Caja de cambios
Fundamento
El motor de combustión interna alternativo, al revés de lo que ocurre con
la máquina de vapor o el motor eléctrico, necesita un régimen de giro
suficiente (entre un 30% y un 40% de las rpm máximas) para proporcionar la
capacidad de iniciar el movimiento del vehículo y mantenerlo luego. Aun así, hay
que reducir las revoluciones del motor en una medida suficiente para tener el
par suficiente; es decir si el par requerido en las ruedas es 10 veces el que
proporciona el motor, hay que reducir 10 veces el régimen. Esto se logra
mediante las diferentes relaciones de desmultiplicación obtenidas en el cambio, más la del grupo de salida
en el diferencial. El sistema de transmisión proporciona las diferentes
relaciones de engranes o engranajes, de tal forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas
velocidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedas de
tracción es la disminución de velocidad de giro con respecto al motor, y el
aumento en la misma medida del par motor. Esto se entenderá mejor con la
expresión de la potencia P en un eje motor:
donde:
- es la potencia (en W)
- es el par motor (en N·m)
- es la velocidad angular (en rad/s)
En
función de esto, si la velocidad de giro (velocidad angular) transmitida a las
ruedas es menor, el par motor aumenta, suponiendo que el motor entrega una potencia constante.
La caja
de cambios tiene pues la misión de reducir el número de revoluciones del motor,
según el par necesario en cada instante. Además de invertir el sentido de giro
en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va
acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través
del embrague, en transmisiones
manuales; o a
través del convertidor
de par, en transmisiones
automáticas.
Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.
Existe
además otra razón para su uso. Debido a las características de construcción del
motor de combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón
entre potencia obtenida en la combustión y potencia útil entregada a la
salida), tienen esta forma:
Esquema
de curva par-velocidad de un motor de combustión
Obsérvese
que hay una zona en la cual el motor está entregando una potencia elevada,
con un alto par y un rendimiento también elevado. Es deseable que el motor
siempre estuviera funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la
velocidad del motor sobrepasa esta zona, se pierde par, además de que el
rendimiento desciende rápidamente. Puede ser, que incluso si no se cambia de
marcha, el motor no suministre suficiente par como para continuar acelerando el
vehículo, además de todos los inconvenientes que supone tener elementos girando
a velocidades tan altas como 7000-8000 rpm (para un motor corriente,
esto supone alto desgaste , además de ruidos e incrementos demasiado
elevados de temperatura, y a largo plazo puede originar el fallo de
alguna pieza).
Debido a
esto, es necesario reducir la velocidad del motor al sobrepasar esta
zona (o bien aumentarla si lo que se hace es frenar el vehículo). Como
no interesa alterar la velocidad del vehículo según las necesidades del motor,
sino al contrario, se instala una caja de cambios que permite modificar la relación
existente entre la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo
y el giro del cigueñal (rpm que indica el tacómetro del vehículo). A
través de las relaciones cinemáticas de engranajes, se demuestra que esta
relación es de tipo lineal.
Velocidades
Supongamos
que se tiene una caja de cambios de 4 velocidades que presenta una relación
entre velocidad del vehículo y en el motor que obedece a la gráfica inferior.
Obsérvese la zona de máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega
a 20 km/h empieza el motor a funcionar fuera de dicha zona, lo que implica
pasar a la 2ª velocidad. Al cambiar a dicha marcha, el motor ya funciona en un
régimen inferior a dicha zona, pero al acelerar se alcanzará. Al llegar a
50 km/h se repetiría la acción con la 3ª marcha, etc.
Constitución de la caja de cambios
Eje
intermediario de una caja de cambios manual. De izquierda a derecha consta de
las siguientes partes: nervado para la corona de engrane con el primario, apoyo
de rodamiento, piñones de engrane, apoyo de rodamiento. El dentado recto
corresponde a la marcha atrás.
La caja
de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres
árboles.
- Árbol primario. Recibe el movimiento a la
misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente lleva un único piñón conductor en las
cajas longitudinales para tracción trasera o delantera. En las
transversales lleva varios piñones conductores. Gira en el mismo
sentido que el motor.
- Árbol intermedio o intermediario. Es el
árbol opuesto o contraeje. Consta de un piñón corona conducido que
engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados
en el mismo árbol) y que son solidarios al eje que pueden engranar con el
árbol secundario en función de la marcha seleccionada.Gira en el sentido
opuesto al motor.
En las
cajas transversales este eje no existe.
- Árbol secundario. Consta de varios
engranajes conducidos que están montados sueltos en el árbol, pero
que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de
desplazables. Gira en el mismo sentido que el motor(cambios
longitudinales), y en sentido inverso en las cajas transversales.
En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y automóviles y
camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje.
La
posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas desde
la palanca de cambios y determina qué pareja de
piñones engranan entre el secundario y el intermediario. , o entre primario y
secundario según sea cambio longitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en
función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad
de movimiento axial. Esto es lo que ocurre en las cajas manuales actuales. Las
ruedas dentadas están fijas en el eje y montadas sobre un cojinete, de manera
que pueden moverse a distinta velocidad que él. Estas ruedas están engranadas
permanentemente con las del eje intermedio, y cuando se cambia de marcha uno de
los desplazables hace solidario el movimiento de la rueda con el del eje,
produciéndose lo que se denomina sincronización. Por esta razón, el eje
secundario lleva un estriado entre cada pareja de ruedas.
En las
cajas transversales, la reducción o desmultiplicación final eje secundario/corona del diferencial
invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentido
que el motor.
- Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se
interpone entre los árboles intermediario y secundario (longitudinal) o
primario y secundario (transversal) para invertir el sentido de giro
habitual del árbol secundario. En el engranaje de marcha atrás,
normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado
helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo, cuando el piñón se
interpone, cierra dos contactos eléctricos de un conmutador que permite lucir
la luz o luces de marcha atrás, y al soltarlo, vuelve a abrir dichos
contactos.
Todos los
árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axiales, en la carcasa de la
caja de cambios, que suele ser de fundición gris,(ya en desuso) aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los
engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.
En varios
vehículos como algunos camiones, vehículos
agrícolas o automóviles
todoterreno, se
dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un
embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones
de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha
hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de
rotación.
- Por barboteo.
- Mixto.
- A presión.
- A presión total.
- Por cárter seco.
Clasificación de las cajas de cambio
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:
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 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.
Dentro de
este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizada de doble
embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen y la caja de cambios automática
de doble embrague en seco DDCT -en inglés Dual Dry Cluth Transmision- de Fiat
Group Automobiles, las
cuales permiten el funcionamiento en modo manual o automático, además de
obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con
la presencia de dos embragues, uno encargado de las marchas pares y el otro de
las impares (y marcha atrás).
Automáticas o hidromáticas
La caja
automática es un sistema que, de manera autónoma, determina la mejor relación
entre los diferentes elementos, como la potencia del motor, la velocidad del
vehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia a la marcha, entre
otros. Se trata de un dispositivo electro hidráulico que determina los cambios
de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo
realiza un calculador electrónico.
Mientras
que la caja de cambios manual se compone de pares de engranajes cilíndricos, la
caja automática funciona con trenes epicicloidales en serie o paralelo que
conforman las distintas relaciones de transmisión.
Comparación entre sistemas
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Tipo
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Ventajas
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Desventajas
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De
trenes epicicloidales
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Manual
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Doble
embrague
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Variador
continuo
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La caja de velocidades diseñada por Leonardo da
Vinci
Leonardo
da Vinci llegó a
diseñar en sus tiempos lo que sería el precursor de las cajas de cambios de los
modernos coches. Influido por la fiebre del desarrollo industrial que fomentaba
Ludovico
el Moro,
Leonardo da Vinci diseñó un cambio de velocidad compuesto por dos piezas, una
cilíndrica y otra cónica que mediante una serie de engranajes convertía el
mecanismo en un cambio de velocidades.
Carcasa
Las cajas
de cambios poseen una carcasa externa (generalmente de aluminio) cuya finalidad es la protección
de los mecanismos internos y una lubricación permanente, ya que ésta alberga
aceite. En determinadas ocasiones se puede romper debido al impacto de un
elemento externo o debido a la rotura de un engranaje. En tal caso se debe
soldar nuevamente para su correcto funcionamiento.
Cajas de cambio manuales.
Cajas de cambio de toma directa (2 ejes):
Son las utilizadas en vehículos de tracción delantera. Su construcción es
simple y compacta, ya que tienen que compartir espacio con el motor en la parte
delantera del vehículo además de alojar el grupo diferencial en su interior.Estas cajas de cambio poseen dos ejes, uno por el cual llega la transmisión del motor, también llamado primario y el secundario, por el cual, a través de los piñoes seleccionados se transmite la fuerza hacia el grupo cónico diferencial, que a su vez, mediante los palieres lanza la transmisión mecánica de giro a las ruedas.
El eje primario puede ser fijo o no, al igual que el secundario que puede ser fijo o no. Hay cajas de cambio que va mitad y mitad, todo depende de la arquitectura adoptada y del diseño del fabricante. No obstante, eso no es determinante para el rendimiento, ya que funcionan todas exactamente igual.
Cajas de cambio de toma constante (3 ejes):
Estas cajas de cambio están diseñadas para vehículos de propulsión trasera y
poseen 3 ejes, aunque visualmente parece que tengan solamente dos. Se reconocen
fácilmente ya que poseen un tamaño muy alargado y voluminoso y se sitúan en la
parte central del vehículo, sobre su eje longitudinal. El motor adopta de este
modo una configuración longitudinal.
Esta caja de cambios es de 6 velocidades. La 6 velocidad se engrana mediante un sincronizador (no representado) que une directamente el primario con el terciario (sin pasar por el intermediario) transmitiendo íntegramente las revoluciones del motor al eje terciario y por tanto, al grupo diferencial.
Cajas de cambio automáticas.
En el cambio manual las marchas se engranan intercalando un juego de piñones
pero en un cambio automático esto se consigue de forma totalmente
diferente; con un juego de planetarios.Un engranaje planetario consta de tres elementos básicamente: un engranaje planeta en la parte interior, los satélites (3) que giran alrededor del planeta y una corona alrededor de los satélites. Con un solo juego de planetarios logramos hasta 4 velocidades, 3 hacia delante y 1 hacia atrás.
En la relación más corta la potencia del motor entra por el planeta y de ahí sale por los satélites.
En la relación intermedia el planeta no gira y el par se obtiene por la corona entrando la potencia por el satélite.
En la relación más larga la potencia del motor entra por la corona, y a través de los satélites la potencia sale por el planeta.
En la marcha atrás la potencia entra por el planeta, el porta-satélite se bloquea (pero los satélites no, actuando de piñón intermedio) y la corona entonces gira al revés invirtiendo el giro.
Las cajas de cambio automáticas no constan de un solo juego de planetarios, ya que solo lograríamos 3 velocidades y con relaciones muy largas si queremos obtener las prestaciones normales de un turismo que posee 5 o 6 velocidades. Las cajas de cambio automáticas poseen 2 ó 3 (o incluso más en las más sofisticadas) juegos de planetarios, con diferentes relaciones entre uno y otro, que intercalándolos se consiguen cambios automáticos de 6 ó más velocidades.
Este tipo de caja de cambios fue las que primero se montaban en los vehículos turismos de propulsión trasera (antes de que saliesen al mercado las cajas pilotadas de doble embrague) y se siguen montando en grandes berlinas y turismos de alta gama de propulsión trasera enfocados al confort. Las cajas de cambio que utilizan hoy y día estos turismos poseen hasta 8 velocidades.
Para conseguir intercalar en estas cajas de cambio los diferentes conjuntos planetarios, la caja posee en su interior una serie de frenos y embragues que ayuda a frenar o a obligar a girar loco a los diferentes conjuntos para lograr la relación deseada. En los siguientes videos podemos hacernos una idea del funcionamiento de estas cajas de cambio y su construcción interna.
- Caja de cambios Continua Variable CVT.
Estas cajas de cambio son completamente diferentes a las cajas de cambio automáticas mediante planetarios a pesar de ser automáticas. Estas cajas de cambio están enfocadas para montarse en vehículos automáticos de tracción delantera, donde el espacio es muy reducido.
Estas cajas de cambio han experimentado un gran auge y una gran evolución gracias a que son utilizadas actualmente en los vehículos híbridos de tracción delantera.
Por fuera la caja de cambios CVT es muy similar a una caja de cambios manual y está ubicada en el mismo sitio, pero hay notables diferencias.
Para empezar este cambio no lleva convertidor de par, la potencia del motor pasa directamente al eje primario que la transmite a un solo planetario, de aquí salen solo dos marchas para adelante y para atrás. También posee solo dos embragues hidráulicos, uno para la marcha adelante y otro para la marcha atrás.
El secundario del planetario y los embragues hacen mover una polea especial la cual porta una correa de acero que mueve otra polea. En función del número de las r.p.m. los diámetros de estas poleas van variando consiguiendo infinitas relaciones de transmisión (hasta un tope lógicamente). En la marcha atrás el sistema emplea una transmisión fija.
Muchas gracias por la información acerca de la caja de cambios.
ResponderEliminarsaludos!