tren de fuerza motriz 7

CAJA DE CAMBIOS

TREN DE FUERZA MOTRIZ

CAJAS DE CAMBIO MECNICO ENGRANAJES PARALELOS

Un cambio de velocidades de engranajes paralelos consiste bsicamente

en una combinacin de trenes de engranajes en los que todos Los ejes

son paralelos y la transmisin de movimiento se realiza desde el eje

primario (conductor) al eje secundario (conducido) a travs de un eje

intermediario. Desde los primeros diseos hasta la actualidad, este tipo de

cambio se puede realizar de dos modos diferentes:

De engranajes desplazables

De engranajes en toma constante y cambio por collarines

De engranajes en toma constante y cambio sincronizados

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De engranajes desplazables: estos son de dientes rectos y van sobre

unos ejes paralelos sobre los que se desplazan ponindose en toma para

seleccionar una determinada velocidad.

De engranajes en toma constante y cambio por collarines:

desplazables los engranajes estn en toma constante y van sobre ejes

paralelos. El cambio de velocidad se obtiene bloqueando, mediante el

collarn determinados engranajes para que giren solidarios con su eje.

De engranajes en toma constante y cambio sincronizado: los

engranajes tambin estn en toma constante, pero los collarines que los

bloquean para cambiar de velocidad un mecanismo de sincronizacin, los

que permiten que el engrane se haga sin que rasquen los dientes.

En los tres tipos de cambios citados la velocidad se cambia con la mano o

con el pie. Por eso decimos que son cambios de velocidades mecnicos.

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CAMBIOS POR ENGRANAJES DESPLAZABLES

El cambio de velocidades por engranajes desplazables es el ms popular

de todos para mquinas agrcolas e industriales. Consta de engranajes

desplazables de dientes rectos y se caracteriza por su simplicidad.

Respecto a los de toma constante presentaban una serie de problemas;

los principales inconvenientes de este tipo de engranajes, estaban

basados fundamentalmente en los siguientes efectos:

Aparicin de sacudidas al engranar piones a velocidades de giro dife-

rentes

Transmisin de esfuerzos excesivos sobre los dientes, y en

consecuencia, rpido desgaste

Imposibilidad de sincronizacin, al estar los engranajes girando con la

velocidad de su eje de giro, que no es la misma.

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Existen dos tipos fundamentales de cambio por engranajes desplazables:

a) El que lleva los ejes de entrada y de salida paralelos

b) El que lleva los ejes de entrada y de salida en lnea

a) Ejes de entrada y de salida en paralelo:

El eje de entrada de movimiento es el activo, que acciona al eje de salida,

que es pasivo y del que se transmite la fuerza. Por regla general, se

emplea otro tercer eje intermedio para invertir el sentido del giro o para

conseguir una desmultiplicacin mayor todava. Estos tres ejes son

paralelos y se relacionan a travs de sus respectivos engranajes. El

mecanismo de cambio de velocidades ilustrado en la figura, permite

obtener tres velocidades distintas de marcha hacia delante y una marcha

atrs.

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Los engranajes D y E

cambian la velocidad y

el sentido de la marcha

Ambos engranajes se

desplazan sobre el eje

de salida, pero giran

solidarios con l por la

unin con estras.

Todos los dems

engranajes van fijos sobre su eje respectivo, excepto el engranaje F, que

gira libremente sobre el eje de salida.

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Las lneas de puntos indican las posiciones de los engranajes

desplazados.

Cuando el engranaje D engrana con el engranaje A se obtiene la primera

velocidad, la ms corta de todas.

Cuando el engranaje E se pone en toma con el engranaje B, se obtiene la

segunda velocidad.

Cuando el engranaje E se pone en toma con el engranaje F se obtiene la

tercera velocidad, la ms larga de todas en este caso.

Cuando el engranaje D se pone en toma con el engranaje G se invierte el

sentido de giro del eje de salida o pasivo. El tren de engranajes fijos

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intermedio ha quedado acoplado para obtener la marcha atrs del

vehculo. El engranaje G gira obligado por el engranaje H, que est en

toma constante con el engranaje A.

Cuando no se ha puesto en toma ni el engranaje D, ni el engranaje E, el

cambio de velocidades est en punto muerto.

b) Ejes de entrada y de salida en lnea

En este tipo de cambio, los ejes de entrada y de salida estn en lnea, pero

sin conectar directamente. Un tercer eje llamado eje intermedio, tren fijo, o

triplex, acopla el eje de entrada o primario con el eje de salida o

secundario.

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En la figura se muestra la forma en que se transmite la fuerza cuando se

selecciona la primera velocidad.

La fuerza se transmite, desde el engranaje A que lleva el eje primario, al

engranaje D del tren fijo. Al ser fijos todos los engranajes de este tren, la

fuerza continua por el engranaje F al engranaje desplazable C sobre el eje

de salida del cambio, al que obliga a girar transmitiendo la fuerza a las

ruedas motrices.

Este tipo de cambio de velocidades permite obtener una velocidad directa,

eliminando el tren fijo al acoplar el engranaje A con el engranaje B, con lo

que el eje primario transmite directamente la fuerza al eje de salida.

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Estos dos modelos bsicos de cambio de velocidades por engranajes

desplazables se emplean en la prctica con numerosas variantes.

Es frecuente

encontrar

cambios de

este tipo con

diez velocida-

des de

marcha hacia

delante y dos

velocidades

de marcha

atrs.

CAJA DE CAMBIOS


A continuacin con un ejemplo sencillo, el clculo de la relacin de

transmisin de un tren de engranajes desplazables, vlido tambin

para el de toma constante, para cada una de las velocidades. La

relacin de transmisin para cada par de engranajes viene dado por la

expresin:

Que depender del nmero de dientes de cada uno de los piones. En

la siguiente figura se muestra un ejemplo sencillo de este tipo de

engranajes.

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Los acoplamientos para cada una de las velocidades, teniendo en cuenta

que el movimiento se transmite desde el rbol primario (1) al intermediario

(3) y de ste al secundario (2), es la siguiente:

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PRIMERA VELOCIDAD:

Se obtiene por la desmultiplicacin obtenida entre el pin primario (a1) y

el intermediario (a2), al acoplar los engranajes correspondientes a la 1

velocidad (d1 y d2)

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SEGUNDA VELOCIDAD

Se obtiene por la desmultiplicacin obtenida entre el pin primario (a1) y

el intermediario (a2), al acoplar los piones (c1) y (c2), correspondientes a

la 2 velocidad

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MARCHA ATRS

Para la marcha atrs se realiza el acoplamiento de un pin entre (e1)

y (e2), con el objeto de invertir el sentido de giro.

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CAMBIOS DE ENGRANAJES EN TOMA CONSTANTE Y POR

COLLARINES DESPLAZABLES

El cambio de velocidades por collarines desplazables consta de ejes

paralelos con engranajes en toma constante. En la posicin de punto

muerto los engranajes giran libres sobre sus ejes. Al meter una velocidad,

se desplaza un collarn que bloquea un determinado engranaje para que

tenga que girar solidario

con su eje.

Los engranajes

helicoidales, aparte de

otras ventajas, hacen

menos ruido que los

engranajes de dientes

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rectos que tienen que

emplearse forzosamente en

los cambios por engranajes

desplazables.

Por estar en toma constante y

no poder desplazarse sobre

su eje, uno de cada pareja de

engranajes en toma tiene que

girar libre sobre su eje cuando

el cambio est en punto

muerto.

Cuando se conecta una velocidad, el engranaje correspondiente se acopla

con su eje por medio de un collarn. Al sacar la velocidad se desplaza el

collarn y el engranaje vuelve a girar de nuevo libremente sobre su eje.

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El collarn desplazable lleva estras interiores por las que se acopla a su

engranaje que, a su vez, est acoplado con el eje por medio de estras.

El engranaje helicoidal en toma constante se acopla con el eje al

desplazarse el collarn y engranar sus estras interiores con las estras

exteriores del

engranaje pasivo.

Las estras de los

engranajes y de los

collarines tienen los

extremos redondeados

para facilitar el

engrane.

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CAMBIOS DE ENGRANAJES EN TOMA CONSTANTE Y

SINCRONIZADOS

Este tipo de cambios est constituido por piones de acero al carbono,

obtenidos por un proceso de estampacin y forja, y sus dientes son

tallados en mquinas especiales, con un posterior tratamiento de temple y

cementacin que permitan adquirir la mxima dureza y resistencia al

desgaste.

Los piones, engranados en toma constante para cada par de transmisin,

estn formados por dientes helicoidales, ms silenciosos que los dientes

rectos y que permiten un mejor contacto lateral entre los dientes, por lo

que al ser la superficie de contacto mayor, la presin que acta sobre ellos

es menor y su desgaste ms reducido. As mismo, el nmero de dientes

del pin conductor y el conducido son primos entre s de forma que el

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desgaste se reparte por igual y se evitan vibraciones en su

funcionamiento.

Por otro lado los piones de los rboles primario y secundario poseen los

dientes inclinados en el mismo sentido, mientras que los del rbol

intermediario los tienen en sentido opuesto, debido a que para lograr un

equilibrio perfecto del empuje axial que aparece en el contacto, la

inclinacin de los dientes ha de variar de un pin a otro al ser los

dimetros diferentes.

Esta caja de cambios funciona de tal manera que los engranajes del

secundario estn siempre en contacto con los engranajes del eje

intermediario, y por el hecho de no tener que desplazar los engranajes

para la seleccin de una determinada velocidad, posibilita que los

engranajes sean de dientes helicoidales.

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Con el vehculo en movimiento, el desenclavamiento de una marcha

seleccionada, es una operacin sencilla, pues solamente se requiere el

desplazamiento de la corona del sincronizador. Con el vehculo en

movimiento, para lograr

un nuevo

enclavamiento, se

vuelve imprescindible

igualar las velocidades

de giro de las piezas a

engranar, pues de lo

contrario se produciran

golpes en los dentados,

que producen ruidos y

posibles roturas

CAJA DE CAMBIOS


El cambio de velocidades sincronizado lleva los engranajes en toma

constante y se cambia de velocidad por medio de collarines desplazables,

pero hacindolo a travs de un mecanismo que iguala la velocidad de giro

de dos piezas antes de acoplarlas. La sincronizacin del cambio de

velocidades se emplea para el cambio de marchas, en las que es preciso

cambiar de velocidad en plena marcha.

Los tipos de sistemas de sincronizacin varan de acuerdo al tipo de

sincronizador que usa, teniendo:

Sincronizador del tipo Borg Wagner.

Sincronizador con cono y esfera de sincronizacin.

Sincronizador por tetones

Sincronizador por anillo de sincronizacin elstico.

Doble sincronizador

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Sincronizadores tipo Borg Wagner

Tambin llamado sincronizador por bloqueo o sincronizador con cono y

cerrojo de sincronizacin.

Este tipo de sincronizador consta de las siguientes piezas:

- Los anillos de bloqueo, frenos sincronizadores o anillos de

sincronizacin.

- Los aros de resorte o anillos elsticos.

- El cubo, cuerpo de sincronizacin o selector interno.

- El collarn de sincronizacin, manguito de cambio o selector externo.

- Las chavetas o cerrojos de sincronizacin.

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El cubo va acoplado con el eje por medio de estras y el selector externo

va sobre el cubo. Los dos aros de resorte mantienen las chavetas

aplicadas por dentro contra el selector externo. Los frenos sincronizadores,

que son de bronce, llevan tres rebajes en los que encajan las chavetas.

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La superficie interior de los frenos

sincronizadores es cnica y se adapta al

cono del engranaje pasivo. Estos conos

son los que sincronizan por friccin la

velocidad del engranaje pasivo con la del

eje a que se acopla.

Funcionamiento:

Durante la sincronizacin el

selector externo se desplaza hacia

el engranaje pasivo de la velocidad

seleccionada, arrastrando con l

las chavetas, las que empujan el

freno sincronizador, y el freno se

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aplica sobre el cono del engranaje pasivo.

Al tener el engranaje pasivo y el selector externo girando a distintas

velocidades, el freno sincronizador sufre una friccin llevando

progresivamente que se igualen las velocidades. Esta friccin crea un par

en el freno sincronizador apoyando fuertemente sus muescas sobre una

de las caras de las chavetas. Hasta que las velocidades no se igualen, se

apoyarn fuertemente las caras inclinadas de los dientes del freno

sincronizador

con las del

selector externo,

evitando el

desplazamiento

de este ltimo

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Cuando las velocidades se

iguala, desaparece el par

en el freno sincronizador y

los dientes del selector

externo vuelven a ubicar al

freno sincronizador en su

posicin inicial; y para

completar la operacin las

estras del selector externo pasan entre los dientes del freno sincronizador

(por estar girando a la misma velocidad) y engranan con los dientes del

cubo del engranaje pasivo.

La anchura del alojamiento de las chavetas en el freno sincronizador es

mayor que la anchura de las chavetas, en una magnitud tal, que el

dentado del freno sincronizador puede desplazarse medio diente a la

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derecha o a la izquierda, con respecto al dentado del selector externo,

entonces cuando existe el par resistente que hace girar el freno

sicronizador contra la chaveta, queda medio diente desplazado el dentado

del freno con el del selector, con lo que se impide el desplazamiento del

selector externo, y cuando desaparece el par resistente, el freno

sincronizador se ubica de tal forma que los dientes se alinean y permiten el

desplazamiento del selector externo.

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Sincronizadores con cono y esfera de sincronizacin.

Este tipo de sincronizador es similar al sincronizador Borg Wagner. El

selector interno se acopla con el eje mediante estras. El selector externo

se desliza sobre el selector interno y est conectado con l por medio de

muelles y bolas dispuestos radialmente en el cubo.

Funcionamiento:

Para acoplar el engranaje pasivo, el conjunto se desplaza hacia l; el

cono interno se pone en contacto con el cono del engranaje y lo arrastra

por friccin hasta que ambos giran a la misma velocidad. En este momento

los pequeos muelles mantienen las bolas de retencin en la ranura del

selector externo.

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Esta retencin impide que el selector externo se salga del interno y pueda

engranar con el engranaje pasivo antes de que se haya igualado la

velocidad de giro de ambos por la friccin de los conos. Obligado por el

mando de los cambios, el selector externo contina desplazndose hacia

el engranaje pasivo hasta que las bolas salen de la ranura comprimiendo

los muelles, momento en que se produce ya el engrane.

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Tambin se puede encontrar la variante, que usa frenos sincronizadores y

en lugar de esferas usa unas trabas.

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Sincronizador por tetones

El cubo que realiza la

sincronizacin gira solidario con

el eje por medio de estras.

Los aros de sincronizacin

exteriores giran mediante estras

con su respectivo engranaje.

Los aros de tetones se deslizan

libremente en el cubo

sincronizador.

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Funcionamiento:

Al desplazar el cubo sincronizador hacia uno u otro lado, el aro de

sincronizacin aplica el aro de tetones contra el cubo.

El engrane del cubo sincronizador con el correspondiente engranaje

pasivo no se puede

producir por el biselado del

taladro por el que entra el

tetn y el bisel que lleva

este mismo.

Cuando todas las partes

giran ya a la misma

velocidad, se reduce la

fuerza con que el cubo

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sincronizador se aplica sobre los

tetones.

En ese momento los tetones se pueden

meter a fondo en sus taladros y se

produce el engrane de las estras

interiores del cubo sincronizador, con las

estras exteriores del engranaje pasivo.

El engrane se facilita por el biselado de

la transicin de los tetones a la parte de

mayor dimetro, el biselado de la boca

de los taladros y el redondeado del

frente de las estras del cubo y del

engranaje.

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Sincronizador por anillo de sincronizacin elstico.

Constituido por un cubo gua unido con estras al eje y por chaveteros al

selector externo.

En el pin va montado un anillo de sincronizacin, en los extremos del

anillo se dispone de una

pieza de bloqueo; dentro

del anillo de sincronizacin

van dos bandas de

bloqueo, apoyada en sus

extremos en la pieza de

bloqueo, todo el conjunto

se cierra mediante un anillo

de seguridad.

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Funcionamiento:

Al conectar una marcha

el selector externo se

desplaza sobre el cubo

gua, y se comprime

contra el anillo de

sincronizacin, la

friccin gira el anillo de

sincronizacin, con lo

cual uno de sus

extremos se apoya

contra la pieza de

bloqueo.

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Esta pieza de bloqueo comprime una de

las bandas de bloqueo en el borde

interior del anillo de sincronizacin. La

pieza tope apuntala la banda de

bloqueo y esta bascula. La banda de

bloqueo ejerce fuerza sobre el anillo de

sincronizacin, aumentando la fuerza de

contacto entre el selector externo, el

anillo de sincronizacin y la superficie

de contacto del pin.

Hasta que no haya sincronismo entre el

selector y el pin, las fuerzas en el

anillo de sincronizacin impide la

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disminucin de su dimetro, por lo que el selector no puede conectarse.

Cuando existe sincronismo entre el selector y el pin, las fuerza en el

anillo de sincronizacin desaparecen, y el anillo de sincronizacin retorna

a su dimetro inicial, pudiendo desplazarse el selector y conectarse con el

pin.

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Doble sincronizador

Este tipo de sistema de sincronizacin utiliza un segundo anillo

sincronizador interior con un anillo sincronizador exterior.

La doble sincronizacin

viene a mejorar el confort

de los cambios al bajar las

marchas, debido a que las

superficies friccionantes

cnicas equivalen casi al

doble de lo habitual, la

capacidad de rendimiento

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de la sincronizacin aumenta en un 50 %, aproximadamente,

reducindose a su vez la fuerza necesaria para realizar el cambio,

aproximadamente a la mitad.

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