cualquiera de los ejes de forma que el volumen total ocupado por la caja de cambios sea el más reducido posible. Existen varios tipos de sincronizadores de los cuales destacan: sincronizadores con cono y esfera de sincronización, sincronizadores con cono y cerrojo de sincronismo, sincronizadores con anillo elástico, etc. El accionamiento de los sincronizadores se efectúa mediante un varillaje de cambio que actúa mediante horquillas sobre los sincronizadores desplazándolos axialmente a través del eje y embragando en cada momento la marcha correspondiente. Los dispositivos de accionamiento de las distintas marchas dependen del tipo de cambio y de la ubicación de la palanca de cambio. A continuación se van a estudiar los dos tipos de cajas de cambios. La primera caja de cambios es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal de un vehículo de propulsión trasera. La segunda, es una caja manual de dos ejes con disposición transversal, de un vehículo con tracción delantera con tracción delantera por lo que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de cambios. La situación de la caja de cambios en el vehículo dependerá de la colocación del motor y del tipo de transmisión ya sea está delantera o trasera.
Estas dos disposiciones de la caja de cambios en el vehículo son las más utilizadas, aunque existe alguna mas, como la de motor delantero longitudinal y tracción a las ruedas delanteras.
5. Determinación de las relaciones de cambio
Efectivamente, la caja de cambios es un transformador de velocidad y de par motor, que se usa como desmultiplicador de velocidad, o como multiplicador de par. La caja de cambios es un elemento imprescindible ya que la falta de elasticidad de los motores térmicos impide su utilización a bajas revoluciones con un rendimiento aceptable.
Al representar las relaciones de una caja de cambios de un vehículo sobre un gráfico se obtiene la imagen de al lado. En este gráfico podemos observar que en su eje de abscisas las velocidades del vehículo y en el eje de ordenadas los regimenes del motor. Así obtenemos una serie de rectas que representan las distintas velocidades. Debido a las diferentes desmultiplicaciones de cada velocidad observamos que para un mismo número de revoluciones obtenemos diferentes velocidades según la relación de la caja de cambios.
Hay que subrayar que la relación más corta de una caja de velocidades, la primera, ha de tener una desmultiplicación capaz de multiplicar el par motor lo suficiente para que el vehículo pueda superar una pendiente del 25%. Asimismo, a de ser capaz de arrancar en una rampa del 15% con una aceleración de 0,5 ms2.
6. Relación de velocidades de una caja de cambios
Como ya es sabido, el número de revoluciones del eje de salida con respecto al eje de entrada va en función del número de dientes de los engranajes utilizados. Tal como indica la figura, si (A) es el eje de entrada y (D) el de salida, el movimiento se transmite desde el piñón (A) al (B) y del (C) al (D). Resultando conductores los piñones (A y C) y conducidos (B y D). Así pues la relación de velocidad resulta:
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Tren fijo
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Eje secundario
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1ª Velocidad
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15 Dientes
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34 Dientes
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2ª Velocidad
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20 Dientes
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27 Dientes
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3ª Velocidad
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24 Dientes
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21 Dientes
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4ª Velocidad
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29 Dientes
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18 Dientes
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Marcha atrás
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14 Dientes
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33 Dientes
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Teniendo una caja de cambios con unos engranajes de tamaño como los indicados en la tabla anterior obtenemos la desmultiplicación de cada velocidad:
Primera velocidad: Al desplazarse el sincronizador de la 1ª y 2ª velocidad hacia la derecha hace que el engranaje loco correspondiente se haga solidario con el eje secundario. Su relación de desmultiplicación es:
Lo cual nos indica que para que el eje de salida de la caja de cambios dé una vuelta completa es necesario que el eje de entrada dé 3,65 vueltas. Así se obtiene la mayor reducción de giro y mayor aumento de transmisión de par motor hacia las ruedas.
Segunda velocidad: Al desplazarse el sincronizador de la 1ª y 2ª velocidad hacia la izquierda hace que el engranaje loco correspondiente se haga solidario al eje secundario como en el anterior caso. La relación de desmultiplicación de esta velocidad es la siguiente:
Esto nos indica que para que el eje de salida de la caja de cambios dé una vuelta completa es necesario que el eje de entrada gire 2,17 vueltas. Así se logra una desmultiplicación algo menor, con lo que aumenta la velocidad del vehículo.
Tercera velocidad: Al desplazarse el correspondiente sincronizador hacia la derecha hace que el engranaje loco correspondiente se haga solidario con el eje secundario, como en los dos casos anteriores. Su relación de desmultiplicación es:
Observamos que para que el eje de salida de la caja de cambios complete totalmente una vuelta es necesario que el eje de entrada gire 1,40 vueltas. Apreciamos que la desmultiplicación cada vez es menor, con lo que aumenta considerablemente la velocidad del vehículo con respecto al régimen de giro del motor.
Cuarta velocidad: Al desplazarse el sincronizador anterior hacia la izquierda, los ejes primario y secundario se hacen solidarios entre sí, transmitiendo el giro del eje de entrada al eje de salida sin que exista ninguna desmultiplicación, se suele llamar a esta velocidad como toma directa.
Marcha atrás: Al situar la palanca del cambio de velocidades en la posición de marcha atrás un engranaje auxiliar engrana con los engranajes rectos que se disponen al final del eje secundario y del tren fijo. Su relación de desmultiplicación es:
Observamos que su relación de desmultiplicación es muy similar a la de la primera velocidad, ello es debido a que cuando se le acopla la marcha atrás al vehículo éste a de estar completamente parado, ya que esta velocidad no lleva sincronizador, y tiene que realizar el esfuerzo de poner en marcha de nuevo el vehículo. Es decir, necesita hacer mucha fuerza para vencer el par resistente del vehículo.
Esta caja de cambios dispone de cuatro velocidades hacia delante y una hacia atrás. En caso de que llevara una quinta velocidad su relación de desmultiplicación sería menor de 1, ya que así se conseguiría que el eje de salida girara a mayor velocidad que el eje de entrada.
Sincronizadores
Como ya se ha dicho anteriormente, los sincronizadores se utilizan para conseguir engranar de forma adecuada. En las cajas de cambios convencionales, en engrane se obtiene con el desplazamiento de la corona del sincronizador, también llamada carrete. Este carrete lleva un dentado interno que consigue engranar con el piñón loco de la velocidad deseada. Se aprecia que para un correcto engrane hay que igualar el giro de ambos ejes.
Ello se consigue con el uso de sincronizadores absolutos. Estos sincronizadores están formados por un buje, que engrana constantemente en el estriado del eje secundario. Dicho buje lleva labrado en su perímetro exterior unos dientes rectos, que engranan con los dientes interiores del carrete. A los piñones locos de las diferentes velocidades se le unen a través de un muelle unos anillos sincronizadores de cobre con forma cónica, que llevan un estriado igual que el de los piñones.
Cuando el conductor acciona la palanca del cambio y selecciona una velocidad, el carrete correspondiente es empujado hacia el engranaje loco. Conforme se va acercando el carrete el anillo cónico va entrando en él, produciendo un rozamiento que iguala las velocidades entre el eje secundario y el engranaje loco. Al seguir avanzando el carrete sus dientes engranan con los del piñón, haciéndose solidario el giro de este con el del eje secundario, es decir, entrando la velocidad.
Antiguamente se usaban otro tipo de sincronizadores en los que el anillo cónico iba mecanizado en mismo carrete.
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Averías encontradas en la caja de cambios
Al realizar la práctica de desmontar y volver a montar una caja de cambios encontramos las siguientes anomalías:
• Faltan los bolillos de seguridad que impiden que puedan entrar dos velocidades a la vez. Ya que si entraran dos velocidades juntas el eje secundario se quedaría bloqueado al intentar girar a distinta velocidad a la vez. Éste mecanismo de seguridad se perdería en algún desmontaje anterior y habría que colocar unos bolillos nuevos para ese modelo de caja de cambios.
• La cajera de los rodamientos sobre los cuales se apoya el tren fijo estaba chafada. Ello da lugar a ruidos y molestias para el conductor. Para solucionar este problema habría que sustituir los rodamientos dañados por unos nuevos que sean idénticos a los utilizados.
• El mecanismo para el cuentakilómetros está partido en dos. Tal vez se rompiera al quitar la caja de cambios del vehículo o que se haya roto en anteriores desmontajes. Fuese como fuese habría que sustituirlo por uno nuevo si queremos que el cuentakilómetros y el velocímetro funcione de forma adecuada.
• La junta de la tapa trasera, la del carter y la del envolvente estaban en un estado deplorable, e incluso rotas. Como no teníamos juntas nuevas tuvimos que hacerlas nosotros nuevas. Ese problema ya está solucionado, y ya no pierde aceite.
• Faltaban numerosas arandelas de diversos tamaños que hemos tenido que ir reponiendo con las que se encontraban en el taller. Aunque no hemos encontrado algunas específicas que eran de tamaños muy extraños. Dichas arandelas fueron perdidas en anteriores desmontajes
NOTA: El cuestionario estara para el jueves a hrs. 10:00 a.m.
