Caja de cambios
Caja de cambios
En los
En los vehículos,vehículos, lala caja de cambioscaja de cambiosoocaja de velocidadescaja de velocidades(también llamada(también llamadacaja decaja de transmisión
transmisión) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor par motor suficiente parasuficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado,
poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en my una vez en marcha obtener un par suficiente enarcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al
ellas para vencer las resistencias al avance, fundamentalmente las derivadas del perfilavance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de
aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso.pendiente en ascenso.
Fundamento:
Fundamento:
El
El motor de combustión interna alternativo,motor de combustión interna alternativo, al revés de lo que ocurre con la máquina de vapor o elal revés de lo que ocurre con la máquina de vapor o el motor eléctrico, necesita un régimen de giro suficiente (entre un
motor eléctrico, necesita un régimen de giro suficiente (entre un 30% y un 40% de 30% y un 40% de las rpmlas rpm máximas) para proporcionar la capacidad de iniciar el
máximas) para proporcionar la capacidad de iniciar el movimiento del vehículo y mantenerlo luego.movimiento del vehículo y mantenerlo luego. Aun así, hay que red
Aun así, hay que reducir las revoluciones del motor en unucir las revoluciones del motor en una medida suficiente para tener el paa medida suficiente para tener el par r suficiente; es decir si el par requerido en las ruedas es 10 veces el que proporciona el motor, hay 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
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
desmultiplicación obtenidas en el cambio, más la del grupo de salida en el diferencial.diferencial. El sistemaEl sistema de
de transmisióntransmisión proporciona las diferentes relaciones de engranes oproporciona las diferentes relaciones de engranes o engranajes,engranajes, de tal forma que lade tal forma que la misma
misma velocidadvelocidad de giro delde giro del cigüeñalcigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro enpuede convertirse en distintas velocidades de giro en las
las ruedas.ruedas. El resultado en la ruedas de tracción es la disminución de velocidad de giro conEl resultado en la ruedas de tracción es la disminución de velocidad de giro con respecto al motor, y el aumento en la
respecto al motor, y el aumento en la misma medida delmisma medida del par motor.par motor. esto se entenderá mejor con laesto se entenderá mejor con la expresión de la potencia P en un eje motriz:
expresión de la potencia P en un eje motriz:
{{ }}}}
Dónde: Dónde:
es la potencia (enes la potencia (enWW))
es el par motor (enes el par motor (en N·mN·m))
En función de esto, si la velocidad de giro (velocidad angular) transmitida a las ruedas es menor, el 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
par motor aumenta, suponiendo que el motor entrega una potenciapotencia constante.constante. La caja de cambios tiene pues
La caja de cambios tiene pues la misión de reducir el la misión de reducir el número de revoluciones del motor, según elnúmero de revoluciones del motor, según el par necesario en cada instante. Además de
par necesario en cada instante. Además de invertir el sentido de giro en invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando laslas ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del
recibe movimiento a través del embrague,embrague, enen transmisiones manuales;transmisiones manuales; o a través delo a través del convertidor convertidor de par,
de par, enen transmisiones automáticas.transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión. Existe además otra razón para su uso. Debido
Existe además otra razón para su uso. Debido a las características de construcción del motor dea las características de construcción del motor de combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entre potencia
combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entre potencia obtenida en obtenida en lala combustión y potencia útil entregada a la
combustión y potencia útil entregada a la salida), tienen esta forma:salida), tienen esta forma:
Obsérvese que hay una zona en la que el motor está entregando una
Obsérvese que hay una zona en la que el motor está entregando una potencia elevadapotencia elevada, con un, con un
alto par y un rendimiento también elevado.
alto par y un rendimiento también elevado. Es deseable que el Es deseable que el motor siempre estuvieramotor siempre estuviera funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la
funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la velocidad del motor sobrepasa estavelocidad del motor sobrepasa esta zona, se pierde par, además de que el rendimiento desciende rápidamente. Puede ser, que incluso zona, se pierde par, además de que el rendimiento desciende rápidamente. Puede ser, que incluso si no se cambia de m
si no se cambia de m archa, el motor no suministre suficiente par como para continuar acelerandoarcha, el motor no suministre suficiente par como para continuar acelerando el vehículo, además de todos los inconvenientes q
el vehículo, además de todos los inconvenientes q ue supone tener elementos girando aue supone tener elementos girando a velocidades tan altas como
velocidades tan altas como7000-8000 rpm7000-8000 rpm (para un motor corriente, esto supone(para un motor corriente, esto supone alto desgastealto desgaste,,
además de
además deruidos e incrementos demasiado elevaruidos e incrementos demasiado eleva dos de temperaturados de temperatura, y a largo plazo puede, y a largo plazo puede
originar el
originar el fallofallode alguna pieza).de alguna pieza). Debido a esto, es necesario
Debido a esto, es necesarioreducirreducirla velocidad del motor al sobrepasar esta zona (ola velocidad del motor al sobrepasar esta zona (o
bien
bienaumentarlaaumentarlasi lo que se hace es frenar el vehículo). Como no interesa alterar la velocidad delsi lo que se hace es frenar el vehículo). Como no interesa alterar la velocidad del vehículo según las necesidades del motor, sino
vehículo según las necesidades del motor, sino al contrario, se instala una caja al contrario, se instala una caja de cambios quede cambios que permite modificar la
vehículo y el
vehículo y el giro del cigüeñalgiro del cigüeñal(rpm que indica el tacóm etro del vehículo). A través de las(rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las
relaciones cinemáticas de engranajes, se demuestra que esta relación
relaciones cinemáticas de engranajes, se demuestra que esta relación es de tipo lineal.es de tipo lineal.
Supongamos que se tiene una caja de cambios de 4 velocidades que presenta una relación entre 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 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 10 km/h empieza el motor a funcionar máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega a 10 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 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 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
repetiría la acción con la 3ª marcha, etc.marcha, etc.
Constitución de la caja de cambios:
Constitución de la caja de cambios:
La caja de cambios está constituida por
La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles.en tres árboles.
Árbol primario. Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. HabitualmenteRecibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente
lleva un único
lleva un único piñónpiñónconductorconductoren las cajasen las cajaslongitudinaleslongitudinales para tracción trasera o delantera.para tracción trasera o delantera.
En las transversales lleva varios piñones
En las transversales lleva varios piñones conductores. Gira en elconductores. Gira en el mismo sentidomismo sentidoque el motor.que el motor.
Árbol intermedio Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contra eje. Consta de uno intermediario. Es el árbol opuesto o contra eje. Consta de un
piñón
piñón coronacorona conducidaconducidaque engrana con el árbol primario, y de varios piñonesque engrana con el árbol primario, y de varios piñones
(habitualmente tallados en el mismo árbol) y que son solidarios al eje que pueden engranar (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
con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada, gira en el sentido opuestosentido opuestoalal
motor. motor.
En las cajas transversales este eje no
En las cajas transversales este eje no existe.existe.
Árbol secundario. Árbol secundario. Consta de varios engranajesConsta de varios engranajes conducidosconducidosque están montados sueltos en elque están montados sueltos en el
árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de desplazables. Gira en el
desplazables. Gira en el mismo sentidomismo sentidoque el motor(cambios longitudinales), y enque el motor(cambios longitudinales), y en sentidosentido inverso
inversoen las cajas transversales. En otros tipos en las cajas transversales. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas yde cambio, especialmente motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje.
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
La posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas desde la palanca depalanca de cambios
cambios y determina qué pareja de piñones y determina qué pareja de piñones engranan entre el secundario y el engranan entre el secundario y el intermediario. , ointermediario. , o entre primario y secundario según sea cambio l
entre primario y secundario según sea cambio l ongitudinal o transversal. Cuando se utilizanongitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores,
sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial deel 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 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
cajas manuales actuales. Las ruedas dentadas están fijas en el eje y montadas sobre uel eje y montadas sobre un cojinete,n cojinete, de manera que pueden moverse a distinta
de manera que pueden moverse a distinta velocidad que él. Estas ruedas están evelocidad que él. Estas ruedas están engranadasngranadas permanentemente con las del eje intermedio, y cuando se cambia de marcha uno de los 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 desplazables hace solidario el movimiento de la rueda con el del eje, produciéndose lo que se denomina sincronización. Por esta razón, el eje secundario
denomina sincronización. Por esta razón, el eje secundario lleva un estriado entre cada pareja lleva un estriado entre cada pareja dede ruedas.
ruedas.
En las cajas transversales, la reducción o
En las cajas transversales, la reducción o desmultiplicacióndesmultiplicación final eje secundario/corona delfinal eje secundario/corona del diferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el
diferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentidomismo sentidoque el motor.que el motor.
Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se interpone entre los árboles intermediario yEje de marcha atrás.Lleva un piñón que se interpone entre los árboles intermediario y
secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal) para invertir el
secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal) para invertir el sentido de girosentido de giro habitual del árbol secundario. En e
habitual del árbol secundario. En el engranaje de marcha atrás, normalmente se utiliza ul engranaje de marcha atrás, normalmente se utiliza u nn dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo, cuando el dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo, cuando el piñón se interpone, cierra dos contactos eléctricos de
piñón se interpone, cierra dos contactos eléctricos de un conmutador que permite lucir la luz un conmutador que permite lucir la luz oo luces de marcha atrás, y al soltarlo,
luces de marcha atrás, y al soltarlo, vuelve a abrir dichos contactos.vuelve a abrir dichos contactos. Todos los árboles se apoyan, por m
Todos los árboles se apoyan, por medio deedio de cojinetes,cojinetes, axiales, en la carcasa de la caja de cambios,axiales, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de
que suele ser de fundiciónfundición gris,(ya en desuso)gris,(ya en desuso) aluminioaluminio oo magnesiomagnesio y sirve de alojamiento a losy sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos
engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos elcasos el diferencial,diferencial, así como de recipienteasí como de recipiente para el
para el aceiteaceite dede engrase.engrase.
En varios vehículos como algunos
En varios vehículos como algunos camiones,camiones, vehículos agrícolasvehículos agrícolas oo automóviles todoterreno,automóviles todoterreno, sese dispone de dos cajas de ca
dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embraguembios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, 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
normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atráseje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación.
para invertir el sentido de rotación. La
La lubricaciónlubricación puede realizarse mediante uno de los sipuede realizarse mediante uno de los si guientes sistemas:guientes sistemas:
Mixto.Mixto.
A presión.A presión.
A presión total.A presión total.
Por cárter seco.Por cárter seco.
Clasificació
Clasificación de
n de las cajas de cambio
las cajas de cambio
Existen varios tipos de cajas de
Existen varios tipos de cajas de cambios y diversas maneras de clasificarlas. Hasta ecambios y diversas maneras de clasificarlas. Hasta e l momento enl momento en que no se habían desarrollado sistemas
que no se habían desarrollado sistemas de control electrónico la distinción era mucho de control electrónico la distinción era mucho más sencillamás sencilla e intuitiva ya que describía su
e intuitiva ya que describía su construcción y funcionamiento. En tanto que se construcción y funcionamiento. En tanto que se han desarrolladohan desarrollado sistemas de control electrónico para cajas se da
sistemas de control electrónico para cajas se da la paradoja que existen cajla paradoja que existen cajas manuales conas manuales con posibilidad de accionamiento automatizado (por ejemplo
posibilidad de accionamiento automatizado (por ejemplo Alfa Romeo) y cajas automáticas conAlfa Romeo) y cajas automáticas con posibilidad de intervención manual. La clasificación en función de su accionamiento es una de las posibilidad de intervención manual. La clasificación en función de su accionamiento es una de las clasificaciones aceptadas por mayor número de autores:
clasificaciones aceptadas por mayor número de autores:
Manuales, mecánicas o sincrónicas:
Manuales, mecánicas o sincrónicas:
Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas
Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementosque se componen de elementos estructurales (y funcionales),
estructurales (y funcionales), rodamientos,rodamientos, etc. de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio,etc. de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio, la selección de las
la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éstediferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado.
puede estar automatizado. Los elementos sometidos a
Los elementos sometidos a rozamientorozamiento ejes, engranajes,ejes, engranajes, sincronizadores,sincronizadores, o selectores estáno selectores están lubricados mediante baño de aceite (específico para engranajes) en
lubricados mediante baño de aceite (específico para engranajes) en el cárter aislados del exterior el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la
mediante juntas que garantizan la estanqueidad.estanqueidad. Los acoplamientos en el interior se real
Los acoplamientos en el interior se real izan medianteizan mediante mecanismosmecanismos compuestos decompuestos de balancinesbalancines yy ejes guiados por cojinetes. El
ejes guiados por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos desde el accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de laexterior de la caja -y que debería accionar un
caja -y que debería accionar un eventual conductor- se realizan medianteeventual conductor- se realizan mediante cablescables flexibles noflexibles no alargables o varillas rígidas.
alargables o varillas rígidas.
Las distintas velocidades de que consta la
Las distintas velocidades de que consta la caja están sincronizadas. Esto quiere decir caja están sincronizadas. Esto quiere decir queque disponen de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos 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.
ejes de que consta la caja durante el cambio de una a otra. La conexión
La conexión cinemáticacinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante elentre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague.embrague. Dentro de este grupo se encuentra la caja
Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizada de doblede cambios manual automatizada de doble embrague
embrague DSGDSG -en-en alemánalemán Direkt Schaltgetriebe- delDirekt Schaltgetriebe- del Grupo VolkswagenGrupo Volkswagen y la caja de cambiosy la caja de cambios automática de doble embrague en seco DDCT -en
automática de doble embrague en seco DDCT -en inglésinglés Dual Dry Cluth Transmision- deDual Dry Cluth Transmision- de FiatFiat Group Automobiles,
Group Automobiles, las cuales permiten el funcionamiento en modo las cuales permiten el funcionamiento en modo manual o automático, ademásmanual o automático, además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas mu
de obtener una velocidad de transmisión entre marchas mu y superior al contar con la presencia dey superior al contar con la presencia de dos embragues, uno encargado de las marchas pares
Automáticas:
Automáticas:
La caja automática es un sistema
La caja automática es un sistema que, de manera autónoma, determina la mejor relación entre losque, de manera autónoma, determina la mejor relación entre los diferentes elementos, como la potencia del motor, la velocidad
diferentes elementos, como la potencia del motor, la velocidad del vehículo, la presión sobre eldel vehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia a la
acelerador y la resistencia a la marcha, entre otros. Se trata de un dispositivo elemarcha, entre otros. Se trata de un dispositivo ele ctro hidráulico quectro hidráulico que determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo realiza un calculador electrónico.
realiza un calculador electrónico.
Mientras que la caja de cambios manual se compone de pares de engranajes cilíndricos, la caja Mientras que la caja de cambios manual se compone de pares de engranajes cilíndricos, la caja automática funciona con trenes epicicloidales en serie
automática funciona con trenes epicicloidales en serie o paralelo que conforman las distintaso paralelo que conforman las distintas relaciones de transmisión.
relaciones de transmisión.
Comparación entre sistemas:
Comparación entre sistemas:
Tipo
Tipo Ventajas Ventajas DesventajasDesventajas
De trenes De trenes epicicloidales epicicloidales ComodidadesComodidades
Alto poder de tracciónAlto poder de tracción
Economía de mantenimientoEconomía de mantenimiento
Peso elevadoPeso elevado
Bajo rendimiento mecánicoBajo rendimiento mecánico
Pilotada Pilotada
Cambios muy rápidosCambios muy rápidos
Durabilidad mecánicaDurabilidad mecánica
Alto rendimiento mecánicoAlto rendimiento mecánico
Brusquedad en cambios rápidosBrusquedad en cambios rápidos
Doble embrague
Doble embrague Cambios casi instantáneosCambios casi instantáneos
Elevado peso y complejidad mecánicaElevado peso y complejidad mecánica
respecto de una caja pilotada respecto de una caja pilotada convencional convencional Variador Variador continuo continuo SuavidadSuavidad
Infinitas relaciones deInfinitas relaciones de
transmisión en un rango muy transmisión en un rango muy amplio
amplio
Par de transmisión limitadoPar de transmisión limitado
La caja de velocidades diseñada por Leonardo da Vinci
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 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
de los modernos coches. Imbuido por la fiebre del desarrollo industrial que fomentaba Ludovico elLudovico el Moro,
Moro, Leonardo da Vinci diseñó un cambio de velocidad compuesto por dos piezas, una cilíndrica yLeonardo da Vinci diseñó un cambio de velocidad compuesto por dos piezas, una cilíndrica y otra cónica que mediante una serie de
otra cónica que mediante una serie de engranajes convertía el mecanismo en un engranajes convertía el mecanismo en un cambio decambio de velocidades.
Carcasa
Carcasa
Las cajas de cambios poseen una carcasa externa (generalmente de aluminio) cuya finalidad es la Las cajas de cambios poseen una carcasa externa (generalmente de aluminio) cuya finalidad es la protección de los mecanismos internos y una
protección de los mecanismos internos y una lubricación permanente, ya que ésta alberga aceilubricación permanente, ya que ésta alberga acei te.te. En determinadas ocasiones se puede romper debido al
En determinadas ocasiones se puede romper debido al impacto de un elemento externo o debiimpacto de un elemento externo o debi do ado a la rotura de un engranaje. En
la rotura de un engranaje. En tal caso se debe soldar tal caso se debe soldar nuevamente para su correcto funcionamiento.nuevamente para su correcto funcionamiento.
Referencia
Referencias
s bibliográficas
bibliográficas
