1. Introducción 2. Determinación de las relaciones de cambio

1. Introducción
Ya sabemos que el giro del motor es transmitido hasta las ruedas por
medio del embrague, la caja de cambios y las transmisiones. La caja de
cambios es un elemento capaz de variar el régimen de giro y el par transmitido
hacia las ruedas.
La potencia y el par desarrollados por el motor varían según el número
de revoluciones, consiguiéndose la mayor potencia a mayor régimen que el
necesario para obtener el máximo par motor.
Por tanto, para obtener la potencia y el par adecuados para cada
situación, la caja de cambios, por medio de un sistema de engranajes,
consigue adaptar una desmultiplicación adecuada para lograr una relación
entre potencia y par adecuada para las necesidades del conductor.
2. Determinación de las relaciones de cambio
Efectivamente, la caja de cambios es un transformador de velocidad y de
par motor, que se usa como desmultiplicador de velocidad, o como
multiplicador de par. La caja de cambios es un elemento imprescindible ya que
la falta de elasticidad de los motores térmicos impide su utilización a bajas
revoluciones con un rendimiento aceptable.
Al representar las relaciones de
una caja de cambios de un vehículo
sobre un gráfico se obtiene la imagen de
al lado. En este gráfico podemos
observar que en su eje de abscisas las
velocidades del vehículo y en el eje de
ordenadas los regimenes del motor. Así
obtenemos una serie de rectas que
representan las distintas velocidades.
Debido a las diferentes desmultiplicaciones de cada velocidad observamos que
para un mismo número de revoluciones obtenemos diferentes velocidades
según la relación de la caja de cambios.
Hay que subrayar que la relación más corta de una caja de velocidades,
la primera, ha de tener una desmultiplicación capaz de multiplicar el par motor
lo suficiente para que el vehículo pueda superar una pendiente del 25%.
Asimismo, a de ser capaz de arrancar en una rampa del 15% con una
aceleración de 0,5 ms2.
3. La caja de cambios convencional
Actualmente, se utilizan cajas de cambios de tres ejes. Estas cajas de
cambios están formadas por un eje primario que se une por medio de un
rodamiento a un eje secundario, de forma que queden en
prolongación. También disponen de un eje fijo o tren fijo,
que está engranado constantemente con los ejes
primario y secundario. El eje primario está formado por
un solo piñón, que engrana con el tren fijo. El tren fijo
transmite el giro del eje primario a unos engranajes que
van montados locos sobre el eje secundario. En el eje
secundario se montan unos dispositivos llamados
acopladores, que permiten engranar los piñones locos con el eje. Para ello, se
mueven lateralmente sobre el estriado del árbol hasta encajar en el estriado del
piñón correspondiente.
Los dientes de los piñones de las cajas de cambios actuales son de tipo
helicoidal. Anteriormente se utilizaban los dientes rectos pero los helicoidales
resultan ser más silenciosos en su funcionamiento, a la vez que transmiten el
esfuerzo con mayor suavidad. Las cajas de cambios van provistas también de
una cierta cantidad de aceite, que es proyectada a todas direcciones por el
movimiento de los engranajes, impregnándolos haciendo llegar el aceite hasta
los rodamientos para conseguir su engrase.
4. Constitución de la caja de cambios
La caja de cambios
convencional está formada por
un eje primario, en el cual forma
parte un piñón que engrana de
forma constante con su
respectivo en el tren fijo.
Además, en el tren fijo van
labrados los piñones
correspondientes para cada
velocidad. Éstos piñones
engranan sobre otros piñones
que van montados locos sobre el
eje secundario con interposición
de cojinetes de bronce, de forma
que giran libremente arrastrados
por el tren fijo.
El eje primario recibe el
giro del motor a través del
mecanismo de embrague y el eje
secundario es el encargado de
transmitir el giro a la transmisión y a las ruedas. Los tres ejes que forman la
caja de cambios, eje primario, secundario y tren fijo, van apoyados sobre
cojinetes de bolas. El eje secundario y el eje primario van unidos a través de un
cojinete de agujas, de forma que el movimiento no se transmita de uno a otro.
Para conseguir que el eje secundario gire junto con el motor es
necesario que se engrane con los piñones que lleva acoplados locos a él. Esta
acople se consigue mediante el uso de cubos sincronizadores, que están
integrados por un cubo estriado sobre el eje secundario, sobre el cual se monta
una corona desplazable, también estriada, que se puede mover lateralmente un
cierto recorrido. En el interior de los cubos sincronizadores van montados dos
anillos sincronizadores, uno a cada lado, cuyo dentada engrana a la perfección
en la corona del cubo interior. Además, estos anillos se acoplan a las
superficies cónicas de los piñones del eje secundario.
Cuando la corona del sincronizador se desplaza (2) a uno y otro lado se
produce el engrane de su estriado
interior con el de los anillos
sincronizadores (1), y con el piñón
correspondiente a la velocidad
seleccionada. Antes de lograrse el
engrane total se produce un
frotamiento entre el anillo
sincronizador y el cono del piñón que
hace que ambos ejes igualen su
velocidad de giro entre ambos ejes.
Una vez logrado el engrane total se
transmite el movimiento desde el piñón al cubo sincronizador, y de éste al eje
secundario.
El tren fijo dispone de un piñón helicoidal para cada velocidad y otro
piñón recto para formar el mecanismo de la marcha atrás.
5. Relación de velocidades de una caja de cambios
Como ya es sabido, el número de revoluciones
del eje de salida con respecto al eje de entrada va en
función del número de dientes de los engranajes
utilizados. Tal como indica la figura, si (A) es el eje de
entrada y (D) el de salida, el movimiento se transmite
desde el piñón (A) al (B) y del (C) al (D). Resultando
conductores los piñones (A y C) y conducidos (B y D). Así pues la relación de
velocidad resulta:
Tren fijo
Eje secundario
1ª Velocidad
15 Dientes
34 Dientes
2ª Velocidad
20 Dientes
27 Dientes
3ª Velocidad
24 Dientes
21 Dientes
4ª Velocidad
29 Dientes
18 Dientes
Marcha atrás
14 Dientes
33 Dientes
Teniendo una caja de cambios con unos engranajes de tamaño como los
indicados en la tabla anterior obtenemos la desmultiplicación de cada
velocidad:
Primera velocidad: Al desplazarse el sincronizador de la 1ª y 2ª
velocidad hacia la derecha hace que el engranaje loco correspondiente se haga
solidario con el eje secundario. Su relación de desmultiplicación es:
Lo cual nos indica que para que el eje de salida de la caja de cambios dé
una vuelta completa es necesario que el eje de entrada dé 3,65 vueltas. Así se
obtiene la mayor reducción de giro y mayor aumento de transmisión de par
motor hacia las ruedas.
Segunda velocidad: Al desplazarse el sincronizador de la 1ª y 2ª
velocidad hacia la izquierda hace que el engranaje loco correspondiente se
haga solidario al eje secundario como en el anterior caso. La relación de
desmultiplicación de esta velocidad es la siguiente:
Esto nos indica que para que el eje de salida de la caja de cambios dé
una vuelta completa es necesario que el eje de entrada gire 2,17 vueltas. Así
se logra una desmultiplicación algo menor, con lo que aumenta la velocidad del
vehículo.
Tercera velocidad: Al desplazarse el correspondiente sincronizador
hacia la derecha hace que el engranaje loco correspondiente se haga solidario
con el eje secundario, como en los dos casos anteriores. Su relación de
desmultiplicación es:
Observamos que para que el eje de salida de la caja de cambios
complete totalmente una vuelta es necesario que el eje de entrada gire 1,40
vueltas. Apreciamos que la desmultiplicación cada vez es menor, con lo que
aumenta considerablemente la velocidad del vehículo con respecto al régimen
de giro del motor.
Cuarta velocidad: Al desplazarse el sincronizador anterior hacia la
izquierda, los ejes primario y secundario se hacen solidarios entre sí,
transmitiendo el giro del eje de entrada al eje de salida sin que exista ninguna
desmultiplicación, se suele llamar a esta velocidad como toma directa.
Marcha atrás: Al situar la palanca del cambio de velocidades en la
posición de marcha atrás un engranaje auxiliar engrana con los engranajes
rectos que se disponen al final del eje secundario y del tren fijo. Su relación de
desmultiplicación es:
Observamos que su relación de desmultiplicación es muy similar a la de
la primera velocidad, ello es debido a que cuando se le acopla la marcha atrás
al vehículo éste a de estar completamente parado, ya que esta velocidad no
lleva sincronizador, y tiene que realizar el esfuerzo de poner en marcha de
nuevo el vehículo. Es decir, necesita hacer mucha fuerza para vencer el par
resistente del vehículo.
Esta caja de cambios dispone de cuatro velocidades hacia delante y una
hacia atrás. En caso de que llevara una quinta velocidad su relación de
desmultiplicación sería menor de 1, ya que así se conseguiría que el eje de
salida girara a mayor velocidad que el eje de entrada.
6. Sincronizadores
Como ya se ha dicho anteriormente, los sincronizadores se utilizan para
conseguir engranar de forma adecuada. En las cajas de cambios
convencionales, en engrane se obtiene con el desplazamiento de la corona del
sincronizador, también llamada carrete. Este carrete lleva un dentado interno
que consigue engranar con el piñón loco de la velocidad deseada. Se aprecia
que para un correcto engrane hay que igualar el giro de ambos ejes.
Ello se consigue con el uso de sincronizadores absolutos. Estos
sincronizadores están formados por un buje, que engrana constantemente en
el estriado del eje secundario. Dicho buje lleva labrado en su perímetro exterior
unos dientes rectos, que engranan con los dientes interiores del carrete. A los
piñones locos de las diferentes velocidades se le unen a través de un muelle
unos anillos sincronizadores de cobre con forma cónica, que llevan un estriado
igual que el de los piñones.
Cuando el conductor acciona la palanca del cambio y selecciona una
velocidad, el carrete correspondiente es empujado hacia el engranaje loco.
Conforme se va acercando el carrete el anillo cónico va entrando en él,
produciendo un rozamiento que iguala las velocidades entre el eje secundario y
el engranaje loco. Al seguir avanzando el carrete sus dientes engranan con los
del piñón, haciéndose solidario el giro de este con el del eje secundario, es
decir, entrando la velocidad.
Antiguamente se usaban otro tipo de sincronizadores en los que el anillo
cónico iba mecanizado en mismo carrete.
7. Averías encontradas en la caja de cambios
Al realizar la práctica de desmontar y volver a montar una caja de
cambios encontramos las siguientes anomalías:
Faltan los bolillos de seguridad que impiden que puedan entrar
dos velocidades a la vez. Ya que si entraran dos velocidades juntas
el eje secundario se quedaría bloqueado al intentar girar a distinta
velocidad a la vez. Éste mecanismo de seguridad se perdería en
algún desmontaje anterior y habría que colocar unos bolillos nuevos
para ese modelo de caja de cambios.
La cajera de los rodamientos sobre los cuales se apoya el tren fijo
estaba chafada. Ello da lugar a ruidos y molestias para el conductor.
Para solucionar este problema habría que sustituir los rodamientos
dañados por unos nuevos que sean idénticos a los utilizados.
El mecanismo para el cuentakilómetros está partido en dos. Tal
vez se rompiera al quitar la caja de cambios del vehículo o que se
haya roto en anteriores desmontajes. Fuese como fuese habría que
sustituirlo por uno nuevo si queremos que el cuentakilómetros y el
velocímetro funcione de forma adecuada.
La junta de la tapa trasera, la del carter y la del envolvente
estaban en un estado deplorable, e incluso rotas. Como no teníamos
juntas nuevas tuvimos que hacerlas nosotros nuevas. Ese problema
ya está solucionado, y ya no pierde aceite.
Faltaban numerosas arandelas de diversos tamaños que hemos
tenido que ir reponiendo con las que se encontraban en el taller.
Aunque no hemos encontrado algunas específicas que eran de
tamaños muy extraños. Dichas arandelas fueron perdidas en
anteriores desmontajes.