Cajas de cambio. ¿Por qué y cómo?

Hola chicos.

Hoy traigo un tema que...tela. Es complejo pero intentaré resumirlo y dejarlo lo mas clarito posible.

Todos conocemos de un modo u otro, o por lo menos nos suenan, las cajas de cambio, los sistemas de transmisión y demás.

Pero...¿Qué son? ¿Cómo se componen?

Así que aunque pueda resultar pesado, considero que para quien quiera saber un poco como van, voy a crear esta entrada contando todo lo que sé.

La caja de cambios, simplemente, es el elemento encargado de transmitir la fuerza del motor, a las ruedas para hacer que estas giren.

También es la encargada de mantener el par de giro del motor en las ruedas, superando los obstáculos tales como la resistencia aerodinámica, cuestas y demás.

El principio de funcionamiento se basa, principalmente, en reducir el régimen de giro del motor, hasta conseguir el par suficiente en las ruedas. Esto se consigue gracias a una relación de desmultiplicaciones en la caja, incluída la del grupo del diferencial.

Dicho de otra manera, la caja de cambios ofrece una serie de relaciones entre sus engranajes, de tal modo que el mismo giro del cigüeñal del motor, de como resultado diferentes velocidades de giro en la rueda.

Hay que aclarar también, que éste giro transmitido tiene una proporción tal que así= +velocidad de giro - par motor.

Es decir, a cambio de reducir mucho el giro del cigüeñal para mover la rueda, da también la transmisión casi total de la fuerza. Es por ello que las marchas cortas suelen servir para comenzar a moverse y una vez en movimiento usamos las marchas mas largas.

Aclarando y en función a esto, cuando la velocidad de giro de las ruedas es lento el par es mayor.

¿Cómo funciona?

Haciéndonos una idea, hay que situarnos en el motor antes de pasar a la caja de cambios. Éste  transmite su fuerza a través del volante motor o volante de inercia mediante un embrague (caja manual) o un convertidor de par (caja automática).

Embrague.

Convertidor de par.

Si desarmasemos una caja de cambios, veríamos lo siguiente:

Un árbol primario:

Esta pieza, recibe directamente el giro del motor a la misma velocidad que sale de éste. Normalmente con un piñón conductor, y gira al mismo sentido que el motor (pues como dijimos, recibe el giro directamente).

Un árbol secundario: Engranajes conducidos sobre el que repara finalmente el giro del motor. Giran de forma opuesta al eje primario, y se desplazan sobre el eje o mediante el uso de sincrónicos.

En algunas cajas también encontramos un pequeño eje entre ambos, que ayuda a realizar la desmultiplicación.

Un árbol intermedio:

Este eje va contrapuesto al primario. Aprovecha el giro de éste, en el sentido inverso (funciones de piñonería y engranajes) y enlaza con el eje secundario según la marcha que queramos engranar.

Para entender todo esto un poco mejor, os dejo este gráfico.

Siguiendo el gráfico, en el primer ejemplo vemos como el eje primario transmite al piñón conducido que es mucho mas grande, unas bajísimas revoluciones pero una enorme fuerza de 40 kgf m. 

En el segundo caso, con un pión del mismo tamaño, se transmiten menos kg de fuerza pero se adquiere mas velocidad de giro. Y el tercer ejemplo habla por si solo.

En el cuarto gráfico vemos lo que decíamos antes de un eje o árbol intermedio, el cual realiza una doble desmultiplicación para aumentar la fuerza con una relación de piñonería diferente entre engranajes.

Bien, una vez llegados a este punto, hacemos una pausa. Pues vamos ahora con las cajas de cambio automáticas.

El cambio automático es un sistema de transmisión que es capaz por si mismo de seleccionar todas las marchas o relaciones sin la necesidad de la intervención directa del conductor. El cambio de una relación a otra se produce en función tanto de la velocidad del vehículo como del régimen de giro del motor, por lo que el conductor no necesita ni de pedal de embrague ni de palanca de cambios. El simple hecho de pisar el pedal del acelerador provoca el cambio de relación conforme el motor varía de régimen de giro. El resultado que aprecia el conductor es el de un cambio cómodo que no produce tirones y que le permite prestar toda su atención al tráfico. Por lo tanto el cambio automático no sólo proporciona más confort, sino que aporta al vehículo mayor seguridad activa.

Las cajas automáticas como dije antes, no usan embrague, emplean lo que se denomina, convertidor de par. Veamos qué es.

El convertidor de par, o embrague hidraulico se basa en un principio de bomba centrifuga que mediante el giro, transmite una fuerza capaz de hacer girar las aspas de una hélice. 

De éste principio, nace el embrague hidráulico.

Cuando el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes incide paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia rotación de la bomba o rotor conductor, formándose así un torbellino tórico.
La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar.
Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo.
A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague.
Cuando el motor gira rápidamente desarrollando su par máximo, el aceite es impulsado con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de transmisión máximo).
El par motor se transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente.
Al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.

¿Ventajas e inconvenientes de los embragues hidráulicos?

Este tipo de embrague presenta el inconveniente de que no sirve para su acoplamiento a una caja de cambios normal, es decir, de engranes paralelos; ya que aun funcionando a ralentí, cuando el resbalamiento es máximo, la turbina está sometida a una fuerza de empuje que, aunque no la haga girar por ser mayor el par resistente, actúa sobre los dientes de los engranajes y no permite la maniobra del cambio de velocidades.
Por esta razón este embrague se utiliza en cajas de cambio automático. Para su acoplamiento a una caja normal, habría que intercalar un embrague auxiliar de fricción que permita desacoplar la caja de cambios en el momento del cambio.
Debido a la inevitable pérdida de energía por deslizamiento del aceite en su acoplamiento para obtener el par máximo, los vehículos equipados con este tipo de embrague consumen algo más de combustible que los equipados con un embrague normal de fricción. Presentan también la desventaja de un mayor coste económico, así como la necesidad de tener que acoplar una caja de cambios automática.


Como contrapartida de estos inconvenientes, la utilización del embrague hidráulico presenta las siguientes ventajas:

• Ausencia de desgaste.
• Duración ilimitada, incluso mucho mayor que la vida útil del vehículo.
• Las vibraciones por torsión en la transmisión están fuertemente amortiguadas, cualidad muy importante para su utilización en los motores Diesel.
• Arranque muy suave, debido a la progresividad en el deslizamiento.
• Bajo coste de entretenimiento, no exigiendo más atención que el cambio periódico de aceite cada 15 000 ó 20 000 km.

Y hasta aquí la entrada de hoy. Realmente hay mas de lo que hablar, sobre todo tipos de embrague o formas de ir pilotados. Pero el fin de este blog no es convertirnos en eruditos de la mecánica y automoción, sino aprender y dominar mas o menos las nociones básicas, aunque sea para que cuando nos hablen, nos suene de algo.

Un abrazo señores, hasta la próxima.