2.5. La caja de cambios

Importante

Sistema que acopla el motor y el sistema de transmisión, de forma que la misma velocidad de giro del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas, generalmente se reduce la velocidad de giro y se incrementa el par motor en el eje de salida.
Imagen 30. Wikicars. Creative Commons
La potencia desarrollada por un sistema giratorio viene dada por:
 
  • Donde es la velocidad angular de giro (rad/s) y
  • M es el momento o par motor que ejerce el motor sobre el eje de transmisión de la potencia.
Supongamos que un motor entrega una potencia constante. Según la expresión anterior, ésta es igual al par motor multiplicado por la velocidad de giro. Es decir, si la velocidad de giro del motor aumenta, el par motor disminuye, y viceversa.
 
Si un motor de explosión transmitiera directamente la potencia a las ruedas, probablemente sería suficiente para que el vehículo se moviese en terreno llano. Si consideramos que toda la potencia suministrada por el motor es recogida por las ruedas:
 
Donde:
  • Mm.- par desarrollado por el motor
  • Mr.- par resistente en las ruedas
  • m.- Velocidad del motor
  • r.- Velocidad de las ruedas

Pero al subir una pendiente, el par resistente en las ruedas aumentaría, entonces el motor no tendría suficiente fuerza para continuar a la misma velocidad, disminuyendo ésta gradualmente. El motor perdería potencia y llegaría a pararse.
 
Para evitar esto y poder superar el par resistente, es necesario colocar un órgano que permita variar el par motor, según las necesidades de la marcha. En resumen, con la caja de cambios se "disminuye" o "aumenta" el par (la fuerza) del vehículo e inversamente se "aumenta" o "disminuye" la velocidad del vehículo.
 
La caja de cambios permite que se mantenga la velocidad de giro del motor, y por lo tanto la potencia y par más adecuado a la velocidad a la que se desplaza el vehículo.
 
La caja de cambios es un elemento de transmisión que se interpone entre el motor y las ruedas para modificar la velocidad de las mismas e invertir el sentido de giro cuando las necesidades de la marcha lo requieran. Actúa, por tanto, como transformador de velocidad y convertidor mecánico de par.

Curiosidad

Vídeo que muestra el despiece de una caja de cambios, duración 2' 54 s.

http://www.youtube.com/watch?v=eFEhC2T4FAg

Si no existiera la caja de cambios la velocidad del motor se transmitiría íntegramente a la ruedas con lo que el par a desarrollar por el motor sería igual al par resistente en las ruedas.

Según esto, si en algún momento el par resistente aumentara, habría que aumentar igualmente la potencia del motor para mantener la igualdad Mm=Mr.

En tal caso, se debería contar con un motor de una potencia desproporcionada, capaz de absorber en cualquier circunstancia los diferentes regímenes de carga que se originan en el eje de rodadura, y eso es imposible.
 
La caja de cambios, por tanto, se dispone en los vehículos para obtener, por medio de engranajes, el par motor necesario en las diferentes condiciones de marcha, aumentado el par de salida a cambio de reducir el número de revoluciones en las ruedas. Con la caja de cambios se logra mantener, dentro de unas condiciones óptimas, la potencia desarrollada por el motor.

Mecanismo

Imagen 31. howstuffworks. Copyright
La caja de cambios va acoplada al volante de inercia del motor, del que recibe movimiento del cigüeñal a través del embrague, en las cajas manuales, acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.

La caja de cambios, generalmente, está constituida por pares de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles más una eje loco.
  • Árbol primario, recibe el movimiento directamente del cigüeñal, habitualmente tiene un único piñón.

  • Árbol intermedio, es el árbol transmisor, consta de una corona que engrana con el árbol primario, y de varios piñones unidos solidariamente al árbol, que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.

  • Árbol secundario, Está formado por varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial (controlado por un sistema de chaveteros o manguitos). La posición axial de cada rueda se regula por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermedio. Transmite el giro al diferencial.

  • Eje de marcha atrás, dispone de una rueda loca que se intercala entre los árboles intermedio y secundario invirtiendo el sentido de giro habitual del árbol secundario. La marcha atrás se diferencia de cualquiera de las otras, por que es la única que tiene engranajes de dientes rectos, y siempre es necesario seleccionarla cuando el automóvil está detenido.

Todos los árboles se apoyan, a través de rodamientos en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición, aluminio o magnesio, donde van los engranajes y los dispositivos de accionamiento.

Una variación a este sistema es la caja de cambios automática. Este mecanismo de manera autónoma, determina la mejor relación entre los diferentes elementos que concurren en la marcha, como la potencia del motor, la velocidad del vehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia al desplazamiento. Se trata de un dispositivo electrohidráulico que determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo realiza un calculador electrónico. Mientras que la caja de cambios convencional está constituida por engranajes, la caja automática funciona con piñones, que forman el tren epicicloidal.

 

En las cajas automáticas se prescinde del embrague usado en las manuales, y su función la realiza un convertidor hidráulico, por lo que el conductor no tiene que embragar o desembragar como sucede en las cajas cambios manuales.

 

La idea de funcionamiento de un convertidor hidráulico se entiende muy bien imaginando dos ventiladores enfrentados, si conectamos uno de ellos, produce viento que actúa sobre las palas del segundo ventilador y lo hace girar según el sentido de inclinación de sus palas. En este caso se ha producido un acoplamiento fluido entre los dos ventiladores, siendo el aire el fluido utilizado.

 

Si reducimos la distancia entre los dos elementos y los cerramos herméticamente, o muy juntos, elevamos muy significativamente la eficiencia de este tipo de acoplamiento.

Curiosidad

Video de youtube que de forma muy sencilla muestra el mecanismo de una caja de cambios de cuatro marchas, más marcha atrás, duración 48 s.

Importante

Relación de transmisión

Es la relación existente entre la velocidad del eje de salida (ruedas) y la velocidad del motor:

expresa la velocidad ángular en rad/s, n en rpm y M es el Par producido en el motor y las ruedas de salida respectivamente.

La relación de transmisión es la desmultiplicación que hay que aplicar en la caja de cambios para obtener el aumento de par necesario en las ruedas. Ésta a su vez dependerá del número de dientes de los engranajes de las distintas marchas.

Cálculo de velocidades para una caja de cambios.

Para calcular las distintas relaciones de desmultiplicación que se pueden obtener en una caja de cambios, hay que partir del par máximo transmitido por el motor, ya que dentro de este régimen es donde se obtiene la mayor fuerza de impulsión en las ruedas. Para ello se representa en un sistema de ejes coordenados las revoluciones máximas del motor, que están relacionadas directamente con la velocidad obtenida en las ruedas en función de su diámetro.

Siendo "n" el número de revoluciones máximas del motor y "n1" el numero de revoluciones al cual se obtiene el par de transmisión máximo del motor (par motor máximo), dentro de ese régimen deben establecerse las sucesivas desmultiplicaciones en la caja de cambios. Entre estos dos limites (n y n1) se obtiene el régimen máximo y mínimo en cada desmultiplicación para un funcionamiento del motor a pleno rendimiento.

Imagen 32. mecanicavirtual. Copyright

Todo quedará más claro con el siguiente ejercicio resuelto.

Ejemplo o ejercicio resuelto
Realiza el cálculo de la caja de cambios de un vehículo Peugeot 405 Mi16 a partir de los datos reales que proporciona el fabricante:

  • Cilindrada (cc): 1998
  • Potencia (CV/rpm): 155/5600.
  • Par máximo (mkgf): 19,3/3500.
  • Neumáticos: 195/55 R14.
  • Relación de transmisión. (i)
    • i (1ª velocidad) = 13/38 = 0,342
    • i (2ª velocidad) = 23/43 = 0,534
    • i (3ª velocidad) = 25/32 = 0,781
    • i (4ª velocidad) = 32/31 = 1.032
    • i (5ª velocidad) = 37/28 = 1,321
    • i (M.A: marcha atrás) = 12/40 = 0,30
  • Además de la reducción provocada en la caja de cambios también tenemos que tener en cuenta que en el grupo diferencial hay una reducción, este dato también lo proporciona el fabricante.
    • i (G.C: grupo piñón-corona diferencial) = 14/62 = 0,225