Caja de cambios

Caja de cambios de motocicleta.

En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocida-des (también llamada simplemente caja) es el elementoencargado de obtener en las ruedas el par motor suficien-te para poner en movimiento el vehículo desde parado, yuna vez en marcha obtener un par suficiente en ellas paravencer las resistencias al avance, fundamentalmente lasderivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con larodadura y de pendiente en ascenso.

1 Fundamento

El motor de combustión interna alternativo, al revés de loque ocurre con la máquina de vapor o el motor eléctrico,necesita un régimen de giro suficiente (entre un 30% yun 40% de las rpm máximas) para proporcionar la capa-cidad de iniciar el movimiento del vehículo y mantener-lo luego. Aun así, hay que reducir las revoluciones delmotor en una medida suficiente para tener el par sufi-ciente; es decir si el par requerido en las ruedas es 10veces el que proporciona el motor, hay que reducir 10veces el régimen. Esto se logra mediante las diferentesrelaciones de desmultiplicación obtenidas en el cambio,más la del grupo de salida en el diferencial. El sistema detransmisión proporciona las diferentes relaciones de en-granes o engranajes, de tal forma que la misma velocidadde giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velo-cidades de giro en las ruedas. El resultado en la ruedasde tracción es la disminución de velocidad de giro conrespecto al motor, y el aumento en la misma medida delpar motor. Esto se entenderá mejor con la expresión dela potencia P en un eje motor:{ P = M ω }}

donde:

• P es la potencia (enW)

• M es el par motor (en N·m)

• ω es la velocidad angular (en rad/s)

En función de esto, si la velocidad de giro (velocidad an-gular) transmitida a las ruedas es menor, el par motoraumenta, suponiendo que el motor entrega una potenciaconstante.La caja de cambios tiene pues la misión de reducir el nú-mero de revoluciones del motor, según el par necesarioen cada instante. Además de invertir el sentido de giroen las ruedas, cuando las necesidades de la marcha asílo requieren. Va acoplada al volante de inercia del mo-tor, del cual recibe movimiento a través del embrague, entransmisiones manuales; o a través del convertidor de par,en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el restodel sistema de transmisión.Existe además otra razón para su uso. Debido a las carac-terísticas de construcción del motor de combustión inter-na, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entrepotencia obtenida en la combustión y potencia útil entre-gada 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 entre-gando una potencia elevada, con un alto par y un rendi-miento también elevado. Es deseable que el motor siem-pre estuviera funcionando en estas condiciones, sin em-bargo, cuando la velocidad del motor sobrepasa esta zo-na, se pierde par, además de que el rendimiento descienderápidamente. Puede ser, que incluso si no se cambia demarcha, el motor no suministre suficiente par como pa-ra continuar acelerando el vehículo, además de todos los

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2 2 CONSTITUCIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS

inconvenientes que supone tener elementos girando a ve-locidades tan altas como 7000-8000 rpm (para un motorcorriente, esto supone alto desgaste , además de ruidose incrementos demasiado elevados de temperatura, ya largo plazo puede originar el fallo de alguna pieza).Debido a esto, es necesario reducir la velocidad del mo-tor al sobrepasar esta zona (o bien aumentarla si lo quese hace es frenar el vehículo). Como no interesa alterarla velocidad del vehículo según las necesidades del mo-tor, sino al contrario, se instala una caja de cambios quepermite modificar la relación existente entre la veloci-dad angular de giro de las ruedas del vehículo y el girodel cigueñal (rpm que indica el tacómetro del vehículo).A través de las relaciones cinemáticas de engranajes, sedemuestra que esta relación es de tipo lineal.

Velocidades

Supongamos que se tiene una caja de cambios de 4 ve-locidades que presenta una relación entre velocidad delvehículo 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 afuncionar fuera de dicha zona, lo que implica pasar a la 2ªvelocidad. Al cambiar a dicha marcha, el motor ya fun-ciona en un régimen inferior a dicha zona, pero al acelerarse alcanzará. Al llegar a 50 km/h se repetiría la acción conla 3ª marcha, etc.

2 Constitución de la caja de cam-bios

La caja de cambios está constituida por una serie de rue-das dentadas dispuestas en tres árboles.

• Árbol primario. Recibe el movimiento a la mismavelocidad de giro que el motor. Habitualmente llevaun único piñón conductor en las cajas longitudi-nales para tracción trasera o delantera. En las trans-versales lleva varios piñones conductores. Gira en elmismo sentido que el motor.

• Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opues-to o contraeje. Consta de un piñón corona conduci-do que engrana con el árbol primario, y de varios

Eje intermediario de una caja de cambios manual. De izquierda aderecha consta de las siguientes partes: nervado para la coronade engrane con el primario, apoyo de rodamiento, piñones deengrane, apoyo de rodamiento. El dentado recto corresponde ala marcha atrás.

piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol)y que son solidarios al eje que pueden engranar conel árbol secundario en función de la marcha selec-cionada.Gira en el sentido opuesto al motor.

En las cajas transversales este eje no existe.

• Árbol secundario. Consta de varios engranajes con-ducidos que están montados sueltos en el árbol, pe-ro que se pueden hacer solidarios con el mismo me-diante un sistema de desplazables. Gira en el mis-mo sentido que el motor(cambios longitudinales),y en sentido inverso en las cajas transversales. Enotros tipos de cambio, especialmente motocicletasy automóviles y camiones antiguos, los piñones sedesplazan enteros sobre el eje.

La posición axial de cada rueda es controlada por unashorquillas accionadas desde la palanca de cambios y de-termina qué pareja de piñones engranan entre el secun-dario y el intermediario. , o entre primario y secundariosegún sea cambio longitudinal o transversal. Cuando seutilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial pue-de liberarse en función de la posición axial de estos y lasruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial.Esto es lo que ocurre en las cajas manuales actuales. Lasruedas dentadas están fijas en el eje y montadas sobre uncojinete, de manera que pueden moverse a distinta velo-cidad que él. Estas ruedas están engranadas permanente-mente con las del eje intermedio, y cuando se cambia demarcha uno de los desplazables hace solidario el movi-miento de la rueda con el del eje, produciéndose lo quese denomina sincronización. Por esta razón, el eje secun-dario lleva un estriado entre cada pareja de ruedas.En las cajas transversales, la reducción odesmultiplicación final eje secundario/corona deldiferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la coronagira en elmismo sentido que el motor.

• Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se interpo-ne entre los árboles intermediario y secundario (lon-

3.2 Automáticas o hidromáticas 3

gitudinal) o primario y secundario (transversal) parainvertir el sentido de giro habitual del árbol secunda-rio. En el engranaje de marcha atrás, normalmentese utiliza un dentado recto, en lugar de un denta-do helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo,cuando el piñón se interpone, cierra dos contactoseléctricos de un conmutador que permite lucir la luzo luces de marcha atrás, y al soltarlo, vuelve a abrirdichos contactos.

Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axia-les, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser defundición gris,(ya en desuso) aluminio o magnesio y sirvede alojamiento a los engranajes, dispositivos de accio-namiento y en algunos casos el diferencial, así como derecipiente para el aceite de engrase.En varios vehículos como algunos camiones, vehículosagrícolas o automóviles todoterreno, se dispone de doscajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamentemediante un embrague intermedio. En la primera cajade cambios se disponen pocas relaciones de cambio ha-cia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y unamarcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás parainvertir el sentido de rotación.La lubricación puede realizarse mediante uno de los si-guientes sistemas:

• Por barboteo.• Mixto.• A presión.• A presión total.• Por cárter seco.

3 Clasificación de las cajas de cam-bio

Existen varios tipos de cajas de cambios y diversas mane-ras de clasificarlas. Hasta el momento en que no se habíandesarrollado sistemas de control electrónico la distinciónera mucho más sencilla e intuitiva ya que describía suconstrucción y funcionamiento. En tanto que se han desa-rrollado sistemas de control electrónico para cajas se dala paradoja que existen cajas manuales con posibilidad deaccionamiento automatizado (por ejemplo Alfa Romeo)y cajas automáticas con posibilidad de intervención ma-nual. La clasificación en función de su accionamiento esuna de las clasificaciones aceptadas por mayor número deautores:

3.1 Manuales, mecánicas o sincrónicas

Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aque-llas que se componen de elementos estructurales (y fun-

cionales), rodamientos, etc. de tipo mecánico. En este ti-po de cajas de cambio, la selección de las diferentes ve-locidades se realiza mediante mando mecánico, aunqueéste puede estar automatizado.Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes,sincronizadores, o selectores están lubricados mediantebaño de aceite (específico para engranajes) en el cárteraislados del exterior mediante juntas que garantizan laestanqueidad.Los acoplamientos en el interior se realizan mediantemecanismos compuestos de balancines y ejes guiados porcojinetes. El accionamiento de los mecanismos internosdesde el exterior de la caja -y que debería accionar uneventual conductor- se realizan mediante cables flexiblesno alargables o varillas rígidas.Las distintas velocidades de que consta la caja están sin-cronizadas. Esto quiere decir que disponen de mecanis-mos de sincronización que permiten igualar las velocida-des de los distintos ejes de que consta la caja durante elcambio de una a otra.La conexión cinemática entre el motor y la caja de cam-bios se realiza mediante el embrague.Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios ma-nual automatizada de doble embrague DSG -en alemánDirekt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen y la caja decambios automática de doble embrague en seco DDCT -en inglés Dual Dry Cluth Transmision- de Fiat Group Au-tomobiles, las cuales permiten el funcionamiento en mo-do manual o automático, además de obtener una veloci-dad de transmisión entre marchas muy superior al contarcon la presencia de dos embragues, uno encargado de lasmarchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás).

3.2 Automáticas o hidromáticas

La caja automática es un sistema que, de manera autó-noma, determina la mejor relación entre los diferenteselementos, como la potencia del motor, la velocidad delvehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia ala marcha, entre otros. Se trata de un dispositivo electrohidráulico que determina los cambios de velocidad; en elcaso de las cajas de última generación, el control lo rea-liza un calculador electrónico.Mientras que la caja de cambios manual se compone depares de engranajes cilíndricos, la caja automática fun-ciona con trenes epicicloidales en serie o paralelo queconforman las distintas relaciones de transmisión.

4 7 ENLACES EXTERNOS

3.3 Comparación entre sistemas

4 La caja de velocidades diseñadapor Leonardo da Vinci

Leonardo da Vinci llegó a diseñar en sus tiempos lo quesería el precursor de las cajas de cambios de los moder-nos coches. Influido por la fiebre del desarrollo industrialque fomentaba Ludovico el Moro, Leonardo da Vinci di-señó un cambio de velocidad compuesto por dos piezas,una cilíndrica y otra cónica que mediante una serie deengranajes convertía el mecanismo en un cambio de ve-locidades.

5 Carcasa

Las cajas de cambios poseen una carcasa externa (gene-ralmente de aluminio) cuya finalidad es la protección delos mecanismos internos y una lubricación permanente,ya que ésta alberga aceite. En determinadas ocasiones sepuede romper debido al impacto de un elemento externoo debido a la rotura de un engranaje. En tal caso se debesoldar nuevamente para su correcto funcionamiento.

6 Referencias bibliográficas• Manual de la técnica del automóvil (BOSCH) ISBN3-934584-82-9

7 Enlaces externos• La tabla SAE J306 de clasificación de aceites detransmisiones y diferenciales

• La Importancia del Coeficiente de Fricción

• Wikimedia Commons alberga contenido multi-media sobre Caja de cambios. Commons

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8 Text and image sources, contributors, and licenses

8.1 Text• Caja de cambios Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Caja%20de%20cambios?oldid=78609124 Colaboradores: DaveFX, Tano4595, Fe-liciano, Digigalos, Taichi, Magister Mathematicae, Beto29, Eloy, Santiperez, Pablox, Tomatejc, Siabef, CEM-bot, Antur, Leon Hardit,El Guille, Rjelves, Resped, Risikols, RoyFocker, Alvarogonzalezsotillo, Góngora, Volkov, JAnDbot, NaBUru38, Netito777, Ricardolw,Delphidius, VolkovBot, Technopat, Matdrodes, Keres, Muro Bot, PaintBot, Loveless, Afba, Jorjum, Tirithel, Miguel, HUB, Eduardosalg,Cuchulainn, Leonpolanco, Poco a poco, JetDriver, MARC912374, AVBOT, Carlosdevivo, Diegusjaimes, Lampsako, Luckas-bot, 16JAE,Ptbotgourou, Dangelin5, Mcapdevila, Nixón, ArthurBot, Buen Gastronomico, SuperBraulio13, Ortisa, Manuelt15, Xqbot, Jmcastano, Ri-cardogpn, User2811, Botarel, Licinolarcio, FriedrickMILBarbarossa, PatruBOT, Dinamik-bot, SurfAst, Wikiléptico, Hahmo, Africanus,KLBot, WikitanvirBot, Thomas Blomberg, Lcsrns, Rezabot, MerlIwBot, Satanás va de retro, KLBot2, Invadibot, Gingenieria, LlamaAl,Elvisor, Addbot, Tatask89 y Anónimos: 108

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• Archivo:Gearbox.jpg Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/59/Gearbox.jpg Licencia: CC-BY-SA-3.0 Colabora-dores: ? Artista original: ?

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• Archivo:Velocidades.png Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ec/Velocidades.png Licencia: GFDL Colaborado-res: Trabajo propio Artista original: Gingenieria

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