Caja de cambios
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En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada sólo caja) es el elemento encargado de acoplar el motor y el sistema de transmisión con 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 generalmente es la reducción de velocidad de giro e incremento del par motor.
En función de que la velocidad transmitida a las ruedas sea mayor, la fuerza disminuye, suponiendo que el motor entrega una potencia constante: dado que potencia es trabajo por unidad de tiempo y, a su vez, trabajo es fuerza por distancia, una distancia mayor (derivada de la mayor velocidad) tiene por consecuencia una fuerza menor. De esta manera la caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que se desee desplazar el vehículo.
La caja de cambios tiene la misión de reducir el número de revoluciones del motor e 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.
Constitución de la caja de cambios [editar]
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 consta de un único piñón.
- Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol transmisor. Consta de una corona que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.
- Árbol secundario. Consta de varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial (por un sistema de nervados o de chaveteros). La posición axial de cada rueda es controlada por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermediario. 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.
- Eje de marcha atrás. Dispone de una rueda loca que se interpone entre los árboles intermediario y secundario para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. Para poder engranar el eje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal.
Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris, 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.
La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas:
- Por barboteo.
- Mixto.
- A presión.
- A presión total.
- Por cárter seco.
Clasificación de las cajas de cambio [editar]
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 [editar]
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).
Automáticas o Hidromáticas [editar]
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 [editar]
| Tipo | Ventajas | Desventajas | Denominaciones comerciales |
|---|---|---|---|
| De trenes epicicloidales | Comodidad*,alto poder de tracción, economía de mantenimiento | Peso elevado, bajo rendimiento mecánico | Steptronic, 7G-tronic, Tiptronic, Proactiva, CAS |
| Pilotada | Cambios muy rápidos, Durabilidad mecánica, Alto rendimiento mecánico | Brusquedad en cambios rápidos | Selespeed, Sensodrive, Dualogic, DFN, 2-tronic, Easytronic, i-Shift, R-tronic, SMG, Cambiocorsa, F1, e-gear |
| Doble embrague | Cambios casi instantáneos | Elevado peso y complejidad mecánica respecto de una caja pilotada convencional | DSG, S-tronic, PDK, DKG, Powershift, DDCT, SST, Nissan GT-R |
| Variador continuo | Suavidad, Infinitas relaciones de transmisión en un rango muy amplio | Par de transmisión limitado | Hypertronic, Multitronic, Autotronic, Multidrive S, Toyota Prius |
La caja de velocidades diseñada por Leonardo da Vinci [editar]
Leonardo da Vinci llegó a diseñar en sus tiempos lo que sería el precursor de las cajas de cambios de los modernos coches. Imbuido 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 [editar]
Poseen una carcasa externa (generalmente de aluminio) cuya finalidad es la proteccion de los mecanismos internos como la permanente lubricacion ya que esta alberga aceite para su permanente lubricacion. En determinadas ocasiones ésta se puede romper debido al impacto de un elemento externo o debido a la rotura de un egranaje. En tal caso esta se debe soldar nuevamente para su correcto funcionamiento.
Comencemos por decir que se llama relación de desmultiplicación a la relación entre dos engranajes distintos o al cociente de dividir el número de dientes del piñón conducido; en el conocido ejemplo de la bicicleta, la relación de desmultiplicación es el cociente entre el número de dientes del plato y el número de dientes de la corona. En una bicicleta, la relación normal oscila entre 6 y 8. Pero en un automóvil, el giro del motor es enormemente más elevado que el giro de las piernas del ciclista, por lo que las relaciónes son siempre sensiblemente más cortas (sin olvidarnos de que también hay que contar con la desmultiplicación de la diferencial). Normalmente, las relaciones de desmultiplicación de las marchas de un automóvil se escalonan entre 4/1 y 1/1; precisamente la relación 1/1 se llama directa y es frecuente sea las de la 4ta velocidad (de ahí que a menudo se llame directa a esta última marcha).
Precisamente lo que hace una caja de cambios es engranar dos piñones de distinto número de dientes para lograr una relaciones adecuadas a la potencia del motor, su peso, sus neumáticos y la velocidad máxima deseada. Como ejemplo, veamos los distintos engranajes de un automóvil convencional, convretamente un Renault 5-TL:
En una caja de cambios se trata, pues, de conectar piñón conductor y conducido para obtener la correcta relación. Pero a la velocidad de giro del motor, incluso desembragando, al acoplar los dos piñones que giran a distinta velocidad plantea muy delicados problemas técnico. Por ello se ha recurrido al sistema de “toma constante” o de permanente engranaje: los dos engranajes, conducido y conductor, permanecen girando unidos, pero el conducido en un eje en el que no está unido, que sirve de ayuda al funcionamiento de la caja y que recibe el nombre de tren fijo, árbol intermedio o tren secundario.
La función de la palanca de cambios ya no es engranar los piñones requeridos, sinó poder hacer que el piñón del tren fijo esté solidario a su eje. Esto se consigue por medio de unos dentados de arrastre que se introducen en el interior de las coronas de piñones y que se desplazan longitudinalmente sobre el eje por medio de unas nervaduras o acanalados.
Para engranar la primera velocidad se empuja la palanca de cambios hacia delante, con la cual el desplazable “A” se introduce en el interior del piñón del tren fijo o eje secundario, con lo cual eje piñón se hacen solidarios; los demás engranajes permanecen conectados, pero giran “locos” sobre el tren fijo. Por el mismo procedimiento se van introduciendo las otras velocidades.
En cuanto a la marcha atrás, se conecta por medio de un piñón inversor que, al interponerse entre conducido y conductor, invierte el sentido de giro.
Pero la mejor forma de conocer el funcionamiento de la caja de cambios es examinar los dibujos que se incluyen, donde los engranajes están mercados en rojo. Los movimientos del “carrete” corresponden a las de la palanca de cambios, de modo que la primera y la tercera se engranan normalmente moviendo la palanca en la misma dirección, pero con distintos ángulos, y la segunda y la cuarta, también.
En cuanto a la marcha atrás, entra en juego un piñón inversor encargado de cambiar el sentido de giro.
Hay una serie de varillas que conectan la palanca de cambios con las horquillas que mueven los desplazables, y que son los encargados de fijar al eje los piñones, que hasta ese momento están girando locos.
