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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA “DESCRIPCION DE LA TRANSMISION AUTOMOTRIZ MANUAL Y AUTOMATICA “ MONOGRAFIA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: JOSE LUIS MARTINEZ VAZQUEZ DIRECTOR: ING. JOSE LUIS PALAFOX OLVERA XALAPA, VER. NOVIEMBRE 2013 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 1 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 2 Dedicatoria Primeramente gracias a Dios por ser mi guía, a Jesús por ser mi inspiración, modelo y por ser el ejemplo mas grande de amor en este mundo. Dedico esta monografía a mi madre que ha sabido formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha ayudado a salir adelante en los momentos más difíciles. A mi profesor guía Ing. José Luis Palafox Olvera, por su ayuda y comprensión en el desarrollo de esta monografía. A mi familia en general incondicional por su apoyo económico y moral Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 3 ÍNDICE CAPITULO I HISTORIA 1.1 Introducción……………………………………………………………………………......6 1.2 ¿Por qué existe la transmisión? …………………………………………………….......7 1.3 Historia……………………………………………………………………………………...8 1.3.1Historia de la transmisión manual…………………………………………. 10 1.3.2 Historia de la transmisión automática…………...……………………….....11 1.3.3 El primer engrane…………………………………………………………..…15 1.3.4 Ventajas y desventajas………………………………………….…………...16 CAPITULO II PRINCIPIO DEL FUNCIONAMIENTO 2.1 Grados de libertad………………………………………………………………….…...18 2.2 Partes y funcionamiento……………………………………………………………..…25 2.2.1 Embrague (Partes y su funcionamiento)…………………………………...25 2.2.2 Tipos de embrague……...………………………………………………..….29 2.2.3 Tipos de accionamiento para el embrague……………...………………..39 2.2.4 Caja de velocidades………………………………………………………....43 2.2.5 Mecanismo…………………………………………………………………...51 2.2.6 Ejemplo……………………………………………………………………….54 CAPITULO III TRANSMISION MANUAL Y MANTENIMIENTO 3.1 Transmisión manual……………….……………………………………...…………..60 3.2 Sincronizadores…………………………………………………………………….....62 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 4 3.3 Caja de velocidades de 2 ejes……………………………………………………….65 3.4 Caja de velocidades de 3 ejes……………………………………………………….71 3.5 Caja de velocidades actualizada…………………………………………………….79 3.6 Doble sincronización……………………………………………………......................84 3.7 Sensores y actuadores……………………………………………...……………....89 3.8 Mantenimiento………………………………………………………………………...…90 CAPITULO IV TRANSMISION AUTOMATICA Y MANTENIMIENTO. 4.1 Componentes y funcionamiento…………………………………………………...…..91 4.2 Posición de la palanca de cambios………………………………………….…………99 4.3 Engranaje planetario…………………………………………………...….............100 4.4 Funcionamiento y relaciones de transmisión………………………...………....103 4.5 Características particulares………………………………………………………...108 4.6 Mantenimiento…………………………………………………………………………..111 Bibliografía…………………………………………………………………………………...113 Conclusión……………………………………………………..………………………….…114 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 5 Capitulo I Historia 1.1 Introducción Desde que fue creado el primer automóvil en el mundo más o menos en el año 1889 por el señor Karl Benz (primero en patentar la idea de un carro impulsado por un motor de combustión, un triciclo al que se denominó Motorwagen, que actualmente se conserva en Munich), así como también sus antecesores Nicolás Cugnet constructor de un vehículo propulsado por vapor, Wlilliam Murdoch, Richard Trevithick, Etienne Lenoir, etc; la necesidad del ser humano por sentir control, disminuir distancias y tiempos de desplazamiento fue uno de los objetivos más obsesivos en la historia de la mecánica automotriz, dando lugar a nuevas y mejoradas tecnologías que convirtieran al automóvil en un medio útil para vivir. Una transmisión automática permite que un vehículo pueda cambiar las relaciones de transmisión de una caja de cambios sin necesidad de que su conductor utilice una palanca o embrague (closh). Sus orígenes se remontan a 1894, cuando la transmisión automática moderna fue introducida por los franceses Louis-René Panhard y Emile Levassor. Diez años más tarde, el concepto se mejoró con gran ingenio por los hermanos Sturtevant de Boston, Massachusetts. El elemento que cumple estas funciones es el cambio de marchas y se sitúa dentro de la cadena de transmisión justo después del embrague. La caja de cambios tiene el aspecto de una caja de la que salen dos ejes, uno de los cuales va unido al embrague y otra continua por cadena de transmisión hasta las ruedas, y una palanca que se acciona desde el interior del vehículo y que permite seleccionar en cada momento la relación más adecuada (para una transmisión manual). El principio de funcionamiento del cambio de marchas es el mismo que rige la ley de la palanca, que permite mover, con una fuerza pequeña, un peso grande, sin más que utilizar un brazo largo. Para ello, los elementos principales dentro de la caja de cambios son las ruedas dentadas, que se comportan como si fuesen una serie de palancas consecutivas. Si el movimiento entra por un piñón pequeño y sale por uno más grande se conseguirá aumentar el par pero se reducirá la velocidad de giro: mientras que si el par entra por la rueda grande ocurrirá lo contrario. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 6 1.2 ¿Por qué existe la transmisión? directamente al diferencial? ¿Por qué no se conecta el motor Aunque para mucha gente la respuesta a esta pregunta es obvia, creo que vale la pena explorar el propósito de cualquier transmisión. La fuerza que produce el motor de combustión interno puede ser medida de dos maneras: La potencia pura y el torque (a veces descrita como fuerza de giro). Esta relación es frecuentemente referida como el régimen del giro, lo cual varía entre motores y sus diseños. Al acelerar el motor, el torque llega a su máximo antes de que la potencia llegue a su máximo. El motor de un coche, en condiciones normales de marcha gira a unas 3.500 rpm, si hacemos que las ruedas giren a esa velocidad el automóvil se desplazaría a una velocidad superior a los 350 Km./h. Por lo tanto es claro que hay que disponer de un elemento intermedio que se encargue de variar la relación de transmisión entre motor y ruedas, permitiendo en cada momento obtener el máximo rendimiento del motor. Además, este elemento deberá permitir que se invierta el sentido de la marcha del vehículo sin invertir el giro del motor, ya que esto no resulta posible. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 7 1.3 Historia El 29 de enero de 1886, Karl Benz solicitó la patente de un vehículo de tres ruedas, que hoy es reconocido oficialmente como el primer automóvil del mundo. Se ganó ese derecho por una razón simple: Era una máquina que podía utilizarse de manera eficiente. A diferencia de otros inventores, Benz agrupó elementos ya conocidos. Así, no sólo instaló un motor de combustión interna en el chasis del coche, sino que lo hizo capaz de realizar movimientos autónomos mediante un sistema de transmisión por correa. Retratos de Carl Benz, inventor del automóvil y bertha benz Después de que el Dr. Benz construyera el primer automóvil, en el año 1888 un invento que nadie quería comprar, todo sea dicho, su esposa Bertha tomó aquel coche sin consultárselo a su marido y junto con sus dos hijos, de catorce y quince años de edad, hizo el primer viaje, por lo longitud del trayecto, en automóvil. La ruta llevó a la pionera señora desde Mannheim hasta Pforzheim y aquellos poco más de cien kilómetros que recorrió la esposa de Benz la llevaron a la historia del automóvil. Bien es cierto que la señora Benz siempre había apoyado a su marido en el trabajo de este con el automóvil y por lo tanto aquel cacharro tampoco era algo nuevo para ella, pero fue la primera que lo llevó más allá de un pequeño trayecto de prueba. Bertha quería usar el vehículo para hacer el viaje, pero también quería mostrarle era a su marido, y a otros, que era un invento realmente útil. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 8 Como era de esperar, no todo fue un camino de rosas. Cuando hubo de hacerse con más combustible para el coche se vio obligada a buscar una farmacia para comprarlo y también necesitó la ayuda de un herrero para solucionar algún problema mecánico. El primer automóvil se movía a 18km/h así que tardo casi un dia a la señora Benz y a sus hijos recorrer casi cien kilómetros. Aquel viaje, como decía, fue el primer viaje en coche, lo hizo una señora, pero además sirvió para dar a conocer el invento por una parte, y para ayudar al Dr. Benz a solucionar algunos problemas y fallos en el diseño. Este primer automóvil estaba equipado con un pequeño motor de cuatro tiempos (ciclo Otto) horizontal mono-cilíndrico, obviamente *naftero (Benz fue también el primer inventor en determinar las características que debía tener este combustible), carburador y refrigeración por agua mediante un radiador refrigerado por agua (ambos, geniales inventos de Benz, que aún perduran en la tecnología automotriz). Patente del primer automóvil *Nafta La nafta es también conocido como éter de petróleo, es un derivado del petróleo extraído por destilación directa, utilizado principalmente como materia prima de la industria petroquímica ("nafta petroquímica" o "nafta no energética"), en la producción de alquenos, como etileno y propileno, así como de otras fracciones líquidas como benceno, tolueno y xilenos. En la industria química se usa como disolvente. Nafta es un combustible altamente volátil, muy inflamable y es utilizado, sobre todo, como combustible para motores a explosión. Su poder calorífico es 11000 kcal/Kg = 44.4 MJ/kg. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 9 Replica del motor de Benz Inventor francés Louis-René Panhard y Emile Levassor se le acreditan el desarrollo de la transmisión manual moderno de primera. Demostraron su transmisión de tres velocidades en el 1894 y el diseño básico sigue siendo el punto de partida para la mayoría de las transmisiones manuales contemporáneos. 1.3.1 Historia de la transmisión manual Panhard Levassor y Emile Levassor utilizaron una unidad de la cadena en su transmisión original. En 1898 el fabricante de automóviles Renault, Louis utilizó su diseño básico, pero sustituyo un eje impulsor de la cadena de transmisión y añadió un eje diferencial de las ruedas traseras para mejorar el rendimiento de la transmisión manual. A principios del siglo XX la mayoría de los coches fabricados en los Estados Unidos ofreció una transmisión manual sincronizada, no basado en el Panhard / Levassor / diseño de Renault. La innovación principal siguiente ocurrió en 1928 cuando se presentó el Cadillac transmisión manual sincronizada, lo que redujo significativamente equipo de molienda y se cambio más suave y más fácil. René Panhard y Emile Levassor eran socios en un negocio de maquinaria para la madera, cuando decidieron convertirse en fabricantes de automóviles. Ellos construyeron su primer automóvil en 1890 con un motor Daimler. El equipo estaba encargado por Edouard Sarazin, que tenía los derechos de licencia para la patente Daimler para Francia. (Concesión de licencia de patentes significa que usted paga una cuota y entonces usted tiene el derecho de construir y utilizar el invento de alguien con fines de lucro -. En este caso Sarazin tenía el derecho a construir y vender motores de Daimler en Francia) Los socios no sólo de coches fabricados, hicieron mejoras en el diseño de la carrocería del automóvil. Panhard-Levassor hizo vehículos que tenían un pedal de embrague de accionamiento, una transmisión de cadena que lleva a una caja de engranajes de cambio de velocidad, Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 10 y un radiador frontal. Levassor fue el primer diseñador para mover el motor a la parte delantera del coche y utilizar un diseño de tracción trasera. Este diseño se conoce como la Systeme Panhard y rápidamente se convirtió en el estándar para todos los coches, ya que dio un mayor equilibrio y una mejor dirección. Panhard y Levassor también se les atribuye la invención de la transmisión moderna - instalado en su Panhard 1895. Panhard y Levassor también compartieron los derechos de licencia de los motores de Daimler con Armand Peugeot. Un coche Peugeot ganó la primera carrera de coches celebrada en Francia, que ganó Peugeot publicty e impulsó las ventas de automóviles. Irónicamente, el "París a Marsella" carrera de 1897 dio lugar a un accidente automovilístico fatal, matando a Emile Levassor. 1.3.2 Historia de la transmisión automática El desarrollo de la transmisión automática se remonta a los primeros años de la década de 1930, aunque la primera transmisión automática verdadera (que no necesita embrague) no apareció en las líneas de producción sino hasta 1939. Su historia se origina en el Ford modelo T, cuyo engranaje planetario operaba con el pie, tomo parte en la impulsión de más de 15 millones unidades que salieron de la línea de montaje entre1908 y 1927. También ayudaron los logros de otras compañías: el trabajo de Chrysler sobre impulsión hidráulica y el desarrollo del sistema de control hidráulico por General Motors, así como su convertidor de Par como los más significativos. Fue la división Hidra-Matic de General Motors, anteriormente la Detroit Transmisión división, la que inicialmente completo la primera transmisión totalmente automática en modelos de línea, en Octubre de 1939, seis meses después de haberse formado esa división. Sus transmisiones fueron fabricadas para los Oldsmobile. Un año después, Hidra-Matic producía unas 220 transmisiones diarias, y comenzaron los embarques para Cadillac. Las transmisiones automáticas se usaron en algunos vehículos militares durante los años de la guerra, y su continuo desarrollo condujo al convertidor de Par, un ingenioso acoplamiento de impulsión, hidráulico, que casi no transmitía par a bajas velocidades del vehículo, pero a velocidad de crucero era un acoplamiento hidráulico muy eficiente. Para 1950, todos los principales fabricantes de automóviles ofrecían transmisiones automáticas, y poco tiempo después en muchos modelos se ofrecía como equipo estándar. Así podemos decir que los principales elementos de la transmisión automática –el acoplamiento hidráulico, los engranajes planetarios y los sistemas de control hidráulico aparecieron en los últimos años de la década de 1940. Desde entonces, los ingenieros Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 11 han cambiado el diseño, aplicación y ubicación de esos elementos, pero no han hecho cambios de importancia o adiciones a los elementos mismos. Ha habido otros desarrollos, como el cambio de velocidades controlado por computadora, que apareció en los primeros años de la década de 1980, pero el cambio automático mismo, desde el punto de vista del conductor, ha cambiado poco desde 1948. Transmisión de Sturtevants. Los hermanos Sturtevant desarrollaron la transmisión automática de dos velocidades, pero en ese entonces la tecnología industrial era primitiva, por consiguiente la caja de cambios era propensa a sufrir fallas, debido a la tensión de las relaciones de cambio de marcha. En 1901 aparece un Panhard et Levassor con una transmisión automática. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 12 Reo, la prueba Reo fabricante de automóviles desarrolló el auto-palanca de cambios en 1934, que básicamente utiliza dos transmisiones: se utiliza a velocidades normales y la segunda, baja la velocidad cuando se requiere para frenar el coche. El Reo de 1934 vino equipado con una transmisión automática opcional. Innovación tecnológica En 1940, Oldsmobile de General Motors comercializa una versión fiable, la HydraMatic, que combinaba un acoplamiento hidráulico con tres juegos de engranajes planetarios que fueron controlados hidráulicamente. Transmisión automática pudo ser ordenada para este Sedán Oldsmobile Series 90 de 1940 . Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 13 El Hydra-Matic se ofreció en automóviles Cadillac y Pontiac, pero la segunda guerra mundial interrumpió la producción en masa para todos los modelos de uso comercial o civil. A raíz de esta problemática internacional las marcas anteriormente nombradas se convirtieron en automóviles para usos militares exclusivamente. El Buick comenzó a comercializar sus Dynaflow automáticos en 1948. Otros seguidores Buick siguió con su Dynaflow en 1948; mientras que Packard ofreció la Ultramatic en 1949. Así mismo Chevrolet debutó con su Powerglide en 1950. Ford presentó su Cruise-o-matic a principios de la posguerra. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 14 A la fecha Fabricantes alemanes y japoneses están a la vanguardia hoy en día con la nueva tecnología automática, con BMW desarrollaron la primera caja automática de seis velocidades en el 2002, Mercedes-Benz, una de siete velocidades ó técnicamente llamada 7G-Tronic en el 2003, y la de ocho velocidades de Toyota lanzada en el 2007 con el Lexus LS 460. El Lexus LS 460 (2007) viene equipado con una caja automática de ocho velocidades. 1.3.3 El primer Engrane Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados en madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y movimiento. Nadie sabe a ciencia cierta dónde ni cuándo se inventaron los engranajes. La literatura de la antigua China, Grecia, Turquía y Damasco mencionan engranajes pero no aportan muchos detalles de los mismos. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 15 Nadie sabe a ciencia cierta dónde ni cuándo se inventaron los engranajes. La literatura de la antigua China, Grecia, Turquía y Damasco mencionan engranajes pero no aportan muchos detalles de los mismos. Leonardo da Vinci llego a diseñar en sus tiempos lo que seria el precursor de las cajas de cambios de los modernos coches. Imbuido por la fiebre del desarrollo industrial que fomentaba Ludovico el Moro, Leonardo Da Vinci diseño un cambio de velocidad compuesto por dos piezas, una cilíndrica y otra cónica que mediante una serie de engranajes convertía el mecanismo en un cambio de velocidades. Caja de velocidades diseñada por Leonardo Da Vinci Acá podemos observar los tipos de engranajes usados en su Leonardo móvil. (Esta información generar.html ) se extrajo de http://proyectodejuanjo.blogspot.mx/2010/10/un-un-aerodino-eronave-de- Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 16 1.3.4 AUTOMATICO VS MANUAL VENTAJAS Y DESVENTAJAS CAMBIO MANUAL Ventajas -El conductor decide con qué marcha va a funcionar el motor. - Mayor control sobre el vehículo y menor consumo de combustible y por tanto, de contaminación. -Suele ser más barato y aceptado por la mayoría de población. - El coche va a pesar menos. - En caso de avería, las reparaciones por lo general son baratas. Desventajas - Probabilidad de que el motor se jale (especialmente en salidas y cuestas pronunciadas) - Desgaste de embrague y conjunto de cambio. - Mayor incomodidad durante la conducción. - Mayor probabilidad de averías. - Mayor probabilidad de sufrir distracciones. CAMBIO AUTOMÁTICO Ventajas -Una central selecciona la marcha en función del régimen de giro de motor. -La caja de cambios, el embrague interno e incluso el propio motor sufren menos durante toda su vida. -Permite tener un pie libre y se evitan las distracciones. -Imposibilidad de calado e incluso al salir en rampas muy empinadas. -Imposibilidad de equivocarse con la marcha, buenas recuperaciones, y por lo general, una conducción mucho más amena. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 17 - Los ingenieros desarrollaron la transmisión automática para brindar mayor confort y seguridad al conducir ya que usted no necesita maniobrar con una sola mano mientras que con la otra selecciona las velocidades además permite distribuir la potencia del motor uniformemente sin sobre revolucionar o exponer el motor a sobre carga restándole vida al motor, diferencial, ejes, barra de transmisión y otros. Sin mencionar lo difícil de aprender a conducir o bien sea imposible de conducir para una persona con ciertas limitaciones físicas. Pero no está exenta de mantenimiento y lo que las vuelve inseguras es la falta de mantenimiento preventivo. Desventajas - Su precio es elevado, y en especial, las reparaciones. - Menor control sobre el vehículo a cualquier nivel. - Los frenos responden ''peor'' (hay que frenar más) al ser las retenciones mucho más suaves. - Mayor consumo de carburante. - Conducción poco divertida y sosa para una gran parte de conductores. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 18 Capitulo II Principio del funcionamiento 2.1 Grados de Libertad PARES SUPERIORES Si la conexión ocurre en un punto o a lo largo de una línea tal como un rodamiento de bolas o entre los dientes de un engrane en contacto se le conoce como par superior, como se muestra en la figura 1.1 Figura 1.1 pares superiores La tabla 1.2 muestra los pares superiores más comunes Un par que sólo permite rotación relativa es un par de giro o revoluta y puede ser inferior o superior dependiendo de que se emplee un perno y buje o un rodamiento de bolas para la conexión. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 19 Un par que sólo permite el deslizamiento es un par deslizante, es un par inferior, por ejemplo: entre el pistón y la pared del cilindro. LOS PARES CINEMATICOS SON EL ASPECTO MÁS IMPORTANTE DE EXAMINAR EN UN MECANISMO DURANTE SU ANÁLISIS. PERMITEN EL MOVIMIENTO RELATIVO EN ALGUNA DIRECCIÓN MIENTRAS RESTRINGEN EL MOVIMIENTO EN OTRAS DIRECCIONES. Los tipos de movimiento permiten y están relacionados con el número de grados de libertad (degrees of freedom) (dof) en el par cinemática. El número de grados de libertad de la junta cinemática es igual al número de coordenadas independientes que se necesitan para especificar solamente la posición de un eslabón relativo para otra restricción por la junta cinemática. Los pares superiores algunas veces son reemplazados por pares inferiores equivalentes. Por ejemplo un perno sobre una ranura es como la combinación de un par de revoluta y un par prismático, esto se logra aumentando elementos al mecanismo. En ambos casos un par inferior es reemplazado por un contacto de rodamiento o junta compuesta, en este caso se dice que los dos mecanismos son dilemática mente equivalentes. El número de grados de libertad de un par cinematico es el número mínimo de parámetros independiente requeridos para definir la posición de todos los puntos de un cuerpo que están conectados relativamente a un marco de referencia fijo a otro. El término conectividad se usa para designar la libertad de un cuerpo, siempre a través de un par cinematico, que puede ser tal cosa que sea muy complicada como un rodamiento antifricción, como se muestra en la tabla 1.3. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 20 Figura 1.3 CADENA CINEMATICA Cuando se conectan varios eslabones por medio de pares, el sistema resultante es una cadena cinemática, como se muestra en la figura 1.4 Figura 1.4 cadena cinemática Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 21 Si se conectan estos eslabones de manera que no sea posible ningún movimiento, se dice que se tiene una cadena trabada (ESTRUCTURA), como se muestra en la figura (1.5). Figura 1.5 cadena trabada, se le conoce como estructura Una cadena restringida es el resultado de conectar los eslabones en forma tal que no importa cuántos ciclos de movimiento se pare, el movimiento relativo siempre será el mismo entre los eslabones. También es posible conectar los eslabones de manera que se obtenga una cadena no restringida, lo que significa que el patrón de movimiento cambiará con el tiempo dependiendo de la cantidad de fricción que se tenga en las uniones. Si uno de los eslabones de la cadena restringida se transforma en un eslabón fijo, el resultado será un mecanismo. INVERSION Si se permite mover el eslabón que originalmente estaba fijo en un mecanismo y se fija otro eslabón, se dice que el mecanismo se invierte. La inversión de un mecanismo no cambia el movimiento de sus eslabones entre sí, aunque si cambia sus movimientos absolutos (relativos a la bancada) Los movimientos que resultan de cada inversión pueden ser diferentes, pero algunas inversiones de una cadena pueden producir movimientos similares a otras inversiones de la misma cadena. En estos casos, sólo algunas de las inversiones pueden tener movimientos enteramente diferentes. Si denotarán las inversiones que tienen movimientos enteramente diferentes como inversiones distintas, como se muestra en la figura 1.6 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 22 Figura 1.6 muestra las cuatro inversiones de un mecanismo de manivela-biela-corredera a) INVERSION 1 traslación de la corredera b) INVERSION 2 la corredera tiene movimiento complejo c) INVERSION 3 la corredera gira d) INVERSION 4 la corredera permanece fija La figura1.7 muestra un mecanismo de cuatro barras con diferentes condiciones de movimiento Figura 1.7 muestra un mecanismo de 4 barras en donde se analizan diferentes tipos de movimiento de acuerdo a las dimensiones de sus eslabones. MOVILIDAD O NÚMERO DE GRADOS DE LIBERTAD La movilidad es uno de los conceptos importantes en el estudio de la cinemática de mecanismos. Por definición, la movilidad de un mecanismo es el número de grados de libertad que posee. Una definición equivalente de movilidad es el número mínimo de parámetros independientes requeridos para especificar la posición de cada uno de los eslabones de un mecanismo. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 23 Por ejemplo: un eslabón sencillo restringido o limitado a moverse con movimiento plano, como el que se muestra en la figura 1.7, posee tres grados de libertad, las coordenadas x y y del punto P junto con el ángulo forma un conjunto independiente de tres parámetros que describen la posición del punto P, como se muestra en la figura 1.8. Figura 1.8 Eslabón conectado a un punto P Considere ahora dos eslabones con movimiento plano desconectados. Debido a que cada eslabón posee tres grados de libertad, estos dos eslabones tienen un total de seis (6) grados de libertad, como se muestra en la figura 1.9 Figura 1.9 se muestran dos eslabones desconectados Si los dos eslabones se unen en un punto mediante una unión de giro o revoluta. El sistema formado por dos eslabones tendrá solamente cuatro grados de libertad, como se muestra en la figura 1.10. Los cuatro parámetros independientes que describen la posición de los dos eslabones podrían ser por ejemplo las coordenadas x y y del punto P1, el ángulo 1 y el ángulo 2. Hay muchos otros parámetros que podrían utilizarse para especificar la posición de estos eslabones, pero solo cuatro de ellos pueden ser independientes. Una vez que se especifican los valores de los parámetros independientes la posición de cada punto en ambos eslabone queda determinada. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 24 Figura 1.10 se muestra la unión de dos eslabones La conexión de dos eslabones con movimiento plano mediante una unión de giro o revoluta tuvo el efecto de restarle dos grados de libertad al sistema. Dicho de otra manera, la unión giratoria permite un solo grado de libertad (rotación pura) entre dos eslabones que conecta. Mediante este tipo de lógica es posible desarrollar una ecuación general que ayude a predecir la movilidad de cualquier mecanismo con movimiento plano. El reconocer que un eslabón de todo mecanismo siempre se considera fijo con respecto a la bancada hace que el mecanismo pierda tres grados de libertad. Esto deja al sistema un total de 3n-3 ó 3(n-1) grados de libertad. Cada unión de un grado de libertad le quita dos grados de libertad al sistema. De manera similar, cada unión de dos grados de libertad le quita un grado de libertad al sistema. La movilidad total del sistema está dada por la ecuación de Grubler. M = 3 (n-1) -2f1- f2 Donde: M = movilidad o número de grados de libertad n = número de eslabones (incluyendo la bancada) f1 = número de uniones de un grado de libertad (pares inferiores: pernos o correderas) f2 = número de uniones de dos grados de libertad (pares superiores: levas o engranes) NOTA: SE DEBE TENER CUIDADO AL APLICAR ESTA ECUACIÓN YA QUE EXISTEN VARIAS GEOMETRIAS DE MECANISMOS ESPECIALES PARA LOS QUE NO FUNCIONA. AÚN CUANDO NO EXISTE UNA REGLA GLOBAL PARA PREDECIR CUÁNDO LA ECUACIÓN DE MOVILIDAD PODRÍA DAR UN RESULTADO INCORRECTO, CON FRECUENCIA SE PRESENTAN CASOS ESPECIALES EN QUE VARIOS ESLABONES DE UN MECANISMO SON PARALELOS. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 25 Las siguientes definiciones se aplican a la movilidad real o efectiva de un dispositivo: M 1 M=0 M 2.2 el dispositivo es un mecanismo con M grados de libertad el dispositivo es una estructura estáticamente determinada -1 el dispositivo es una estructura estáticamente indeterminada Partes y su funcionamiento 2.2.1 Embrague y sus partes Embrague Figura 2.1 Nombrando de izquierda a derecha de la imagen (2.1), tenemos las carcasas con el diafragma en el interior y la maza de empuje detrás. Cojinete de accionamiento axiales y a la derecha el disco de embrague con los muelles anti vibración. El embrague gira solidario a otro elemento importante el volante de inercia Figura 2.2 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 26 El volante de inercia debe su nombre al principio físico que lo hace funcionar, la inercia. Esta es la propiedad que tienen todos los cuerpos de permanecer en reposo mientras no se aplique fuerza alguna, o la resistencia de estos a variar su estado de reposo o movimiento. Este elemento es el encargado de hacer que todo el trabajo que se genera en la carrera de explosión del motor, se almacene en forma de energía cinética para utilizarla en las siguientes 3 carreras restantes (admisión, compresión y escape) gracias a su inercia ¿Por qué necesitamos hacerlo así? Porque sino el funcionamiento del motor sería muy irregular con variaciones de velocidad de giro (rpm) enormes según la carrera de cada cilindro. Es un método para equilibrar el funcionamiento del motor, haciéndolo más suave y regular. Disco de embrague: Figura 2.5 Disco de embrague Este es el disco de fricción, el cual es un disco de acero al cual le superponemos capas de material de fricción (en sus dos caras) como fibras de latón (compuestos orgánicos), kevlar, carbo cerámicos e incluso para competición de resistencia metal sinterizado. Dependiendo del uso y potencia del vehículo se escoge uno u otro material, o se hacen una mezcla de dos o más (aunque esto último no está comprobado que mejoren las prestaciones de cada uno por separado). Como veras el material de fricción se superpone en forma de corona circular y sujeto mediante remaches. El contacto sólo se realiza en estas superficies de ambas caras del disco. En la foto se observa además que el disco de fricción va unido a un cubo que contiene unos muelles, los cuales son los encargados de que la transmisión del esfuerzo torsor (par motor) se realice sin vibraciones y de la manera más suave posible. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 27 Plato de presión: Figura 2.6 Plato de presión Es un disco de acero, como el de la imagen, que va montado entre la carcasa del embrague centrífugo y el disco de fricción. Su función es acoplar el sistema al volante de inercia, y se coloca entre la carcasa y el disco de fricción, de manera que por una cara está en contacto con los muelles o el diafragma y por la otra cara con el disco de fricción. Habitualmente se le llama maza de embrague o de empuje. Carcasa de embrague: Figura 2.7 Carcasa de embrague moderna Como su propio nombre indica, es la pieza que sirve de cubierta del mecanismo de embrague. Esta pieza se atornilla al volante de inercia, y contiene los elementos empujadores tales como muelles o diafragma (depende del sistema). En la foto se observa que el mecanismo es moderno, por medio de diafragma (reparte más uniforme la presión). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 28 Cojinete de embrague: Figura 2.8 Cojinete de embrague En la imagen observamos varios cojinetes, pero todos tienen en común que son cojinetes o rodamientos de empuje axial (en este caso su movimiento es de deslizamiento en la dirección del eje de transmisión). También se le denomina collarín de embrague y es el contacto entre el pedal de embrague y el mecanismo de embrague propiamente dicho. Por un lado está conectado al mecanismo del pedal de embrague a través de la horquilla y en su otra cara está permanentemente en contacto con los muelles de embrague o el diafragma. Sólo cuando el conductor acciona el pedal de embrague, este cojinete se desliza de manera que tira del mecanismo de embrague para desacoplar el sistema (desembragar). Veamos un despliegue del mecanismo de embrague: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 29 Figura 2.9 http://1.bp.blogspot.com/-q08pYvv5j0k/UXz94S-u7I/AAAAAAAAC_M/fw4eU24QKRk/s1600/despiece+componentes+embrague+diafragma.jpg En la imagen observamos los distintos componentes del embrague de diafragma que son el volante de inercia conectado al cigüeñal (flywheel connected to engine crank), el disco de fricción (clutch plates) con sus muelles anti vibración (clutch anti-shock springs), el plato de presión (pressure plate), el diafragma (diaphragm springs), los pivotes del diafragma (springs pivots), el collarín de embrague o cojinete (throw-out bearing), la carcasa del embrague (clutch cover) y el eje primario de la caja de cambios (layshaft into gearbox). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 30 2.2.2 Tipos de embragues Bien, ya explicado esto volvemos al embrague, el cual conecta el volante de inercia con la transmisión (el volante va conectado al cigüeñal a su vez). Embragues hay de muchos tipos pero vamos a comenzar por el que la siguiente imagen (2.3), el embrague de fricción o centrífugo, el cual transmite la potencia y el par motor a la transmisión por rozamiento entre discos (en realidad es uno sólo pero con dos caras para igualar velocidades de ejes de giro). Hay dos tipos fundamentales de embragues de fricción. Figura 2.3 http://3.bp.blogspot.com/pRUBzxnrees/UXwDE3p5TTI/AAAAAAAAC9s/Ms2V2tpIGUg/s1600/embrague+fricci%C3%B3n+diafragma.png Es un tipo más antiguo de embrague de fricción, de muelles (2.4). En este caso el empuje del plato de presión cuando no pisamos el pedal de embrague se realizaba mediante muelles colocados simétricamente, que ejercían la fuerza necesaria para mantener unidos el disco de fricción y el volante de inercia. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 31 Figura 2.4 Este sistema es el conocido como embrague accionado por diafragma, y es el sistema más usado en la actualidad. Aquí se sustituyen por un diafragma y se realiza una presión mucho más uniforme, haciendo que el desgaste del disco de fricción sea mucho más regular. El accionamiento del embrague de fricción se realiza de forma similar en los dos casos: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 32 Figura 2.5 Embrague accionado por diafragma Pues aquí se ven las dos posiciones posibles que encontraremos en un embrague de fricción, la posición embragada es aquella en que el embrague está conectado al volante y en la cual no tenemos pisado el pedal de embrague, y en esta posición hay transmisión de potencia hacia las ruedas. Es muy importante recordar esto porque a veces se confunde las dos posiciones. La posición desembragada es aquella en la que pisamos el pedal de embrague para que se accione la maza de empuje y se desacople el disco de fricción. En este momento el motor queda desconectado de la transmisión y no transmitimos potencia. Embrague centrífugo: El embrague centrífugo es muy parecido al embrague de fricción normal, sólo que este se basa en la acción de unos contrapesos colocados en el mecanismo, los cuales van unidos a palancas que empujan el diafragma. Cuanto mayor es la velocidad, mayor es la fuerza centrífuga y hace que los contrapesos se dirijan a la periferia, tirando de las palancas y consiguiendo la presión sobre la maza de empuje. Cuando el motor está a ralentí el sistema se desacopla ya que no hay fuerza centrífuga que haga que los contrapesos tiren de las palancas, por lo que desembragamos el embrague. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 33 Figure 2.13 Embrague centrifugo Embrague hidráulico: El gran inconveniente de los embragues de fricción es su desgaste, y en menor medida el ruido que generan. En competición automovilística esto no es un problema, porque además de la corta duración, el ruido no es un problema. Pero en la calle y para ciertas potencias a transmitir, esto puede llegar a ser un quebradero de cabeza. Es aquí donde aparece en escena el embrague hidráulico, el cual no contiene discos que rocen ni piezas en fricción constante, sino que se sustituye todo esto por la acción de un fluido hidráulico. El funcionamiento es similar al ejemplo siguiente: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 34 Figura 2.14 Embrague hidráulico Tenemos dos ventiladores, el nº 1 enchufado a la corriente eléctrica, el nº 2 desenchufado y enfrente del primero. Bien, ponemos en marcha el ventilador nº 1, pues el ventilador nº 2 comenzará a girar en cuanto la presión de aire sea suficiente (eso si, en sentido contrario al habitual). Figura 2.14 Funcionamiento del embrague hidráulico Esquema de funcionamiento interno del embrague hidráulico o convertidor de par. La bomba va unida y gira solidaria al volante de inercia. La turbina es la encargada de transmitir el giro a la caja de cambios. Entre medias se coloca el reactor, y se procura que la separación entre las dos ruedas toroidales (bomba y turbina) sea la mínima posible para compactar el mecanismo, pero la suficiente para que no rocen en ningún momento. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 35 Figura 2.15 Otro esquema, esta vez un corte seccional del interior y explicación del funcionamiento. Cuando el régimen de giro del motor es pequeño, la bomba gira solidaria con este y transmite el aceite hacia la turbina pero esta no gira porque el aceite no tiene aún fuerza para romper su inercia, es decir para vencer la fuerza que se opone al movimiento (no es rozamiento, es debido al propio peso). En regímenes bajo-medios, la velocidad de la turbina comienza a aumentar aunque seguirá siendo menor que la de la bomba, fenómeno conocido como deslizamiento. Por último, a regímenes altos la presión del aceite es suficiente como para provocar que las velocidades de bomba y turbina se igualen prácticamente (la bomba seguirá siendo un 3% más rápida). Esto es lo que provoca esa sensación, cuando la gente conduce coches con cajas automáticas, de flotabilidad en las revoluciones. Pero al contrario de lo que la gente piensa, este embrague está más capacitado para transmitir gran par de fuerza, sin necesidad de aumentar el tamaño, que el embrague de fricción. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 36 Embrague electromagnético: Este tipo de embrague se usa en muchas aplicaciones ajenas al mundo del automóvil, pero es un sistema interesante para eliminar el problema del desgaste y el ruido de los sistemas convencionales de fricción. Figura 2.16 http://4.bp.blogspot.com/Drh70ha2sZQ/UYZ1UOmGTJI/AAAAAAAADBE/Pa5HK2dfHb4/s1600/embrague+electromagn%C3%A9tico+corte.jpg Este tipo de embrague consta de una corona de acero que se monta solidaria al volante de inercia, la cual en su interior lleva alojada una bobina por la que se hace pasar corriente eléctrica. Al pasar la corriente eléctrica se genera un campo magnético en la zona intermedia entre la corona y el disco de acero. El disco de acero va montado en el primario de la caja de cambios por medio de un estriado. El espacio interior de la corona se cierra con chapa de acero y se rellena con polvo magnético. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 37 Figura 2.17 http://4.bp.blogspot.com/Drh70ha2sZQ/UYZ1UOmGTJI/AAAAAAAADBE/Pa5HK2dfHb4/s1600/embrague+electromagn%C3%A9tico+corte.jpg Aquí vemos un esquema de funcionamiento, según el tipo de accionamiento que puede ser de acción periférica o de acción lateral. Dependiendo del tipo, la manera de embragar o desembragar será distinta, aunque el principio fundamental es el mismo. El polvo magnético es el que permitirá el acople o desacople debido a su aglomeración por efecto del campo magnético. Embrague automático servo comandado: Cada vez más los fabricantes apuestan por cajas de cambio automáticas, y estas a su vez necesitan algún tipo de embrague automático (hidráulico, centrífugo, etc.). El embrague automático servo comandado consta de un embrague centrífugo al que se le acopla un embrague de fricción, intercalando un mecanismo de rueda libre. La rueda libre no permite girar al embrague centrífugo por encima de las rpm del motor, ya que si esto sucediera, la rueda libre bloquearía el embrague centrífugo, haciendo el giro de los dos embragues solidarios. El embrague centrífugo gobierna las acciones de embragado y desembragado y el embrague convencional es gobernado por un mecanismo servo neumático accionado por electro-válvula, conectada esta a la caja de cambios y al pedal del acelerador. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 38 Embrague pilotado electrónicamente: La forma de actuar es prácticamente igual que el anterior tipo, sólo que en este caso encontramos una diferencia fundamental, el circuito hidráulico que controla la palanca de mando de desembrague es controlado electrónicamente, y no servo comandado. Figura 2.18 En este esquema, se ve cómo actúa el sistema. Sólo necesita un ligero empuje sobre la palanca de cambios o las levas, para que se enviara una señal a la centralita, que actuará cobre el mando de embrague y desembrague, y cambiará de marcha. Este sistema se caracteriza por ser de funcionamiento muy suave, pero tiene como inconveniente el gran deslizamiento que provoca desde el ralentí hasta superado las 1500 rpm, hecho que hace que los cambios de marcha se alarguen un poco. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 39 Sistema de doble embrague (embragues gemelos): Conocido por las siglas en inglés DCT o dual clutck transmission, este es un sistema que se utilizó por primera vez en los años 80 del siglo pasado, de la mano de Porsche. Básicamente es un sistema de embrague pilotado, pero al cual le hemos adosado otro embrague, y que conectamos a las marchas pares o impares, dependiendo. Figura 2.19 Doble Embrague Esta fotografía corresponde a un sistema de doble embrague, multidisco. Se observar en la cara superior el eje primario, y el diafragma (parte, porque esta cortado). ¿Tiene desgaste este tipo de embrague? Por supuesto, no olvidéis que es un embrague de fricción básicamente, sólo que es menor ese desgaste ya que las acciones de embragado y desembragado son muy rápidas, casi instantáneas Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 40 2.2.3 Tipos de accionamiento para el embrague Ya vimos como se compone un mecanismo de embrague, pero ahora veremos cómo se acciona el embrague. Hay dos tipos de accionamiento para un embrague, mecánico e hidráulico. Accionamiento mecánico: Como su propio nombre indica, el accionamiento del sistema de embrague (recuerda que el embrague siempre se encuentra acoplado hasta que pisamos el pedal, que sería el accionamiento) se realiza sólo por medios mecánicos, en este caso por medio de un cable: Figura 2.10 Accionamiento mecánico Hay dos variedades dentro de este sistema, que como ves es bastante simple. Al pisar el pedal, tiramos del cable de acero que tira de la palanca de empuje, esta palanca de empuje arrastra al cojinete de empuje, el cual deforma el diafragma y desacopla el disco. Cuando soltamos el pedal, el cojinete de empuje regresa a su posición y presiona el diafragma, acoplando de nuevo el disco. Bien, las dos variedades de accionamiento mecánico difieren sólo en la inclusión o no de la denominada guarda del embrague, que no es más que una separación que se deja entre el cojinete de Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 41 empuje y el diafragma. La separación se obtiene gracias a un muelle que se sitúa en la horquilla o palanca de empuje. Accionamiento hidráulico: En este caso el accionamiento del sistema se realiza a través de un circuito hidráulico del mismo modo que el accionamiento de los frenos, por ejemplo. Figura 2.11 Accionamiento hidráulico Este sistema es más complejo, pero se gana mucho en precisión y, sobre todo, el esfuerzo a realizar sobre el pedal es mucho menor. En este caso también hay variantes, pudiéndose colocar el cilindro receptor por separado del cojinete de empuje (usando la palanca de empuje), como en el esquema o en conjunto con el collarín de arrastre (cojinete de empuje). La forma de desembragar y embragar es la misma que en el sistema mecánico, sólo que aquí no necesitamos usar correctores de posición, ya que el sistema hidráulico es auto regulable. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 42 Figura 2.12 Aquí esta otro esquema de colocación de las diferentes piezas del sistema. En este esquema es que encuentras en la inmensa mayoría de coches que circulan por las carreteras, ya que es un vehículo con motor en posición delantero-transversal. Pero también puede darse el caso que el motor este en posición longitudinal, entonces el embrague iría situado en posición longitudinal también. . Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 43 Figura 2.23 Y aquí un esquema de colocación en una caja de cambios. Como ves, un embrague comanda las marchas pares (en este caso el nº 2) y el otro las impares (nº1). Cuando se cambia de marcha, el sistema nunca deja de transmitir potencia, porque siempre hay un embrague acoplado. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 44 2.2.4 Caja de velocidades Figura 2.24http://2.bp.blogspot.com/zymStSVk9t8/UZjV9f8cE2I/AAAAAAAADCw/LQ12Yzt_2JU/s1600/esquema+transmisi%C3%B3n.gif En la figura observamos la situación de la caja de cambios en el conjunto de la transmisión, si partimos desde el motor estaría situada a continuación del embrague. El motor tiene unas características determinadas que le hacen entregar una potencia y par motor máximos. Hemos dicho que el par motor se transmite desde el embrague hasta las ruedas, pasando a través de la caja de cambios. Tengamos en cuenta la siguiente ecuación: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 45 Donde: Wf = Potencia transmitida. Cm = Par motor. Cr = Par resistente de rodadura (ofrecido por las ruedas debido al rozamiento). n = Velocidad de giro del motor (rpm). n1 = Velocidad de giro de las ruedas (rpm). Teniendo en cuenta esta ecuación, vamos a imaginar por un momento que conectamos el motor directamente a las ruedas. Observando la ecuación, la velocidad del motor sería transmitida directamente a las ruedas, es decir n = n1. En tal caso, Cm = Cr. Bien, hasta aquí correcto. ¿Y si aumenta la Cr? Necesariamente debe aumentar Cm para mantener la misma velocidad. Como Cm en un motor es limitado, llegaríamos a calar el motor debido a la disminución de las velocidades de giro provocadas por el aumento de Cr sin que el motor nos pueda ofrecer más Cm. Para que esto no ocurra, se intercala la caja de cambios, que no es más que un tren de engranajes que multiplica o reduce el par motor y la velocidad que el motor transmite. Esto nos conduce a la siguiente pregunta, para aclarar conceptos. ¿Qué es un tren de engranajes, o un engranaje? En primer lugar un ejemplo gráfico de rueda de engranaje o engranaje: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 46 Arriba tenemos una fotografía de una rueda de engranaje o engranaje. Abajo la disposición de dos engranajes para transmitir potencia (giran en sentidos contrarios). A esta forma de transmitir la potencia se la denomina engrane. Bien pero, ¿y si pongo 3 o más ruedas de engranaje para transmitir potencia? Pues obtengo lo que se denomina tren de engranaje: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 47 Figura 2.25 Tren de engranaje En este caso particular, se denominaría tren de engranaje compuesto (los hay simples también), debido a que en un mismo eje hay 2 ruedas (excepto el primero y el último), una es conducida y la otra conductora. La relación de transmisión, en este caso, sería el resultado de multiplicar las diferentes relaciones de transmisión de cada pareja de engranajes: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 48 En este caso: De aquí se deduce que la relación de transmisión entre la primera rueda y la última será el resultado de multiplicar el número de dientes de todas las ruedas conductoras. Figura 2.26 Caja de velocidades manual Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 49 Aquí un esquema sencillo de una caja de cambios manual, en este caso de dos ejes, y observamos cómo hay ruedas de engranaje de mayor tamaño y otras de menor tamaño. Y además un selector de marchas, que lo que hace es desplazar los piñones (ruedas de engranaje) en color azul a través de su eje para que engranen con otras ruedas de color rojo en este caso. Si variamos el número de dientes de las ruedas de engranaje, variamos la relación de transmisión que es el concepto en el que se basa el uso de la caja de cambios. Figura 2.27 Caja de velocidades manual con su cráter Aquí vemos un esquema de una caja de cambios en realidad, con su cárter. En el vemos el eje primario (proveniente del embrague) y en el interior de ese cárter todos los engranajes, con el eje secundario o el que transmite el giro al diferencial, a la derecha de la imagen. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 50 Figura 2.28 Dientes de un engrane 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 cual 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. 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 mueva en terreno llano. Si Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 51 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. 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, Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 52 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. 2.2.5 Mecanismo Figura 2.29 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 un 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 53 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, porque 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 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 electro hidráulico 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. Relación de transmisión Es la relación existente entre la velocidad del eje de salida (ruedas) y la velocidad del motor: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 54 =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. 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. Figura 2.30 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 55 Cambios manuales Cajas de cambio de engranajes paralelos Esta caja de cambio es la más utilizada en la actualidad para vehículos de serie, por su sencillo funcionamiento. Está constituida por una serie de piñones de acero al carbono, que se obtienen por estampación en forja y sus dientes tallados en maquinas especiales, con un posterior tratamiento de temple y cementación para obtener la máxima dureza y resistencia al desgaste. Estos piñones, acoplados en pares de transmisión, van montados sobre unos árboles paralelos que se apoyan sobre cojinetes en el interior de una carcasa, que suele ser de fundición gris o aluminio y sirve de alojamiento a los piñones y demás dispositivos de accionamiento, así como de recipiente para el aceite de lubricación de los mismos. Los piñones, engranados en toma constante para cada par de transmisión, son de dientes helicoidales, que permiten un funcionamiento más silencioso y una mayor superficie de contacto, con lo cual, al ser menor la presión que sobre ellos actúa, se reduce el desgaste en los mismos. Los números de dientes del piñón conductor y del conducido son primos entre sí, para repartir el desgaste por igual entre ellos y evitar vibraciones en su funcionamiento. Figura 2.31 Para poder entenderle mejor a las formulas veremos un ejemplo. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 56 Ahora vamos hacer el cálculo de una caja de cambios a partir de los datos reales que nos proporciona el fabricante: Ejemplo: Peugeot 405 Mi16 Cilindrada (cc): 1998 Potencia (CV/rpm): 155/5600 Par máximo (mkgf): 19,3/3500 Neumáticos: 195/55 R14 Relación de transmisión rt (1ª velocidad) = 13/38 = 0,342 rt (2ª velocidad) = 23/43 = 0,534 rt (3ª velocidad) = 25/32 = 0,781 rt (4ª velocidad) = 32/31 = 1.032 rt (5ª velocidad) = 37/28 = 1,321 rt (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. rt (G.C: grupo piñón-corona diferencial) = 14/62 = 0,225 Nota: El fabricante nos puede proporcionar la relación de transmisión en forma de fracción (rt 1ª velocidad = 13/38) o directamente (rt 1ª velocidad = 0,342). Ahora tenemos que calcular el número de revoluciones que tenemos en las ruedas después de la reducción de la caja de cambios y grupo diferencial (rT). Para ello hay que multiplicar la relación de transmisión de cada velocidad de la caja de cambios por la relación que hay en el grupo diferencial: rt (caja rt rT cambios) (diferencial) Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática nº rpm a Pmax. (5600) Página 57 1ª 13/38 = velocidad 0,342 14/62 = 0,225 0,0769 430,64 rpm 2ª 23/43 = velocidad 0,534 14/62 = 0,225 0,120 672 rpm 3ª 25/32 = velocidad 0,781 14/62 = 0,225 0,175 974,4 rpm 4ª 32/31 = velocidad 1,032 14/62 = 0,225 0,232 1299,3 rpm 5ª 37/28 = velocidad 1,321 14/62 = 0,225 0,297 1663,2 rpm M.A 12/40 = (Marcha 0,30 atras) 14/62 = 0,225 0,0675 371,2 rpm rT (nª velocidad): es la relación de transmisión total, se calcula multiplicando la rt (caja cambios) x rt (diferencial). Pmax: es la potencia máxima del motor a un número de revoluciones determinado por el fabricante. nº rpm a Pmax: se calcula multiplicando rT x nº rpm a potencia máxima. Con estos datos ahora podemos calcular la velocidad a máxima potencia para cada marcha de la caja de cambios. Para calcular la velocidad necesitamos saber las medidas de los neumáticos y llanta, este dato también lo proporciona el fabricante. En este caso tenemos unas medidas de neumático195/55 R14. Para calcular la velocidad necesitamos saber el diámetro de la rueda (Ø). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 58 El diámetro de la rueda (Ø) es la suma del diámetro de la llanta mas el doble del perfil del neumático. El diámetro de la llanta es 14", para pasarlo a milímetros (mm) tenemos que multiplicar: 14" x 25,4 mm = 355,6 mm. El perfil del neumático es el 55% de 195 (195/55) = 107,2 mm Por lo tanto diámetro de la rueda = diámetro de la llanta + el doble del perfil del neumático = 355,6 + (107,2 x 2) = 570,1 mm. Ahora ya podemos calcular la velocidad (v) del vehículo a máxima potencia para cada marcha de la caja de cambios. v = velocidad (km/h) Pi = 3,14 Ø = diámetro de rueda (metros) Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 59 nc = nº rpm en la rueda k = constante Utilizando estas formulas tenemos: v (1ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 430,64 = 46,20 km/h v (2ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 672 = 71,90 km/h v (3ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 974,4 = 104,26 km/h v (4ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 1299,3 = 139,02 km/h v (5ª velocidad) = k x nc = 0,107 x 1663,2 = 177,96 km/h v (M.A) = k x nc = 0,107 x 371,2 = 39,71 km/h nº de velocidad velocidad a Pmax. 1ª velocidad 46,20 km/h 2ª velocidad 71,90 km/h 3ª velocidad 104,26 km/h 4ª velocidad 139,02 km/h 5ª velocidad 177,96 km/h M.A (marcha atrás) 39,71 km/h Con estos resultados tenemos que la velocidad máxima de este vehículo cuando desarrolla su máxima potencia es de 177,96 km/h. Este dato no suele coincidir con el que proporciona el fabricante ya que la velocidad máxima del vehículo es mayor que la de la máxima potencia y llegaría hasta el nº de rpm en que se produce el corte de inyección del motor. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 60 Sabiendo que este motor ofrece la máxima potencia a 5600 rpm, podemos hacer el gráfico anterior sabiendo a que velocidad es conveniente actuar sobre la caja de cambios y escoger la velocidad adecuada. Figura 2.32 El par motor al igual que la velocidad, también será transformado en la caja de cambios y grupo diferencial. Para calcularlo se utiliza también la relación de transmisión (rT). Cm.- par desarrollado por el motor Cr.- par resistente en las ruedas n.- número de revoluciones en el motor n1.- número de revoluciones en las ruedas Con los datos que tenemos, para calcular el par en las ruedas podemos aplicar la siguiente formula: Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 61 Cr (1ª velocidad) = 19,3 mkg/ 0,0769 = 250,9 mkg Cr (2ª velocidad) = 19,3 mkg/ 0,120 = 160.83 mkg Cr (3ª velocidad) = 19,3 mkg/ 0,175 = 110,28 mkg Cr (4ª velocidad) = 19,3 mkg/ 0,232 = 83,18 mkg Cr (5ª velocidad) = 19,3 mkg/ 0,297 = 64,98 mkg Cr (M.A.) = 19,3 mkg/ 0,0675 = 285,9 mkg nº de velocidad par en las ruedas 1ª velocidad 250,9 mkg 2ª velocidad 160.83 mkg 3ª velocidad 110,28 mkg 4ª velocidad 83,18 mkg 5ª velocidad 64,98 mkg M.A (marcha atrás) 285,9 mkg Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 62 Capítulo III Transmisión manual y mantenimiento 3.1 Transmisión manual 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 esquemas de la disposición de la caja de cambios en el vehículo: Figura 3.1 En este esquema se observa 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 63 Figura 3.2 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 64 3.2 Sincronizadores Las cajas de cambio desde hace muchos años utilizan para seleccionar las distintas velocidades unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno ha de engranar con el piñón loco del eje secundario correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente, se comprende que es necesario igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador) y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario, que gira a su vez movido por el motor desde el primario. Con el vehículo en movimiento, al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación, se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando, quedando la caja en posición de punto muerto. Esta operación es sencilla de lograr, puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador, con el que se produce el desengrane del piñón. Sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento, resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje), es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario, se producirían golpes en el dentado, que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra. Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague, mediante el cual, el eje primario queda en libertad sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado con el del eje secundario. Por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor, para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 65 Figura 3.9 En la figura inferior tenemos un sincronizador con "fiador de bola", donde puede verse el dentado exterior o auxiliar (1) del piñón loco del eje secundario (correspondiente a una velocidad cualquiera) y el cono macho (2) formado en el. El cubo deslizante (7) va montado sobre estrías sobre el eje secundario (8), pudiéndose deslizarse en él un cierto recorrido, limitado por topes adecuados. La superficie externa del cubo está estriada también y recibe a la corona interna del manguito deslizante (3), que es mantenida centrada en la posición representada en la figura, por medio de un fiador de bola y muelle (6). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 66 Figura 3.10 Para realizar una maniobra de cambio de velocidad, el conductor lleva la palanca a la posición deseada y, con esta acción, se produce el desplazamiento del manguito deslizante, que por medio del fiador de bola (6), desplaza consigo el cubo deslizante (7), cuya superficie cónica interna empieza a frotar contra el cono del piñón loco que, debido a ello, tiende a igualar su velocidad de giro con la del cubo sincronizador (que gira solidario con el eje secundario). Instantes después, al continuar desplazándose el manguito deslizante venciendo la acción del fiador, se produce el engrane de la misma con el dentado auxiliar del piñón loco sin ocasionar golpes ni ruidos en esta operación, dado que las velocidades de ambas piezas ya están sincronizadas. En estas condiciones, el piñón loco queda solidario del eje secundario, por lo que al producirse la acción de embragado, será arrastrado por el giro del motor con la relación seleccionada. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 67 3.3 Caja de cambios de tres ejes Vamos a pasar a estudiar el tipo más común de caja de cambios, me estoy refiriendo a la caja de cambios de tres ejes: Figur 3.3http://3.bp.blogspot.com/jqOKoyrAeeI/Uat1TuMqmcI/AAAAAAAADIk/Z0Tatm7Gqb0/s1600/esquema+caja+de+cambios+de+3+ejes.jpg Aquí un esquema que ejemplifica muy bien como es una caja manual de 3 ejes, o mejor dicho como se dispone los engranajes dentro de la caja. Estas cajas se reconocen muy fácilmente debido a la forma alargada de su cárter. También se las denomina cajas de cambio de toma constante, debido a que siempre tienen dos piñones engranados continuamente que transmiten el par al eje intermediario (normalmente fijo). Viendo la imagen (3.3) te 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 68 Figura 3.4 Y aquí un esquema de un corte longitudinal de una caja de cambios, para que veas la disposición de los engranajes, y la cantidad de ellos que puede haber. 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 encuentra suelto, y no transmite movimiento. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 69 Aclarados algunos términos, pasamos a ver en detalle cómo funciona una caja de cambios: Figu ra 3.4 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, 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 70 Figura 3.4 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 71 Figura 3.5 Desplazamos el sincronizador (recuerda 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 enclavamiento, 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 72 Figura 3.6 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. Figura 3.7 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 73 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, realizándose 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. Figura 3.8 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. Obsérvese 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 74 Digo esto último para que sepas que si un coche con tracción delantera tiene problemas para subir una pendiente en 1ª velocidad (porque patine y en 2ª no tenga fuerza suficiente), puedes 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. 3.1.4 Caja de velocidades de 2 ejes Figura 3.11 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 75 En este esquema se observa cómo 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. 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: Figura 3.12 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. 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 76 Figura 3.13 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, obtenemos la máxima reducción de giro, la mínima velocidad de desplazamiento del vehículo y el máximo par motor transmitido. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 77 Figura 3.14 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 eso conlleva menor par motor y algo más de velocidad de desplazamiento del vehículo. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 78 Figura 3.15 Lo mismo que en anteriores casos, os recuerdo que es un proceso repetitivo. Sólo cambia el sincronizador que se acciona, y sabemos que conforme aumentamos la relación de velocidad, disminuimos el par motor transmitido. Esto es significativo, 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 79 Figura 3.15 El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (16) hacia la izquierda, produce el enclavamiento del correspondiente piñón loco (14) del eje secundario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose la oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 80 Figu ra 3.16 El desplazamiento del sincronizador de 5ª (12) hacia la derecha, produce el enclavamiento del correspondiente piñón loco (14) del eje primario, que se hace solidario de este eje. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario como muestra la figura inferior, obteniéndose la oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene una reducción de giro menor que en el caso anterior, por ello aumenta la velocidad y el par disminuye. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 81 Figura 3.17 Al igual que en las cajas de tres ejes, aquí intercalamos un piñón de reenvió 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 82 3.5 Caja de cambios manual actualizada 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 tenemos un esquema de una caja de cambios 3.18 www.mecanicavirtual.org 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. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 83 Cambio manual de 5 marchas z2 z1 rt 1ª velocidad 38 11 3,455 2ª velocidad 44 21 2,095 3ª velocidad 43 31 1,387 4ª velocidad 40 39 1,026 5ª velocidad 39 48 0,813 Marcha atrás 35 24 24 11 3,182 Grupo diferencial 66 17 3,882 Velocímetro Electrónico Carga de aceite Cambio de aceite 1,9 litros Carga permanente z2.- nº de diente piñones del secundario z1.- nª de diente piñones del primario rt.- relación de transmisión (z2/z1) Figura 3.19 Esquema de la estructura del árbol primario Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 84 Figura 3.20 Esquema de la estructura del árbol secundario Tanto el árbol primario como el secundario, contienen piñones locos y solidarios, como toda caja de dos ejes que se precie y de ahí la compacidad que se consigue. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 85 Figura 3.21 Y he aquí el mecanismo que se encuentra justo debajo de nuestra palanca de cambios. Como veras 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. Carcasa La carcasa del cambio consta de 2 piezas de magnesio (carcasa del cambio y carcasa de embrague). Con una tapa específica se cierra la carcasa del cambio hacia fuera. Los componentes de la carcasa son de magnesio, para conseguir un conjunto más ligero Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 86 . Figura 3.22 Árbol primario El árbol primario está diseñado con el conjunto clásico de cojinetes fijo/móvil. Está alojado: mediante un cojinete de rodillos cilíndricos (móvil) en la carcasa del embrague, mediante un rodamiento radial rígido (fijo) en una unidad de cojinetes, dentro de la carcasa del cambio. Para reducir las masas se ha dotado el árbol primario de un taladro que lo atraviesa casi por completo. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 87 Figura 3.23 Árbol primario Grupo diferencial El grupo diferencia constituye una unidad compartida con el cambio de marchas. Se apoya en dos cojinetes de rodillos cónicos, alojados en las carcasas de cambio y embrague. Los retenes (de diferente tamaño para los lados izquierdo y derecho) sellan la carcasa hacia fuera. La corona está remachada fijamente a la caja de satélites y hermanada con el árbol secundario (reduce la sonoridad de los engranajes). La rueda generatriz de impulsos para el velocímetro forma parte integrante de la caja de satélites. Figura 3.24 Grupo diferencial Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 88 Figura 3.25 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 89 3.6 Doble sincronización La 1ª y 2ª velocidad tienen una doble sincronización. Para estos efectos se emplea un segundo anillo sincronizador (interior) con un anillo exterior. Figura 3.26 La doble sincronización viene a mejorar el confort de los cambios al reducir de 3ª a 2ª velocidad y de 2ª y a 1ª velocidad. Debido a que las superficies friccionantes cónicas equivalen casi al doble de lo habitual, la capacidad de rendimiento de la sincronización aumenta en un 50 %, aproximadamente, reduciéndose a su vez la fuerza necesaria para realizar el cambio, aproximadamente a la mitad. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 90 Figura 3.27 Flujo de las fuerzas en el cambio El par del motor se recibe en el cambio a través del árbol primario. Según la marcha que esté conectada, el par se transmite a través de la pareja correspondiente de piñones hacia el árbol secundario y, desde éste, hacia la corona del grupo diferencial. El par y el régimen actúan sobre las ruedas motrices en función de la marcha engranada. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 91 Figura 3.28 diagrama de flujo de las fuerzas de las distintas velocidades Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 92 Alojamiento de cojinetes Los rodamientos radiales rígidos de bolas no se montan directamente en la carcasa del cambio, sino que se instalan en un alojamiento por separado para cojinetes. Figura 3.29 Instalación de los cojinetes El paquete completo de los árboles primario y secundario con sus piñones se preensambla fuera de la carcasa del cambio, en el alojamiento de cojinetes, lo cual permite incorporarlo fácilmente en la carcasa del cambio. Los rodamientos radiales rígidos se fijan en la posición prevista por medio de una arandela de geometría específica, que va soldada al alojamiento de cojinetes. Los rodamientos radiales rígidos poseen retenes radiales propios por ambos lados, para mantener alejadas de los cojinetes las partículas de desgaste que acompañan al aceite del cambio. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 93 Figura 3.30 Árboles de transmisión y alojamiento de cojinetes www.mecanicavirtual.org Mando del cambio Los movimientos de cambio se reciben por arriba en la caja. El eje de selección va guiado en la tapa. Para movimientos de selección se desplaza en dirección axial. Dos bolas, sometidas a fuerza de muelle, impiden que el eje de selección pueda ser extraído involuntariamente de la posición seleccionada. Figura 3.31 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 94 3.7 Sensores y actuadores Indicador de la velocidad de marcha La señal de velocidad que se envía al velocímetro se realiza sin sistemas mecánicos intermedios (como el cable o sirga utilizada en los cambios antiguos). La información necesaria para la velocidad de marcha se capta en forma de régimen de revoluciones, directamente en la caja de satélites, empleando para ello el transmisor electrónico de velocidad de marcha. La caja de satélites posee marcas de referencia para la exploración: son 7 segmentos realzados y 7 rebajados. Figura 3.32 El transmisor trabaja según el principio de Hall. La señal PWM (modulada en achura de los impulsos) se transmite al procesador combinado en el cuadro de instrumentos Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 95 Figura 3.33 3.8 Mantenimiento Algunas personas creen que la caja manual no requiere mantenimiento preventivo y además que el automóvil con este tipo de caja gasta menos combustible. Esta última afirmación es correcta en la mayoría de casos. La caja manual de velocidades requiere de mantenimiento preventivo; los fabricantes aconsejan que el líquido de la caja debe cambiarse, por lo menos, entre cada 40,000 a 60,000 kilómetros o 25,000 a 35,000 millas. Las cajas manuales pueden usar diferentes tipos de líquido o aceite, todo depende de lo que recomiende el fabricante; entre estos líquidos se puede mencionar el aceite 80W-90, el ATF (AutomaticTransmision Fluid) líquido para transmisión automática y también aceite para motor, del grado indicado. Debemos ser cuidadosos de poner el líquido o aceite específico que recomienda el fabricante, ya que esto está condicionado por la construcción y funcionamiento de los engranajes de la caja. No se debe decidir de forma antojadiza cuál se le pone, por lo menos eso es lo recomendable. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 96 Capitulo IV Transmisión automática y mantenimiento 4.1 Componentes y funcionamiento Las cajas automáticas tienen una gran cantidad de componentes. Plato flexible: Chapa que fija entre sí al cigüeñal y al convertidor. En la imagen (4.1), plato con corona de arranque; a la derecha, sin corona (una pieza rota y una nueva). Hay que tener mucho cuidado con el estado de los platos flexibles. Figura 4.1 http://www.cajas-automaticas.com/componentes-funcionamiernto-cajas-automaticas.html Convertidor: Su función es la de transmitir la potencia del motor a la directa de la caja por medio de dos turbinas. Entre ambas hay un estator que optimiza la presión. En la imagen se muestra un convertidor y abajo un estator. Figura 4.2 Convertidor Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 97 Figura 4.3 Estator Tambor: Contiene los paquetes de discos de metal y fibra, seguros, resortes, gomas y pistones. Estos elementos, al apretar o liberar los disco de fibra, accionan las distintas marchas. Figura 4.4 Tambor de lado izquierdo, goma disco de metal y fibra del lado derecho Bomba de aceite: Las más comunes son las bombas de engranajes o de paletas. Su función es la generar unos 12 kilogramos de presión para la caja de cambios. Es muy importante controlar el estado de la bomba de aceite para evitar las fugas de presión. Figura 4.5 Bomba de engranajes Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 98 Bandas: Flejes metálicos con fibra por dentro, anclados de distintos modos y accionados por servo. En la imagen, una banda nueva y otra que debió ser cambiada. Figura 4.6 Bandas metálicas Conjunto planetario: Grupo de eje solar y engranajes, ubicado generalmente en la parte final de la caja. En la imagen, un eje solar (abajo) y el conjunto planetario. Figura 4.7 Conjunto planetario y abajo esta el eje solar Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 99 Embrague unidireccional: Rueda dentada que gira en un solo sentido. Figura 4.8 Rueda dentada Gobernadora: Válvula que regula presión y fuerza centrifuga del eje de salida en contacto con la caja de válvulas. Hoy la mayoría son electrónicas y simplifican mucho este sistema. Figura 4.9 Válvula gobernadora Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 100 Caja de válvulas: Tienen cuerpos de aluminio, en algunos casos, de fundición. La mayoría de las válvulas son de acero y accionan todo el funcionamiento de la caja. En la imagen, una caja de válvulas electrónica triptronic, modelo ZF5HP19, abajo, una caja A 500. Figura 4.10 Caja de válvulas electronica triptronic Figura 4.11 A500 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 101 Caja de solenoides: Hay dos tipos de solenoides (electroimanes): los que realizan algunas o todas las marchas y los que regulan la presión dentro de la caja, y por eso se llaman actuadores. Los solenoides y los censores están en contacto directo con el aceite hidráulico. Figura 4.12 Caja de solenoides Censor: Hay de velocidad –entrada y de salida- y de temperatura. Los censores informan a la computadora que tienen que hacer los actuadores (solenoides) en la caja de válvulas. Figura 4.13 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 102 Computadora: Componente electrónico que hace de nexo los censores y actuadores de las cajas automáticas. Las partes eléctricas en las cajas automáticas simplificaron mucho las cajas de válvulas y gobernadoras, además de ofrecer una confiabilidad superior. Figura 4.14 Discos: Existen discos de fibra y de metal. Efectúan las distintas relaciones de acuerdo con la combinación de los tambores que los contienen. Se encuentran intercalados y en cantidades de 2 de cada uno y hasta 6 de cada uno. Las marchas altas suelen ser las que menos discos contienen. Figura 4.15 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 103 Diafragma. Cumple la función de un resorte, regresando a su posición pasiva al pistón que frena el paquete de discos dentro del tambor. Hay resortes de distintos tipos de calidades. En la foto, un diafragma nuevo y uno roto. Figura 4.16 Arriba un diafragma roto y abajo uno nuevo Conjunto electrónico: En este caso es el de una caja de Chrysler A 500. Los dos iguales son de lock- up y accionamiento de 4ta; los otros dos son la reguladora de presión de gobernadora y el censor de esta reguladora y de temperatura de la caja. Figura 4.17 Ya que vimos las partes que lo compone hablaremos que es en si la caja automática. El cambio automático es un sistema de transmisión que es capaz por sí 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 Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 104 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. 4.2 Posiciones de la palanca de cambios La mayoría de las transmisiones automáticas permiten seleccionar mecánicamente entre un conjunto de rangos de marchas, que como mínimo comprenden, normalmente en el siguiente orden: 1) "P" (Parking) de estacionamiento en la que no hay transmisión de fuerza, y además bloquea el eje de salida de la transmisión mecánicamente. 2) "R" (Reverse) Para marcha atrás. 3) "N" (Neutral) En la cual no hay transmisión de fuerza, equivale al punto muerto de un cambio manual. 4) "D" (Drive) Para marcha hacia adelante, en la cual entran todas las desmultiplicaciones, desde la primera hasta la cuarta, quinta o más según el fabricante. 5) "2" Mantiene la segunda velocidad 6) "1" Mantiene la primera velocidad Los elementos fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son: un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida, al par que necesita la transmisión. un tren epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio. un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epiciclo dales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 105 4.3 Engranaje planetario También llamado "engranaje epicicloidal", son utilizados por las cajas de cambio automáticas. Estos engranajes están accionados mediante sistemas de mando normalmente hidráulicos o electrónicos que accionan frenos y embragues que controlan los movimientos de los distintos elementos de los engranajes. La ventaja fundamental de los engranajes planetarios frente a los engranajes utilizados por las cajas de cambio manuales es que su forma es más compacta y permiten un reparto de par en distintos puntos a través de los satélites, pudiendo transmitir pares más elevados. En el interior (centro), el planeta gira en torno de un eje central. Los satélites engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón central. Los satélites se alojan con sus ejes en el porta-satélites El porta-satélites inicia el movimiento rotatorio de los satélites alrededor del piñón central; con ello, lógicamente, también en torno del eje central. La corona engrana con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal. El eje central es también centro de giro para la corona. Figura 4.18 Engranaje planetario Estos tres componentes (planeta, satélites y corona) del tren epicicloidal pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de los componentes, los restantes pueden girar, transmitiéndose el movimiento con la relación de transmisión resultante según la relación existente entre sus piñones. Si se bloquean dos de los componentes, el conjunto queda bloqueado, moviéndose todo el sistema a la velocidad de rotación recibida por el motor. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 106 Figura 4.19 Esquema y seccion de un engranaje epicicloidal Las relaciones que se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si ante una entrada o giro de uno de sus elementos existe otro que haga de reacción. En función de la elección del elemento que hace de entrada o que hace de reacción se obtienen cuatro relaciones distintas que se pueden identificar con tres posibles marchas y una marcha invertida. El funcionamiento de un tren epicicloidal es el siguiente: 1ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena la corona, los satélites se ven arrastrados por su engrane con el planetario rodando por el interior de la corona fija. Esto produce el movimiento del porta satélites. El resultado es una desmultiplicación del giro de forma que el porta satélites se mueve de forma mucho más lenta que el planetario o entrada. 2ª relación: si el movimiento entra por la corona y se frena el planetario, los satélites se ven arrastrados rodando sobre el planetario por el movimiento de la corona. El efecto es el movimiento del porta satélites con una desmultiplicación menor que en el caso anterior. 3ª relación: si el movimiento entra por el planetario y, la corona o el porta satélites se hace solidario en su movimiento al planetario mediante un embrague entonces todo el conjunto gira simultáneamente produciéndose una transmisión directa girando todo el conjunto a la misma velocidad que el motor. 4ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena el porta satélites, se provoca el giro de los planetarios sobre su propio eje y a su vez estos producen el movimiento de la corona en sentido contrario, invirtiéndose el sentido de giro y produciéndose una desmultiplicación grande. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 107 Figura 4.20 Diferentes relaciones ilustradas Relación Corona Planeta Porta Desmultiplicación satélites 1ª Fija Salida de fuerza Impulsión Grande 2ª Salida de Fijo fuerza Impulsión Menor 3ª Fija Salida de Sin fuerza desmultiplicación 4ª Salida Impulsión de fuerza Fijo Fijo Inversión de giro Invirtiendo la entrada y la salida en las relaciones de desmultiplicación se obtendrían relaciones de multiplicación. Estas relaciones se podrían identificar con las típicas marchas de un cambio manual, sin embargo se necesitarían para ello distintos árboles motrices por lo que en la aplicación de un tren epicicloidal a un automóvil las posibilidades se reducen a dos marchas hacia delante y una hacia atrás. La entrada del par motor se realizaría por el planetario y la salida por el porta satélites o la corona. La primera relación descrita y la tercera serían la 1ª marcha y la directa respectivamente y la cuarta relación seria la marcha atrás. Para poder combinar tres o más velocidades se usan habitualmente combinaciones de engranajes epicicloidales. Las cajas de cambio automáticas utilizan combinaciones de dos o tres trenes epicicloidales que proporcionan tres o cuatro relaciones hacia adelante y una hacia detrás. Como ejemplo tenemos la figura inferior. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 108 Figura 4.21 Combinación de trenes epicicloidales 4.4 Funcionamiento y relaciones de transmisión Las distintas velocidades en la caja de cambios se obtienen automáticamente de la siguiente forma: Primera velocidad Los mecanismos de mando hidráulico de la caja de cambios (fig. inferior 4.22) accionan los frenos (F1 y F2) dejando libres los embragues (E1 y E2), con lo que el giro que llega del volante de inercia (4) a la corona (C1) del primer tren de engranajes (I) se transmite a los satélites (B1), que son arrastrados por ella al estar el planeta (A1) bloqueado. El movimiento de estos satélites se transmite a la bomba (P) del embrague hidráulico, que arrastra a la turbina (T), comunicando su giro al planeta (A2) del segundo tren de engranajes (II). El giro del planeta (A2) se transmite a los satélites (B2) que giran desplazándose sobre la corona (E2) al estar frenada. El movimiento de los satélites (B2) se transmite al árbol de transmisión (3), obteniéndose una reducción de movimiento a través (I y II). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 109 Figura 4.22 Primera velocidad Segunda velocidad Al llegar a una determinada velocidad, el mecanismo de mando hidráulico acciona automáticamente el embrague (E1) y el freno (F2), dejando libres (F1 y E2), con lo cual el giro transmitido por el volante (4) a la corona (C1) (fig. inferior 4.23) se transmite integro a la bomba del embrague (P) por estar enclavados (A1 y B1) a través del embrague (E1). La bomba, en este caso, se mueve a la misma velocidad que el motor, arrastrando a la turbina (T) que da movimiento al planeta (A2) sin reducción alguna. El giro de este planetario (A2) mueve a los satélites (B2), que como en el caso anterior, al estar frenada la corona (C2), ruedan sobre ella comunicando el movimiento al árbol de transmisión de salida (3). La reducción de velocidad en este caso sólo se efectúa a través del tren de engranajes (II). Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 110 Figura 4.23 Segunda velocidad Tercera velocidad A la velocidad correspondiente para que entre la tercera velocidad, el mecanismo de mando hidráulico acciona el freno (F1) y el embrague (E2), dejando libres (F2 y E1). El giro del árbol motor (1), a través de la corona (C1), se transmite a los satélites (B1), por estar el planeta (A1) frenado y, a su vez, a la corona (C2) por la acción del embrague (E2). Por otro lado, el movimiento de los satélites (B1) se transmite a la bomba (P) del embrague hidráulico, que arrastra a la turbina (T) dando movimiento al planeta (A2). Al girar el planeta y la corona del tren (II) a la misma velocidad, se efectúa una acción de enclavamiento en el segundo tren de engranajes y sus satélites (B2) se desplazan a la misma velocidad que el conjunto, comunicando su movimiento al árbol de salida de transmisión (3). La reducción de velocidad en este caso, sólo se efectúa, por tanto, en el primer tren de engranajes. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 111 Figura 4.24 Tercera velocidad Cuarta velocidad Con el vehículo circulando a la velocidad correspondiente para que entre la cuarta velocidad, los mecanismos de mando hidráulicos accionan los embragues (E1 y E2) dejando libres los frenos (F1 y F2). El giro motor que llega a la corona (C1) se transmite integro a la bomba (M), por estar enclavadas (A1 y B1) por el embrague (E1). Este giro motor se transmite a su vez integro a la corona (C2) del segundo tren de engranajes (II) por la acción del embrague (E2) y como el movimiento de la bomba (P) se transmite integro a través de la turbina (T) al planetario (A2), se produce el enclavamiento del segundo tren que arrastra a los satélites (B2) y al árbol de salida (3) en la caja de cambios a la misma velocidad del motor sin reducción alguna. Por lo tanto no hay reducción, se puede denominar a esta marcha "directa". Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 112 Figura 4.25 Cuarta velocidad Marcha atrás Al accionar la palanca de cambios en posición de marcha atrás, se enclava mecánicamente la corona (C3) accionándose a su vez el freno (F1) y quedando libres (F2, E1 y E2). En esta posición, el giro del motor (1), a través de la corona (C1), se transmite a los satélites (B1) y a la bomba del embrague hidráulico (P), arrastrando a la turbina (T) que da movimiento (A2). El movimiento del planeta (A2) hace girar a los satélites (B2) que arrastran a la corona (C2) en sentido contrario y está, a su vez, al planeta (A3), que hace rodar los satélites (B3) sobre la corona (C3), que está enclavada, en sentido contrario al giro motor. Como los satélites (B2 y B3) van unidos al árbol de transmisión, comunican el movimiento al mismo, con la reducción correspondiente a los trenes (I y II), pero en marcha atrás. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 113 Figura 4.26 Reversa 4.5 Características particulares Este modelo de caja automática presenta la particularidad de que el embrague hidráulico va colocado entre el 1º y 2º tren de engranajes, con lo cual, en 1ª y 3ª velocidad, la bomba funciona con una cierta reducción de giro a través de (B1). Esta circunstancia evita el arrastre del vehículo a ralentí, cuando está metida la primera velocidad, y mejora el rendimiento del embrague. El par motor transmitido al árbol de salida se comunica por dos caminos; uno; a través de los engranes de los trenes, y el otro a través de la turbina al planetario del segundo tren, con lo que se consigue disminuir el resbalamiento del aceite en el y se mejora el rendimiento, sobre todo cuando, por calentamiento, se debilita la turbulencia formada. Sistema de mando para el cambio automático Hemos visto el funcionamiento del convertidor de par y de los trenes epicloidales, ahora veremos cómo funcionan los elementos que controlan el cambio de velocidades. El sistema de control del cambio automático en la caja de cambios Hidramatic está formado por un circuito hidráulico y una serie de elementos, situados en el interior del cárter de la caja de cambios, que realizan las operaciones de cambio automático para las distintas velocidades, sin que tenga que intervenir el conductor. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 114 Hay dos elementos principales que se encargan de frenar uno o varios de los componentes del tren epicicloidal para conseguir las diferentes reducciones de velocidad. Estos elementos son: la cinta de freno y el embrague. La cinta de freno: consiste en una cinta que rodea un tambor metálico. Este tambor puede estar fijado al piñón planeta tal como se muestra en la figura, o puede ser la superficie exterior de la corona de engrane interior. Cuando la cinta de freno esta aplicada, queda inmovilizado el piñón planeta y el engranaje epicicloidal actúa como un reductor de velocidad. La corona interior estará girando, pues esta montada sobre el eje de entrada. Esta disposición hacen que giren los piñones satélites, a la vez que circunden el piñón planeta, arrastrando consigo al porta satélites, el cual girara animado de una velocidad de rotación inferior a la de la corona interior. Figura 4.27 El embrague: consiste en una serie de placas la mitad de las cuales están fijadas en el anillo exterior, llamado tambor de embrague que es solidario con el planeta y la otra mitad lo están al porta satélites. Cuando la presión del aceite aprieta entre si los dos juegos de placas del embrague, éste estará conectado. Cuando actúa el embrague diremos que el engranaje epicicloidal esta "bloqueado" ya que hacemos solidarios dos de sus componentes y el engranaje epicicloidal girara al completo sin ningún tipo de reducción. El aceite a presión que entra a través del tubo de aceite produce la aplicación o acoplamiento del embrague. El aceite a presión empuja hacia la izquierda al pistón anular dispuesto en el tambor del piñón planeta, de manera que las placas del embrague son apretadas las unas contra las otras, quedando así aplicado el embrague. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 115 En esta situación, el porta satélites y el piñón planeta son solidarios. El juego de engranaje epicicloidal está ahora en transmisión o marcha directa. Figura 4.28 El dispositivo de la figura superior es solo uno de los varios que se usan en las cajas de cambios automáticas. En algunas de éstas, cuando la cinta esta aplicada, permanece inmovilizada la corona interior o el porta satélites. Las diferentes cajas de cambio pueden, sin embargo, inmovilizar diferentes miembros conjuntamente cuando está aplicado el embrague. No obstante, en todas las cajas de cambios automáticas el principio es el mismo. Hay reducción de marcha cuando está aplicada la cinta y hay transmisión en directa cuando está aplicado al embrague. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 116 Figura 4.29 4.6 Mantenimiento El aceite para una transmisión automática debe que ser muy resistente a la oxidación, a los cambios de viscosidad por las temperaturas y el uso, y debe poseer características de fricción correctas para cada tipo de caja. Además, tiene que mantener todas las superficies, los contactos y las válvulas limpias y libres de barniz. La Función del Aceite en la Transmisión Automática Proveer una correcta fricción para los materiales específicos en cada transmisión Transferir fuerza Circular rápidamente en el frío Lubricar todos los componentes Actuar como líquido hidráulico Disipar el calor generado Desplazarse en de los discos en el momento correcto Los requerimientos para un ATF Tener compatiblilidad y no ser corrosivo con las piezas y los materiales Mantener su estabilidad térmica Poseer alta bombeabilidad en el frío Tener buena detergencia para mantener las piezas libre de barniz y lodo Minimizar espuma y desgaste Poseer estabilidad contra oxidación. Correcto coeficiente de fricción para responder a materiales específicos A seguir explicamos algunas diferencias entre las especificaciones de fluidos ATF. La industria de lubricares y aditivos ha logrado a consolidar algunos de estas necesidades Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 117 en unos cuantos productos por tecnología seguido por pruebas de laboratorio y campo. La fabricación de aceites sintéticos de características especiales de fricción y comportamiento en frío y calor, combinado con modificadores de viscosidad y punto de fluidez, más modificadores de fricción especial para diferentes materiales facilitan este comportamiento. Los lubricantes para transmisiones automáticas tienen modificadores de fricción para sus embragues y bandas, pero son diferentes que los de motos (con sus embragues húmedos), equipo pesado (embragues y frenos húmedos) y tractores agrícolas (embragues y/o frenos húmedos). Cada aplicación tiene sus aceites correctos de acuerdo a los materiales, el torque, el tamaño y el diseño de la superficie. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 118 Bibliografía Enlaces de Web http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios4.htm - http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios2.htm - http://professionalautomotive.wordpress.com/2012/07/24/cajas-de-cambiotipos-y-funcionamiento/ - http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios1.htm http://jeroitim.blogspot.mx/ http://www.cajas-automaticas.com/componentes-funcionamiernto-cajasautomaticas.html - http://automatikompleta.blogspot.es/ - http://www.aficionadosalamecanica.net/caja-cambios6.htm http://sanchezmecanica.mex.tl/844518_UNIDAD-1.html Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 119 Conclusión Tras la realización de esta monografía me he dado cuenta de grandes lagunas que tenía con respecto al funcionamiento y estructura general de la caja de cambios. Una de los mayores inconvenientes que he tenido, ha sido básicamente la estructura interna de los piñones y sistemas de accionamiento de las distintas velocidades; sobre todo debido a que el paso de la teoría a la práctica cambia todos los esquemas mentales que se pueden tener acerca de este elemento. Por ejemplo, los sistemas de enclavamiento de las diferentes velocidades son algo que teóricamente es muy difícil de asimilar, pero por el contrario, una vez desmontado, resulta muy sencillo de comprender. Ya que en las imágenes no se muestra con muchos detalles la forma de engranaje y sus posiciones al momento del cambio de velocidad. De la teoría a la práctica, es muy diferente ya que en los dibujos, no te muestra lo que en si es una caja de velocidades, ya que están llenas de aceite, para m, al principio hice todo practico y conocí algunas partes de un coche en general pero al ver algunas imágenes de esta monografía me recordaban que para llegar a esta pieza debía de quitar otras partes de ella, como por ejemplo, en algunos casos se le debe bajar el escape desde la tubería de escape, el resonador hasta las juntas del trípode o árbol, a lo que voy, es que si te gusta esto de la mecánica automotriz es de ensuciarse y fijarte muy bien en las piezas, buscar como bajar o quitar una pieza para llegar a otra saber donde quitaste esa pieza y su posición, y ver el peso de las cosas pero alguna partes se ven que están ligeras o no pesan mucho por que solo ves la carcasa, es lo que esta cubriendo en si algo y estas confiado a eso, es muy interesante esta rama de la ingeniería. Lo que mas me dio gusto de aprender, fue ver todo los engranes que lleva un caja de velocidad, ya que cada pieza tiene su función en el sistema y también los ángulos de cada diente, que al movimiento de la palanca que solo lo mueves 5 o 10 cm. hacia delante o hacia atrás conlleva una serie de movimientos para aumentar o disminuir la velocidad del carro. Descripción de la Transmisión Automotriz Manual y Automática Página 120
