SISTEMA DE TRANSMISIÓN EN VEHÍCULOS AUTOMÓVILES (PARTE VI)

Hola a todos

En el anterior artículo vimos más en profundidad lo que son los engranajes y como los usábamos en una caja de cambios de automóvil. Hoy vamos a seguir profundizando aún más en las cajas de cambios manuales. 
Cajas de cambio manual hay de dos tipos fundamentalmente: 

• Caja de cambios de dos ejes: Un eje primario transmite el par motor a uno secundario, que a su vez lo transmite de forma directa al grupo diferencial.
• Caja de cambios de tres ejes: Un eje primario transmite el par a uno intermediario, éste a su vez lo transmite a otro eje, el secundario, que es coaxial con el primario; y transmite el par al grupo diferencial.

A continuación veremos unos esquema de la disposición de la caja de cambios en el vehículo:

En este esquema podeis observar como la línea que recorren las flechas (que podríamos tomarla como la línea de transmisión de par) es contínua, es decir la transmisión de par se realiza en el mismo eje hasta el mecanismo diferencial. La caja de cambios se encuentra por debajo del habitáculo, dividiendo en dos el mismo longitudinalmente. Este es el caso habitual de uso de la caja de cambios de 3 ejes.

En este esquema, sin embargo, vemos que la situación de la caja de cambios está adelantada con respecto al puesto de conducción, debido a la forma de transmitir el par motor. Este es el caso habitual de uso de la caja de cambios de 2 ejes.
Estos son los esquemas más usados en vehículos con cajas de cambio manual, pero no son los únicos. Podemos encontrar vehículos con motor longitudinal y tracción delantera, y vehículos con motor transversal y propulsión, aunque esto último es más raro.
Vamos a pasar a estudiar el tipo más común de caja de cambios, me estoy refiriendo a la caja de cambios de tres ejes:

Aquí un esquema que ejemplifica muy bien como es una caja manual de 3 ejes, o mejor dicho como se disponen los engranajes dentro de la caja. Estas cajas se reconocen muy fácilmente debido a la forma alargada de su cárter (recordad que era la carcasa metálica que envolvía todo el conjunto de engranajes y que iba bañada en aceite lubricante). También se las denomina cajas de cambio de toma constante, debido a que siempre tienen dos piñones engranados contínuamente que transmiten el par al eje intermediario (normalmente fijo). Viendo la imagen me podríais preguntar, ¿por qué se denomina de tres ejes, si yo sólo veo dos? En realidad son 3 ejes de transmisión de par, lo que ocurre que dos de ellos son coaxiales, y el otro es paralelo a los anteriores. Pero en realidad son tres ejes, y es la configuración más habitual para los vehículos con motor delantero y propulsión.

Y aquí un esquema de un corte longitudinal de una caja de cambios, para que veais la disposición de los engranajes, y la cantidad de ellos que puede haber. Cuando veais la leyenda os encontrareis con algunos términos un poco confusos, pero os explico:

• Piñón solidario: Un engranaje o piñón solidario no es más que una rueda de engranaje que se mueve solidaria con un eje, es decir siempre se encuentra conectada.
• Piñón de arrastre: Es aquel que mueve o arrastra a otro engranaje o conjunto de engranajes.
• Piñón loco: Es aquel que gira sólo cuando el sincronizador correspondiente lo enclave y haga solidario su giro con el eje. Mientras no se accione el sincronizador, el piñón se ecnuentra suelto, y no transmite movimiento.

Aclarados algunos términos, pasamos a ver en  detalle como funciona una caja de cambios:

Sería punto muerto o neutral (la famosa N que vemos en los coches de competición). Antes de explicar el porqué, vamos a decir que las cajas de cambios de tres ejes utilizan el sistema llamado de doble reducción. ¿En qué consiste? Pues simplemente en reducir la velocidad de transmisión 2 veces, así de simple y así de complejo a la vez. Lo que ocurre en una caja de tres ejes es que hacemos coincidir longitudinalmente el eje primario y el secundario, y utilizamos el intermediario para la doble reducción que os acabo de contar, ya que el piñón B y el C son de distinto tamaño, pero es que E y H también lo son o F e I, etc...y esta doble reducción consigue que se transmita el par motor al eje secundario de manera eficaz, además de compactar un poco el tamaño de la caja.
En punto muerto, que es la posición de la imagen de arriba, no hay transmisión de par motor a las ruedas, que es lo mismo que si desconectamos el embrague del motor, tampoco hay transmisión.

Desplazamos el sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la derecha, enclavándose el piñón loco (J). Al hacerse el giro de J solidario con el eje secundario, conseguimos transmitir el par como indica la figura, obteniéndose la mayor reducción de velocidad de giro, por lo que obtenemos la mínima velocidad de desplazamiento del vehículo y el máximo par motor transmitido. 

Desplazamos el sincronizador (recordad que se realiza mediante el accionamiento de la palanca de cambios, que a su vez acciona unas horquillas que desplazan los sincronizadores) de 1ª/2ª (N) hacia la izquierda, enclavándose el piñón loco (I). Al producirse este encalvamiento, la transmisión del movimiento (y del par) será como se indica en la figura superior, y producimos la reducción de la velocidad de giro oportuna. En esta velocidad (2ª), la reducción es algo menor que en el anterior caso, y por ello la velocidad de desplazamiento es algo mayor, y el par motor algo menor.

Desplazamos el sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la derecha, enclavándose el piñón loco (H). Al igual que en casos anteriores, obtenemos una reducción oportuna de la velocidad de giro. La velocidad de giro será un poco mayor que en el anterior caso (2ª velocidad), y por ello la velocidad de desplazamiento será mayor y el par motor algo menor.

En este caso, como nos encontramos con una caja ce cambios de 4 velocidades, cuando desplazamos el sincronizador (O) hacía la izquierda, enclavamos el piñón de arrastre (B) o de toma constante. En este caso se dice que la caja ha engranado la marcha directa, y no hay intervención del eje intermediario, realizandose la transmisión de par motor a la velocidad de giro del motor, es decir de forma directa. Aquí el par disminuye al ofrecido por el motor (luego el diferencial lo aumentará un poco) y se alcanzará la velocidad máxima de desplazamiento. 
En vehículos con caja de cambios de 5 velocidades, la marcha directa puede ser la 4ª y la 5ª es una marcha de desmultiplicación, denominada superdirecta. Esta marcha de desmultiplicación consigue, como su nombre indica, que las revoluciones de giro aumenten con respecto a las revoluciones de motor, consiguiendo que el motor baje de vueltas. Esto se hace para relajar el motor cuando se desciende una pendiente o se llanea, aunque la transmisión de par motor es mínima.

Por último, vemos el accionamiento de la marcha atrás o reverse, indicada con una R en la palanca de cambios. En este caso, un manguito de empuje del piñón de la marcha atrás hace engranar este con dos piñones de dientes rectos que pertenecen al eje secundario e intermediario. Así se obtiene una nueva relación de cambio, además de invertir el giro del eje primario con el secundario. Reseñar dos cosas, una que el piñón del eje secundario es solidario con el eje, y no necesita sincronizador para su engrane, y dos que la reducción de giro es parecida a la primera velocidad, y por tanto el par motor transmitido es muy parecido. 
Digo esto último para que sepais que si un coche con tracción delantera tiene problemas para subir una cuesta en 1ª velocidad (porque patine y en 2ª no tenga fuerza suficiente), podeis probar a subirla marcha atrás. La fuerza a transmitir será muy parecida, pero con la particularidad de que el peso del coche se carga al eje delantero, evitando el patinaje al cargar de más peso al vehículo en la parte delantera.
Bueno, ahora pasamos a estudiar el otro caso de cajas de cambio manuales, las cajas de cambio de dos ejes:

En este esquema se observa como es internamente una caja de cambios de dos ejes, esquema que es un corte transversal de la caja y digamos que estaríamos observándola desde arriba (para que os hagais una idea de porque esa forma). A diferencia de en el anterior tipo, aquí sólo tenemos un eje primario y uno secundario. Esto se hace así ya que la caja se utiliza para motores en posición transversal y tracción delantera. Al tener que compartir espacio con el motor, debe ser lo más compacta posible. Ahora veremos en más detalle los componentes:

Aquí observamos, en primer lugar, que tenemos una velocidad más que en la caja de tres ejes, pero hay cajas de tres ejes con hasta 6 velocidades, así que tomadlo sólo como ejemplo, no como norma. Deciros también, que al contrario que en la caja de tres ejes, aquí los piñones solidarios y los locos se reparten por igual entre los dos ejes, de ahí que no necesitemos eje intermediario y así reduzcamos el tamaño de la caja lo más posible. El gran inconveniente frente a una caja de tres ejes, es que el reparto del par se realiza entre dos ejes y eso hace que los esfuerzos a soportar por los piñones sean mayores.

Al igual que en la caja de tres ejes, desplazamos el sincronizador de la 1ª/2ª (19) velocidad a la derecha, enclavando el piñón loco (20). Al igual que en la caja de tres ejes, obetenmos la máxima reducción de giro, la mínima velocidad de desplazamiento del vehículo y el máximo par motor transmitido.

Ahora desplazamos el sincronizador de 1ª/2ª (19) hacia la izquierda, enclavando el piñón loco (18). La reducción es algo menor que en 1ª, y ya sabeis que eso conlleva menor par motor y algo más de velocidad de desplazamiento del vehículo.

Lo mismo que en anteriores casos, os recuerdo que es un proceso repetitivo. Sólo cambia el sincronizador que se acciona, y sabed que conforme aumentamos la relación de velocidad, disminuimos el par motor transmitido. Esto es siginificativo, porque siempre que queremos hacer un adelantamiento, debemos buscar una relación adecuada para ello. Por ejemplo, la 3ª velocidad puede ser adecuada para muchos casos de adelantamiento, la 2ª velocidad sólo cuando partimos de una velocidad de desplazamiento muy baja. La 5ª velocidad no será adecuada debido al poco par motor transmitido. 

Al igual que en las cajas de tres ejes, aquí intercalamos un piñón de reenvio o piñón de marcha atrás, que es de dientes rectos normalmente. Cambiamos el sentido de giro y además obtenemos una relación de transmisión parecida a la 1ª velocidad.
A continuación os expongo algunos esquemas de una caja de cambio manual moderna:

La mayoría de motores en vehículos de calle están colocados en posición transversal. Es lógico pensar que la caja de cambios manual que más cambios ha sufrido es la de dos ejes, y aquí teneis un esquema de una caja de cambios moderna (el 75 % de los vehículos equipan una similar a esta). Sólo la primera y segunda velocidad tienen doble sincronización, las demás la sincronización es simple. El ir doblemente sincronizada asegura una transmisión del par motor más efectiva, y un engranamiento más suave. Esta caja de cambios es realmente compacta y ligera. Normalmente las cajas modernas llevan una carcasa o cárter fabricado en aluminio al magnesio. Esto les dota de rigidez y ligereza al mismo tiempo.

Esquema de la estructura del árbol primario

Esquema de la estructura del árbol secundario

Quiero que observeis que tanto el árbol primario como el secundario, contienen piñones locos y solidarios, como toda caja de dos ejes que se precie y de ahí lacompacidad que se consigue.

Y he aquí el mecanismo que se encuentra justo debajo de nuestra palanca de cambios. Como veis es un sistema de horquillas que se encuentran alojadas en el interior del cárter y que se encuentran conectadas a la palanca por medio de cojinetes. Estas horquillas son las que desplazan los sincronizadores para accionar una u otra relación de cambio.

Bien, por hoy creo que hemos tenido suficiente, pero seguiremos estudiando cajas de cambio. Hasta el próximo artículo.

A continuación, la bbliografía consultada:

- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios4.htm
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios2.htm
- http://professionalautomotive.wordpress.com/2012/07/24/cajas-de-cambio-tipos-y-funcionamiento/
- http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios1.htm