SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN VEHÍCULOS AUTOMÓVILES (PARTE V)

Hola a todos

En el anterior artículo os introduje en el maravilloso mundo de los engranajes, para iniciaros en las cajas de cambio. Como pude comprobar no fuí lo bastante claro en las explicaciones, y el objetivo de este blog es precisamente lo contrario, explicar con palabras sencillas mecanismos complejos en automóviles.
Bien, vamos a retomar el tema de los engranajes, pero esta vez con ejemplos prácticos para así afianzar mejor los conocimientos. Deciros que los engranajes se utilizan en infinidad de aplicaciones, por ejemplo en relojeria, en barbacoas con parrillas variables en altura, en bicicletas (si, tanto los piñones como los platos se basan en los principios de funcionamiento de los engranajes, aunque sea una transmisión por cadena), etc...

Como no quiero liaros mucho, vamos a ver ejemplos de engranajes, y explicaré cada uno:

Este es un esquema que se corresponde con las partes principales de un engranaje. El paso circular es la medida que nos dice la distancia desde una cara de un diente a la misma cara del siguiente diente. Esta medida nos sirve para saber si dos ruedas de engranaje van a engranar correctamente o habrá interferencias. El paso se mide sobre la circunferencia primitiva, la cúal nos indica el punto donde la curvatura de la cara del diente cambia de convexa a cóncava. Esto además indica donde van a contactar los dientes de dos ruedas de engranaje. 

En esta animación vemos como se produciría el movimiento de transmisión entre dos engranajes. Como veis uno se mueve a bastante más velocidad que otro, ¿cuánto más? Pues sería el resultado de aplicar la ecuación que os dí en el anterior artículo (pero aplicada a un par de ruedas), que es la relación de transmisión i: 

La rueda 1 en este caso es la más pequeña, la 2 la más grande. Podeis hacer un ejercicio práctico, os pongo los datos y vosotros comprobais:

Rueda 1: Z1 = 15 dientes.
Rueda 2: Z2 = 30 dientes.

¿A cuántas rpm girará mi rueda 2 si la rueda 1 se que gira a 50 rpm?

Otro ejercicio práctico: 

Necesito saber la relación de transmisión de un par de engranajes y el nº de dientes de la rueda 2, sabiendo que la rueda 1 tiene un Z1= 18 dientes. La rueda 2 se que tiene un D2 = 400 mm y se también que D2 = 4 D1. 

Como veis ejercicios sencillitos, para que comprendais que es en realidad la relación de transmisión.
Bien, seguimos con más animaciones. Ahora con la animación en la que vereis la línea de engrane:

Esta línea imaginaria nos señala como avanza los puntos de presión entre dientes de dos ruedas, es decir los puntos donde se transmiten los esfuerzos de una rueda a otra.

No todos los engranajes tienen dientes rectos tallados en su cabeza. Lo que veis en la fotografía son dos engranajes helicoidales, ya que los dientes se tallan siguiendo el contorno que marca una hélice. La ventaja fundamental frente a los engranajes de diente recto es que hacen menos ruido al transmitir esfuerzos, y menor vibración. Además transmiten esfuerzos mayores sin mayor desgaste, aunque son más difíciles de fabricar y diseñar. 

No siempre los engranajes tienen tallados dientes simples, sino que a veces se tallan engranajes en V o de dientes dobles. En este caso son engranajes helicoidales dobles, y sirven para transmitir momentos de fuerza elevados y potencias elevadas.

Esta animación corresponde a un engranaje de cremallera-piñón y se utilizan para transmitir el movimiento de un plano a otro distinto, en este caso cambiamos rotación por traslación. Es muy común su uso en los mecanismos de dirección del automóvil.

Un sistema de tornillo sin fin más corona. En este caso estamos ante un sistema usado como reductor de velocidad, y para aplicaciones que requieren mucha precisión. La relación de transmisión vendrá marcada por el nº de dientes de la rueda y por el paso del tornillo, es decir la distancia entre filete y filete de nuestro tornillo.

Cuando necesitamos transimitir movimiento de rotación en un ángulo de 90º recurrimos a los engranajes de la fotografía, engranajes cónicos. Se llaman así porque la forma es la de un tronco de cono. Habitualmente son de dientes rectos, pero también los hay helicoidales.

Bien, pues después de este pequeño repaso al mundo del engranaje, vamos ya con las cajas de cambios propiamente dichas.
Como decíamos en el anterior artículo, y os he vuelto a remarcar en este, lo más importante en una transmisión por engranajes es la relación de transmisión. Una caja de cambios es un tren de engranajes compuesto, por lo que para seleccionar las distintas velocidades o relaciones a acoplar habrá que conocer el par máximo (recordar que es la medida que nos indica la fuerza que nos ofrece el motor) y así diseñar nuestros engranajes acorde a ese par. No podemos poner relaciones de cambio muy altas porque puede ser que el motor no tenga suficiente par para arrastrar las ruedas, ni demasiado bajas esas relaciones porque puede que lleguemos muy fácilmente al corte de inyección incluso en la marcha más larga.
¿Cómo se seleccionan esas relaciones de cambio? Pues teniendo en cuenta ese par máximo, realizamos la siguiente gráfica:

Esta grafica nos indica las velocidades máximas teóricas para cada relación de cambio, en función del par máximo del motor. El nº de rpm a las que obtenemos el par máximo es n1 y el nº de revoluciones máximas de mi motor es n. Entre estos dos límites, están las velocidades máximas y mínimas de máximo rendimiento para cada relación de la caja de cambios (las V1, V2...V5).

Ejemplos varios del funcionamiento de las relaciones de transmisión en una caja manual, y podeis ver como las velocidades de entrada (flecha roja) y salida (flecha verde) dependen mucho del nº de dientes de cada engranaje. Y podeis comprobar la ecuación de la relación de transmisión que os proporcione anteriormente.
Cuando se diseñan piñones para una caja de cambios, normalmente el nº de dientes del piñón conductor y el conducido son primos entre sí, debido a que así elminamos vibraciones e interferencias al repartir el desgaste entre los dos engranajes. Los piñones se realizan por un proceso llamado estampación, que consiste en la fabricación de una pieza de metal, en este caso acero, mediante una compresión a través de un molde dividido en dos partes (dos medios moldes), uno fijo y otro móvil que realiza la compresión. 

Aquí teneis una animación del proceso de estampación, que puede ser en caliente (cuando se calienta el material por encima de su temperatura de recristalización) o en frío (se calienta o no, pero la pieza está por debajo de su temperatura de recristalización). Una vez los engranajes, de acero al carbono, salen de las estampas, se dirigen a unas máquinas talladoras (fresas madre, tornos, etc...) que tallan los dientes de los engranajes. A continuación se dirigen a los hornos de tratamientos térmicos para sufrir un proceso de templado que los endurecerá, y una cementación (se añade carbono a la superficie) para endurecer su sueprficie aún más y así evitar el desgaste. Por último se montan sobre ejes paralelos, los cuales apoyan sobre cojinetes para poder girar, en el interior de una carcasa de fundición gris (la fundición es Hierro+Carbono, pero con un porcentaje mayor del 2% de C, en el acero este porcentaje es <2% de C) o aluminio, que sirve además de recipiente para el aceite de lubricación.

Aquí podeis observar la situación habitual de la caja de cambios en el interior de un automóvil. Normalmente se situa ahí en el caso de cajas manuales, debido a que así no necesitamos un mecanismo de accionamiento demasiado largo.
Y ahora una pregunta, porque ya sabemos que son los engranajes, la relación de transmisióin, como se diseñan y fabrican. Pero, ¿cómo se acciona una velocidad u otra en una caja manual? Bien, acordaos de que el embrague era el dispositivo encargado de conectar o desconectar las ruedas del motor. Pues usando ese embrague desconectamos las ruedas del motor (acción de desembrague pisando el pedal de embrague) y accionamos la palanca para colocarla en las posiciones indicadas en la misma, dependiendo del nº de velocidades pueden ser 1, 2, 3, etc...o la R o marcha atrás. Una vez hemos seleccionado la velocidad, soltamos el pedal de embrague y ya tenemos acoplada la velocidad. 
Me direis, todo esto está muy bien pero, ¿que ocurre dentro de la caja de cambios? Pues esta animación os lo aclarará:

Entre engranaje y engranaje nos encontramos con una pieza formada por dos discos dentados llamada sincronizador, o simplemente sincro. Esta es la encargada de engranar dos ruedas de engranaje para transmitir la velocidad. Su función es parecida a la del embrague, pero en vez de acoplar dos ejes, acopla dos ruedas de engranaje. La posición N viene del inglés neutral, aquí llamado punto muerto, que es también lo mismo que si desembragamos.
Y ahora una curiosidad que algunos de vosotros no sabreis (se que otros si lo sabreis). ¿De donde viene el término doble embrague, la técnica de pisar dos veces el embrague para cambiar de marcha? Pues hace muchos años, las cajas de cambios no disponían de sincros para acoplar los engranajes. Y claro, como podeis observar en la animación, las velocidades del engranaje izquierdo y el derecho (están en el mismo eje) deben ser iguales para aoplarse. ¿Como se hacía entonces? Pues usando la técnica del doble embrague, que consiste en que para reducir de velocidad, mientras pisamos el embrague aceleramos y volvemos a embragar acelerando (hemos seleccionado la marcha más corta antes de embragar de nuevo). Así conseguimos igualar la velocidad del motor a la que debería tener en la marcha más corta (las rpm del motor deberian ser más altas a igualdad de km/h). Esta maniobra ya no es necesaria gracias a las cajas de cambio sincronizadas.
Bueno, pues hasta aquí lo que ha dado de sí este artículo. En los siguientes seguiremos estudiando las cajas de cambio, manuales y automáticas. Y veremos como funciona la caja de un Fórmula 1, que es bastante interesante su funcionamiento. Gracias por todas las visitas recibidas, que ya se acercan a una cifra que ni yo podía soñar al empezar este blog. Hasta pronto.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://www.taringa.net/posts/autos-motos/11966439/Sabes-como-Funciona-la-Traccion-delantera-de-un-Automovil.html
- http://es.wikipedia.org/wiki/Estampaci%C3%B3n_de_metales
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios.htm
- http://es.wikipedia.org/wiki/Engranaje