principios mecanicos del tren motriz de una caja de velocidades tipo

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
CD. MENDOZA., VER.
PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL
DE LA CARRERA
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
TITULO DEL TEMA:
“PRINCIPIOS MECÁNICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE
VELOCIDADES TIPO ESTÁNDAR”
MODALIDAD:
MONOGRAFÍA
NOMBRE DEL ALUMNO:
JOSÉ CARLOS GONZÁLEZ ZAYAS
CD. MENDOZA., VER
2012
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... I
Capítulo I Historia y antecedentes........................................................................ 1
1.1 Historia y antecedentes ................................................................................ 2
1.1.1 Reseña histórica de los cambios de velocidades .................................. 10
Capítulo II Principios físicos y mecánicos......................................................... 12
2.1 Principios físicos ......................................................................................... 13
2.1.1 Conservación de la energía ................................................................... 14
2.1.2 Masa...................................................................................................... 16
2.1.3 Momento de inercia ............................................................................... 18
2.2 Principios mecánicos .................................................................................. 22
2.2.1 Embrague .............................................................................................. 22
2.2.2 Transmisión ........................................................................................... 23
2.2.2.1 Relación de transmisión ................................................................... 26
2.2.3 Relaciones de transmisión de velocidades ............................................ 29
2.2.4 Relación de transmisión de una caja de velocidades tipo estándar ...... 34
Capítulo III Engranes y tren de engranes ......................................................... 35
3.1 Engranes .................................................................................................... 36
3.1.1 Nomenclatura ........................................................................................ 37
3.1.2 Clasificación .......................................................................................... 42
3.1.2.1 Engranes rectos ............................................................................... 44
3.1.2.2 Engranes helicoidales ...................................................................... 46
3.1.2.3 Engranes cónicos ............................................................................. 50
3.1.2.4 Tornillo sin fin y corona ..................................................................... 53
3.2 Tren de engranes ....................................................................................... 55
3.2.1 Clasificación de los trenes de engranes ................................................ 56
3.2.1.1 Tren de engranes ordinarios ............................................................ 57
3.2.1.2 Tren de engranes epicicloidales ....................................................... 59
3.2.1.3 Tren reductor compacto ................................................................... 60
Capítulo IV Partes componentes y elementos auxiliares .................................. 61
4.1 Partes componentes................................................................................... 62
4.1.1 Cajas de cambios manuales ................................................................. 62
4.1.2 Cajas de cambios manual de tres ejes dispuesta
longitudinalmente .................................................................................. 69
4.1.3 Cajas de cambios manual de dos ejes dispuesta
transversalmente ................................................................................... 72
4.1.4 Despiece de una caja de cambios ......................................................... 73
4.2 Elementos auxiliares .................................................................................. 76
4.2.1 El embrague .......................................................................................... 76
4.2.1.1 Disco de embrague .......................................................................... 80
4.2.1.2 Conjunto de plato presor y tapa de embrague ................................. 83
4.2.1.3 Cojinete de desembrague ................................................................ 87
4.2.2 El mando de cambios ............................................................................ 88
4.2.2.1 Disposición y funcionamiento del mando de cambios ...................... 88
4.2.3 Sincronizadores ..................................................................................... 92
Capítulo V Funcionamiento de una caja de velocidades tipo estándar ............. 98
5.1 Funcionamiento .......................................................................................... 99
5.1.1 Principios de funcionamiento ................................................................. 99
5.1.2 Sincronización ..................................................................................... 102
5.1.3 El cambio de velocidades .................................................................... 105
5.1.4 Funcionamiento de una caja de velocidades ...................................... 110
5.1.5 Cajas de velocidades para motor y tracción delanteros ...................... 117
Capítulo VI Mantenimiento y averías ............................................................... 121
6.1 Mantenimiento .......................................................................................... 122
6.1.1 Reparación del cambio de velocidades ............................................... 122
6.1.2 El cuidado de las cajas de cambios de engranes ................................ 124
6.1.3 Aceites lubricantes empleados en las cajas de cambio....................... 125
6.2 Averías ..................................................................................................... 127
6.2.1 Desgaste de los engranes ................................................................... 127
6.2.2 Tendencia a salirse las marchas ......................................................... 129
6.2.3 Rotura de los dientes........................................................................... 131
6.2.4 El embrague patina ............................................................................. 131
6.2.5 Pérdida del juego libre del embrague y su ajuste ................................ 132
6.2.6 El embrague no desembraga completamente ..................................... 133
6.2.7 Ruidos en el embrague ....................................................................... 133
CONCLUSIONES................................................................................................ 134
GLOSARIO.......................................................................................................... 137
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 142
INTRODUCCIÓN
Cuando se arranca un automóvil, y se desea poner en movimiento, es necesario
hacer funcionar la caja de velocidades para transmitir la fuerza del motor hacia las
ruedas.
El tren motriz ó caja de velocidades tipo estándar, es un mecanismo muy completo
y que brinda la posibilidad de hacer mover un automóvil a distintas velocidades.
Una transmisión manual ó estándar, es una caja que no puede alterar la velocidad
por sí sola, sino que el conductor debe hacerlo. Por lo tanto, se diferencia de una
caja automática, en que ésta si puede cambiar por sí sola.
La caja de cambios es un mecanismo situado como elemento de transmisión entre
el motor y las ruedas, (y más concretamente entre la transmisión y el embrague),
cuya función es la de “adecuar el par del motor a la resistencia que presenta el
vehículo bajo ciertas condiciones de marcha”, variando la relación entre el número
de revoluciones del motor y el de las ruedas motrices del vehículo, e incluso
invirtiendo el sentido de giro de las mismas cuando sea necesario. Se comporta
por tanto, como un “transformador de velocidad” y un “convertidor mecánico de
par”.
Las características de una caja de velocidades es que contienen engranes, que no
son más que ruedas con dientes a lo largo de toda su circunferencia, y que en su
conjunto componen un tren de engranes, que tiene la capacidad de multiplicar el
par entregado por el motor. Esta fuerza crea una potencia, que es la que se
transmite hacia las ruedas.
Las diversas marchas aprovechan la potencia según su relación de transmisión, la
cual está en función del número de dientes del engrane; y que está diseñada para
romper el estado de reposo del vehículo, haciendo trabajar las ruedas en contra
de la resistencia del terreno. Estas relaciones de transmisión nos dicen la
capacidad de trabajo que puede realizar el automóvil y el mejor aprovechamiento
del par entregado por el motor y el combustible que se consume.
Para que se tenga una idea más clara de lo que son las transmisiones, cómo
funcionan y cuál es la mejor opción, se presentaran algunos datos, para tener un
mayor
conocimiento
del
tema
cuando
se
escuche
la
frase
“manual”.
PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
CAPITULO I
HISTORIA Y ANTECEDENTES
Página 1
PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
1.1 HISTORIA Y ANTECEDENTES
Todas las máquinas requieren de una fuerza motriz. En la antigüedad ésta venía
de animales, seres humanos o los elementos, como el viento o corrientes de agua.
Hoy en día uno de los problemas principales de la Ingeniería Mecánica es la
transmisión de movimiento, entre un conjunto motor y máquinas conducidas.
Desde épocas muy remotas se han utilizado cuerdas y elementos fabricados de
madera para solucionar los problemas de transporte, impulsión, elevación y
movimiento. Algunos de esos elementos, ya eran fabricados de aleaciones de
algún metal, con el fin de mejorar sus prestaciones (fig. 1.1)
Fig. 1.1 Molde chino para fabricar engranajes de bronce (siglos II a.C. a III d.C.)
El mecanismo de engranajes más antiguo de cuyos restos disponemos es
el mecanismo de Antikyithera. Se trata de una calculadora astronómica datada
entre el 150 y el 100 a. C. y compuesta por al menos 30 engranajes de bronce con
dientes triangulares.
Presenta características tecnológicas avanzadas como por ejemplo trenes
de engranajes epicicloidales que, hasta el descubrimiento de este mecanismo, se
creían inventados en el siglo XIX. Por citas de Cicerón, se sabe que el de
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Anticitera no fue un ejemplo aislado sino que existieron al menos otros dos
mecanismos similares en esa época, construidos por Arquímedes y por Posidonio.
Por otro lado, a Arquímedes se le suele considerar uno de los inventores de los
engranajes porque diseñó un tornillo sin fin.
Fig. 1.2 Mecanismo de Antikythera.
En China también se han conservado ejemplos muy antiguos de máquinas con
engranajes. Un ejemplo es el llamado "carro que apunta hacia el Sur" (120250 d. C.), un ingenioso mecanismo que mantenía el brazo de una figura humana
apuntando siempre hacia el Sur gracias al uso de engranajes diferenciales
epicicloidales.
Algo
anterior,
en
torno
a
50 d. C.,
son
los engranajes
helicoidales tallados en madera y hallados en una tumba real en la ciudad china
de Shensi.
No está claro cómo se transmitió la tecnología de los engranajes en los siglos
siguientes. Es posible que el conocimiento de la época del mecanismo de
Anticitera sobreviviese y contribuyese al florecimiento de la ciencia y la tecnología
en el mundo islámico de los siglos IX al XIII.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Por ejemplo, un manuscrito andalusí del siglo XI menciona por vez primera el uso
en relojes mecánicos
tanto
de engranajes
epicíclicos
como
de engranajes
segmentados.
Los trabajos islámicos sobre astronomía y mecánica pueden haber sido la base
que permitió que volvieran a fabricarse calculadoras astronómicas en la Edad
Moderna. En los inicios del Renacimiento esta tecnología se utilizó en Europa para
el desarrollo de sofisticados relojes, en la mayoría de los casos destinados a
edificios públicos como catedrales.
Fig. 1.3 Engranaje helicoidal de Leonardo
El inventor de los engranajes en todas sus formas fue Leonardo da Vinci, quien a
su muerte en la Francia de 1519, dejó para nosotros sus valiosos dibujos y
esquemas de muchos de los mecanismos que hoy utilizamos diariamente (fig1.3).
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 1.4 Transmisión de Da Vinci
La forma más básica de un engrane es una pareja de ruedas, una de ellas
provistas de barras cilíndricas y la otra formada por dos ruedas unidas por barras
cilíndricas.
En la figura 1.4 se aprecia un mecanismo para repeler ataques enemigos, consiste
de aspas al nivel del techo movidas por un eje vertical, unido a un "engranaje", el
movimiento lo producen soldados que giran una rueda a nivel del piso y
provocando que los enemigos que han alcanzado el techo sean expulsados. En
este mecanismo se muestra la transmisión entre dos ejes paralelos, uno de ellos
es el eje motor y el otro el eje conducido.
Leonardo se dedico mucho a la creación de máquinas de guerra para la defensa y
el ataque, sus materiales fueron madera, hierro y cuerdas, que se elaboraban en
forma rudimentaria, pero sus esquemas e invenciones trascienden el tiempo y nos
enseñan las múltiples alternativas que nos brindan mecanismos básicos de
palancas, engranes y poleas unidas entre sí en una máquina cuyo diseño
geométrico es notable.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 1.5 Transmisión trasera de un carro
En la figura 1.5 se puede apreciar la transmisión trasera para un carro, el eje
vertical mueve el "engrane" que impulsa las ruedas hacia adelante o atrás. En este
mecanismo los ejes están perpendiculares entre sí.
Fig. 1.6 Sin fin y corona diseñado por Da Vinci
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Se puede deducir que la posición entre los ejes es de gran importancia al diseñar
la transmisión. Las situaciones son principalmente tres: ejes paralelos, ejes que se
cortan y ejes que se cruzan. Un ejemplo de esta última situación se aprecia en la
figura 1.6, en donde una manivela mueve un elemento que llamaremos tornillo sin
fin el que a su vez mueve la rueda unida a él. En este caso, el mecanismo se
utiliza como tecle para subir un balde. Los ejes se encuentran en una posición
ortogonal, o sea, se cruzan a 90 grados.
Los engranes propiamente tales son ruedas provistas de dientes que posibilitan
que dos de ellas se conecten entre sí (fig. 1.7).
Los primeros datos que existen sobre la transmisión de rotación con velocidad
angular uniforme por medio de engranajes, corresponden al año 1674, cuando el
famoso astrónomo danés Olaf Roemer (1644-1710) propuso la forma o perfil del
diente en epicicloide.
Robert Willis (1800-1875), considerado uno de los primeros ingenieros mecánicos,
fue el que obtuvo la primera aplicación práctica de la epicicloide al emplearla en la
construcción de una serie de engranajes intercambiables. De la misma manera, de
los primeros matemáticos fue la idea del empleo de la evolvente de círculo en el
perfil del diente, pero también se deben a Willis las realizaciones prácticas. A Willis
se le debe la creación del odontógrafo, aparato que sirve para el trazado
simplificado del perfil del diente de evolvente.
Es muy posible que fuera el francés Phillipe de Lahire el primero en concebir el
diente de perfil en evolvente en 1695, muy poco tiempo después de que Roemer
concibiera el epicicloidal.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La primera aplicación práctica del diente en evolvente fue
debida al
suizo Leonhard Euler (1707). En 1856, Christian Schiele descubrió el sistema de
fresado de engranajes rectos por medio de la fresa madre, pero el procedimiento
no se llevaría a la práctica hasta 1887, a base de la patente Grant.
Fig. 1.7 Transmisión antigua
En 1874, el norteamericano William Gleason inventó la primera fresadora de
engranajes cónicos y gracias a la acción de sus hijos, especialmente su hija Kate
Gleason (1865-1933), convirtió a su empresa Gleason Works, radicada en
Rochester (Nueva York, EEUU) en una de los fabricantes de máquinas
herramientas más importantes del mundo.
En 1897, el inventor alemán Robert Hermann Pfauter (1885-1914), inventó y
patentó una máquina universal de dentar engranajes rectos y helicoidales por
fresa madre. A raíz de este invento y otros muchos inventos y aplicaciones que
realizó sobre el mecanizado de engranajes, fundó la empresa Pfauter Company
que, con el paso del tiempo, se ha convertido en una multinacional fabricante de
todo tipo de máquinas-herramientas.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En 1906, el ingeniero y empresario alemán Friedrich Wilhelm Lorenz (1842-1924)
se especializó en crear maquinaria y equipos de mecanizado de engranajes y en
1906 fabricó una talladora de engranajes capaz de mecanizar los dientes de una
rueda de 6 m de diámetro, módulo 100 y una longitud del dentado de 1,5 m.
Fig. 1.8 Grúa accionada con engranajes
A finales del siglo XIX, coincidiendo con la época dorada del desarrollo de los
engranajes, el inventor y fundador de la empresa Fellows Gear Shaper
Company, Edwin R. Fellows (1846-1945), inventó un método revolucionario para
mecanizar tornillos sin fin glóbicos tales como los que se montaban en las cajas de
dirección de los vehículos antes de que fuesen hidráulicas.
En 1905, M. Chambon, de Lyon (Francia), fue el creador de la máquina para el
dentado
de
engranajes
cónicos
Aproximadamente por esas fechas
por
procedimiento
de
fresa
madre.
André Citroën inventó los engranajes
helicoidales dobles.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
1.1.1 Reseña histórica de los cambios de velocidades
Ya en 1887, Karl Benz fue el primero que intentó resolver el problema del cambio de
la relación de velocidades para poder subir por cuestas pronunciadas. Benz diseñó
un mecanismo llamado Kripto que se componía de un tren de engranajes epicicloidales
que proporcionaba dos velocidades: una reductora y transmisión directa, además de la
marcha atrás.
Su aplicación en el campo automovilístico se debe a Gottlich Daimler y Wilhelm
Maybach, quienes diseñaron el primer cambio de engranajes que en el período 18941896 fueron aplicados a los automóviles de la Panhard & Levassor, propulsados por
motores Daimler. Los primeros cambios por engranajes eran de "piñones
desplazables", y los que más se podían encontrar eran de dos tipos: de 3 y de 2
árboles.
En el primer tipo de cambio de 3 árboles, el movimiento se transmitía mediante un
primer engranaje constante, desde el árbol primario o de entrada (solidario al
cigüeñal) hasta el árbol intermediario (al que se montaban fijas una serie de ruedas
dentadas). Del intermediario se transmitía el movimiento a un tercer árbol, el secundario o de salida, unido al par cónico y al diferencial. El secundario estaba alineado
con el primario y sus piñones se podían desplazar axialmente, girando solidarios con el
árbol gracias a las estrías de éste. Mediante un mando, cada una de las ruedas se
podía desplazar secuencialmente para engranar con el correspondiente del árbol
intermediario.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La toma directa se obtenía al conectar solidariamente el primario y el secundario, por
medio de los dientes frontales de cada una de las ruedas del árbol estriado, lo que
permitía obtener grandes ventajas desde el punto de vista del rendimiento, al eliminar
las pérdidas mecánicas debidas a la transmisión por engranajes.
El segundo tipo de cambio estaba compuesto únicamente por dos árboles: primario y
secundario; uno de ellos estriado y con los piñones desplazables axialmente, mientras
que el otro tenía piñones ensamblados, por lo que la transmisión directa de velocidades
era imposible de ser realizada.
El cambio por piñones o engranajes desplazables, fue el más utilizado hasta los años
treinta, y posteriormente fue abandonado debido a las desventajas que presentaba
respecto al sistema de toma constante, como por ejemplo las sacudidas que
aparecerían al engranar piñones que giraban a velocidades periféricas diferentes, con
lo que se producían esfuerzos excesivos y rápido desgaste. Otro inconveniente del
cambio con engranajes desplazables era la imposibilidad de la sincronización, ya que
todos los piñones giran simultáneamente con los árboles.
A lo largo de la década de los 1980, los modelos de automóviles pasaron a
incorporar cajas manuales de cinco cambios, en la década de los 1990, sólo
los automóviles de bajo costo o del segmento A tenían cajas de cuatro marchas.
En la última década, los modelos de alta gama, en particular aquellos con motor
diésel,
pasaron
a
incorporar
una
sexta
marcha,
para
poder
circular
en autopista con el motor a bajo régimen, y por lo tanto con consumos menores.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
CAPITULO II
PRINCIPIOS FISICOS Y
MECANICOS
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
2.1 PRINCIPIOS FISICOS
En este capítulo se presentarán los conceptos básicos para la selección de los
componentes mecánicos que se encargan de la transmisión del movimiento entre
el motor y la máquina.
En las herramientas más sencillas la fuerza motriz se usa directamente para
realizar el trabajo deseado. Pero en la gran mayoría de las máquinas la fuerza
motriz se genera en un lugar y en una forma que no pueden emplearse
directamente. En un taladro manual, por ejemplo, la fuerza motriz se genera en
una manivela pero se emplea en una broca. La manivela estará colocada en forma
tal que permita aprovechar la fuerza de la mano que la hace girar, y trabajará a la
velocidad que ésta le imprima, mientras que la broca estará colocada en la forma
que más convenga para barrenar y girará a una velocidad que permita que el
trabajo se haga con mayor eficacia. Es necesario, por tanto, transformar el
movimiento de la manivela para que sea útil para el barrenado. En este caso la
transformación o transmisión del movimiento se logra mediante un simple tren de
engranes. Para cubrir las necesidades de las diversas máquinas que existen, se
ha desarrollado una variedad muy amplia de elementos de transmisión.
Cuando hablamos de fuerza motriz quedamos ligados a dos principios
fundamentales que rigen el movimiento. En primer lugar tenemos las Leyes del
Movimiento de Newton, que se resumen en la ecuación:
Fuerza igual a masa por aceleración
(1)
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Esta ecuación se usa cuando un cuerpo se desplaza con movimiento lineal. Para
movimiento giratorio dicha ecuación se convierte en:
(2)
En la que:
T = es el par
= es el momento polar de inercia, y
= es la aceleración angular.
Estrictamente hablando, estas son ecuaciones vectoriales, pero cuando se trata
de movimiento en línea recta o giro sobre un eje fijo, las ecuaciones se vuelven
algebraicas, que es el caso de la mayoría de los cálculos relacionados a la
selección de componentes mecánicos.
2.1.1 Conservación de la energía
Tenemos también el principio de la conservación de la energía. Este nos dice que
en un sistema cerrado la energía que entra al sistema es igual a la que sale del
sistema más el incremento en energía dentro de éste. A la cantidad de energía
que entra, sale o se acumula en un sistema por unidad de tiempo se le denomina
potencia.
En mayor o menor medida, los componentes mecánicos de transmisión toman una
parte de la energía que entra y la convierten en calor. Cuando esto sucede, hay un
incremento en la temperatura de operación hasta que se alcanza un equilibrio
entre la energía que se está absorbiendo y el calor que se disipa en la atmósfera o
mediante algún sistema de enfriamiento. Una vez alcanzado este equilibrio, la
potencia mecánica a la entrada será igual a la potencia mecánica en la salida más
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
la energía que se disipa en forma de calor. Visto a la inversa, la potencia
disponible a la salida de un componente de transmisión es igual a la potencia a la
entrada menos las pérdidas por calor.
La eficiencia nos dice cuánta energía se pierde, de manera que la potencia
disponible a la salida de cada elemento será igual a la potencia a la entrada
multiplicada por su eficiencia, esto es:
(3)
(la eficiencia “ ”, siempre será menor a 1.0).
En movimiento lineal la potencia mecánica es igual a la fuerza requerida,
multiplicada por la velocidad del movimiento, y en movimiento giratorio, es igual al
par aplicado multiplicado por la velocidad angular. Nuestra ecuación, en el sistema
ISO se convierte en:
(4)
En donde:
T = par en newtons-metro (Nm)
= velocidad angular en radianes por segundo (s-1)
= eficiencia por unidad (menor a 1.0)
P = potencia en watts (W)
Subíndice s = condiciones a la salida
Subíndice e = condiciones a la entrada
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Comúnmente la velocidad de giro, N, está dada en revoluciones por minuto (rpm),
y la potencia en kilowatts (kW). Las unidades más usadas en el sistema inglés son
libras-pulgada (lb-in) para el par y caballos de fuerza, Hp, para la potencia.
No todas las máquinas trabajan a velocidad y con carga constantes, es común que
haya paros y arranques con cierta frecuencia o que la velocidad o el par de trabajo
varíen.
Durante el arranque, el motor y la transmisión tienen que acelerar la máquina
desde un estado de reposo hasta la velocidad de operación; esto, probablemente
implique un periodo durante el que el par transmitido sea más alto que durante la
operación estable. El par transmitido también puede elevarse cuando hay
variaciones en la velocidad o en la carga. La forma tradicional de tomar en cuenta
estas variaciones es mediante la aplicación de factores de servicio, que se
multiplican por el par de trabajo para establecer el par de selección (o par de
diseño).
2.1.2 Masa
El primer paso en la selección de un motor y sus elementos de transmisión, es
determinar las fuerzas, pares de torsión y velocidades, tanto lineales como
angulares, que requiere el trabajo a realizar. Cuando se trata de movimiento lineal
las fuerzas requeridas generalmente caen en alguna de las siguientes categorías:

Fuerzas requeridas para acelerar o frenar una masa:
F= ma

Fuerzas requeridas para contrarrestar la acción de la gravedad, peso:
P= mg
(5)
Página 16
PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fuerza de fricción igual al coeficiente de fricción [ ], por la fuerza de contacto [C].
F=
C
(6)
Fig. 2.1 Fuerza de friccion
NOTA: La fuerza de fricción actúa siempre en sentido contrario al movimiento y es
igual al coeficiente de fricción [ ], multiplicado por la fuerza de contacto entre las
superficies en deslizamiento [C]. En este caso la fuerza de fricción será
F= mg (cos )
(7)
Para movimiento giratorio, en lugar de la masa, usamos el momento de inercia
[
].

Par requerido para acelerar o frenar una masa que gira:
(8)

Par requerido para contrarrestar la acción de la gravedad:
T=rP= r mg
(9)
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 2.2 Accion de la gravedad
NOTA: El par requerido para contrarrestar la fuerza de gravedad es T= rmg
2.1.3 Momento de inercia
En el sistema ISO el momento de inercia se expresa en [kg-m²]. En el sistema
inglés la unidad básica es la libra fuerza [lb], por lo que el momento de inercia se
expresa en [lb-seg²-in] o [lb-seg²-ft], pero por razones prácticas, en muchos
catálogos se usa el peso y no la masa. Al momento de inercia basado en el peso
se le llama WK², expresado en [lb-in²] o [lb-ft²].
El momento de inercia de un cuerpo puntual de masa “m”, que gira a una distancia
fija “r”, alrededor de un eje es:
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 2.3 Momento de inercia
En la práctica se usa esta fórmula para cuerpos pequeños que giran a una
distancia relativamente grande del eje, como piezas que están colocadas en el
diámetro exterior de una mesa giratoria.
Para un cilindro hueco con radio exterior "R" y radio interior "r" la fórmula es:
Fig. 2.4 Momento de inercia para un cilindro hueco
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Se denomina momento de inercia reflejado “Jr”, al impacto que un elemento tiene
en una parte de la máquina que gira a velocidad diferente, pero con una relación
fija “i”, entre ambas velocidades. Es decir, si un elemento que tiene momento de
inercia Jo gira a N1 (rpm), el momento de inercia reflejado a un eje que gira a
N2 (rpm) será:
(10)
Fig. 2.5 Momento de inercia reflejado
Página 20
PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
El par de torsión "T", requerido para pasar de una velocidad inicial "Ni" expresada
en [rpm], a una velocidad final "Nf" también en [rpm], en un tiempo "t", será:
a) Para T expresado en [Nm] y Jr en [kg-m²], o bien T expresado en [lb-in] y Jr
en [lb-seg²-in] o finalmente T expresado en [lb-ft] y Jr en [lb-seg²-ft].
(11)
b) Para T expresado en [lb-in] y Jr en [lb-in²]
(12)
c) Para T expresado en [lb-ft] y Jr en [lb-ft²]
(13)
Donde
, representa la suma de los momentos de inercia de todos los
componentes giratorios de la máquina, reflejados al eje que pasará de Ni a Nf.
Página 21
PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
2.2 PRINCIPIOS MECANICOS
2.2.1 Embrague
El embrague es un mecanismo que permite transmitir el torque del motor para
poner un vehículo o una máquina en movimiento por medio de discos de fricción
desde un miembro que es el impulsor (volante del motor) a un impulsado
(transmisión).
El torque requerido del embrague se calcula mediante la siguiente ecuación:
Tem = (R x M x N x Q) / 12
(14)
Donde:
Tem = Torque del embrague [N.m]
R = Radio medio del disco [m]
M = Coeficiente de fricción: (0.25 para pasta orgánica; 0.32
para pasta cera metálica)
N = Número de caras de fricción
Q = Carga en el plato [kg]
El valor calculado del torque del embrague debe ser como mínimo un 40 % más
alto que el torque máximo del motor.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
2.2.2 Transmisión
La transmisión o caja de cambio de velocidades es la parte del tren motriz que
aprovecha el torque y las revoluciones por minuto que desarrolla el motor para
modificarlos mediante una serie de engranes y transmitirlos a las ruedas motrices,
permitiendo al vehículo desarrollar una variedad de velocidades. La información
respecto a las relaciones de la transmisión se obtiene de las fichas técnicas del
fabricante del vehículo o de la transmisión.
La transmisión y el diferencial proporcionan la relación de engranes necesarios
para utilizar de manera efectiva la potencia del motor. Por lo que la selección
cuidadosa de la relación de engranes hace posible alcanzar la operación del motor
dentro de su rango de trabajo para maximizar el desempeño al menor costo. La
máxima eficiencia del rango de trabajo para algunos motores es cuando la máxima
potencia es producida por litro de combustible consumido.
Algunos diseños de motores utilizan altas r.p.m. para desarrollar la potencia
máxima y requieren una correcta relación de engranes para reducir las altas r.p.m.
requeridas para las velocidades del camino.
Con motores de bajas r.p.m., la relación de engranes de la transmisión debe
mantener las r.p.m. del motor cerca del torque pico para la eficiente operación del
vehículo.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Para la selección de la relación de engranes para el acoplamiento de la
transmisión con el eje es conveniente considerar lo siguiente:

Seleccionar la relación correcta de engranes a través de la experiencia del
desempeño de las unidades bajo condiciones similares a las requeridas.

Las
relaciones
de
los
engranes
deberán
ser
numéricamente
lo
suficientemente rápidos para asegurar la velocidad deseada durante la
operación en autopistas. La velocidad límite se deberá alcanzar cerca del
90% de la velocidad gobernada del motor.

La relación de engranes deberá ser numéricamente baja para proporcionar
un máximo desempeño con combinaciones de engranes menores, y una
arrancabilidad bajo todas las condiciones de operación.

La reducción total del engrane para cualquier combinación de engranes, es
calculada a través de la multiplicación de las relaciones de los engranes
correspondientes a los cambios deseados en cada componente.
Ret = Rt x Ra x Rd
(15)
Donde:
Ret = Reducción total del engrane
Rt = Relación de la transmisión
Ra = Relación del eje auxiliar
Rd = Relación del diferencial
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La reducción global del conjunto de engranes de la transmisión debe ser calculada
para determinar la pendiente máxima de arrancabilidad del vehículo.
Rge = Rtp x Rta x Rd
(16)
Donde:
Rge = Reducción global del conjunto de engranes
Rtp = Relación de la transmisión principal
Rta = Relación de la transmisión auxiliar
Rd = Relación del diferencial
El paso ideal entre los engranes debe estar entre el 18 y 20% entre cada paso. La
relación de paso representa el porcentaje de separación de los engranes entre los
pasos del engrane y se calcula mediante la ecuación.
%Rp = [(Rm / Rme)-1] x 100
(17)
Donde:
%Rp = Relación de paso [%]
Rm = valor de la relación mayor
Rme = valor de la relación menor
Para lograr una flexibilidad ideal en la operación del vehículo, las relaciones que
se seleccionen deben proporcionar una caída (disminución rápida) en las r.p.m.
del motor entre la velocidad gobernada y las r.p.m. de la parte baja del cambio,
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
estas r.p.m. son las requeridas para alcanzar el cambio del siguiente engrane
durante los cambios progresivos.
El rango ideal de caída de las r.p.m. se presenta entre las 300 y 500 r.p.m., para
un cambio adecuado. La caída excesiva de r.p.m. entre cambios, demora y
complica los cambios provocando que el vehículo pierda momento (torque). Las
r.p.m. del motor deberán ser mantenidas durante su operación.
La característica principal de una transmisión, además de la relación de cada
velocidad, es que permita el escalonamiento de las mismas cuando se realizan los
cambios. A esto se le denomina diagrama de velocidades. Este diagrama indica la
velocidad máxima alcanzable y el número de revoluciones por minuto en las
cuales se logra dicho valor.
2.2.2.1 Relación de transmisión
Un cambio de velocidades consiste básicamente en una combinación de varios
trenes de engranajes de distinto valor de reducción, como se muestra en la figura,
de tal manera que el movimiento que pueda ser transmitido desde el eje de
entrada (1) al eje de salida (4), según las necesidades de marcha del vehículo.
Fig. 2.6 Disposición de un tren de engranajes para transmisión de movimiento en el mismo eje de giro.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
El eje por el que sale el movimiento del motor (1) recibe el nombre de eje conductor o
eje primario, y el eje por el que sale el movimiento de la caja de velocidades (4),
para ser transmitido al diferencial recibe el nombre de eje conducido o eje secundario.
El eje en el que van montadas las ruedas auxiliares para la reducción de la velocidad
de giro recibe el nombre de eje intermediario.
Las distintas combinaciones que se pueden emplear para conducir el movimiento
reciben el nombre de marchas o velocidades, que para distinguirlas se numera
dándoles los nombres de primera, segunda, tercera, etc., comenzando la numeración
por la reducción mayor, o lo que es lo mismo, la que proporciona velocidad menor
en las ruedas. La velocidad para la cual el eje primario gira a la misma velocidad que
el secundario, es denominada directa.
La transmisión del par motor a las ruedas debe vencer la resistencia de estas en
movimiento, y como la potencia debe ser igual a la potencia absorbida por las ruedas, se
debe cumplir que:
(18)
Donde:
Wf = potencia final
Cm = par desarrollado por el motor
n = numero de revoluciones del motor
Cr = par resistente de las ruedas
nr = numero de revoluciones de las ruedas
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Esto implica que si no existiera la caja de cambios el número de revoluciones del
motor (n) se transmitiría directamente a las ruedas (n = nr), por lo que el par
desarrollado por el motor (Cm) sería igual al par resistente de las ruedas (Cm = Cr).
Esto en algunos casos podría ser contraproducente si se necesitara un par elevado en
las ruedas para realizar un determinado tipo de desplazamiento, lo que se traduciría
en la necesidad de contar con un motor de potencia totalmente exagerada.
Por lo tanto, con el uso de la caja de cambios se mantienen, dentro de unos
márgenes de funcionamiento óptimos, la potencia desarrollada por el motor en las
diferentes condiciones de marcha, aumentando de este modo el par de salida a
cambio de reducir el número de revoluciones en las ruedas.
A la relación de desmultiplicación que se aplica en la caja de cambios para obtener el
aumento de par necesario en las ruedas se la denomina relación de transmisión y
viene expresada por:
(19)
La relación de velocidades de giro es función a su vez de los diámetros de los
engranajes y del número de dientes de los mismos.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
2.2.3 Relaciones de transmisión de velocidades
La elección del número de velocidades que debe llevar una caja de cambios
dependerá fundamentalmente de la elasticidad del motor, ya que un motor
elástico requerirá un mayor número de marchas. Por ejemplo, un vehículo de
competición, cuyo motor debe girar siempre al límite de su potencia máxima, llevará
seis marchas, mientras que un turismo estándar de nuestros días requiere un cambio
con cuatro marchas adelante y una marcha atrás, que a menudo se elevan a cinco
en los vehículos de turismo de altas prestaciones
En vehículos comerciales destinados al transporte de personas o mercancía que
por sus características de uso requieren siempre un par motor elevado, recurre
con frecuencia a la instalación de un reductor a la salida del cambio, en lugar de
aumentar el número de marchas.
Acoplando o desacoplando éste reductor se puede duplicar el número de marchas
disponibles, con un diseño en su conjunto bastante sencillo.
Un parámetro muy importante a tener en cuenta siempre en el diseño de las cajas
de cambio, es el cálculo de las relaciones de transmisión necesarias. Dicha
relaciones deben establecerse en función del par máximo, ya que es ahí donde se
obtiene la mayor fuerza de impulsión en las ruedas. Para observar esto, se
representará gráficamente la variación de revoluciones máximas del motor, que
están relacionadas con la velocidad obtenida en las ruedas en función de metro y la
reducción de velocidades efectuada en el par cónico del puente, respecto a la
velocidad del vehículo, como podemos ver en la siguiente figura.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 2.7 Diagrama para el cálculo de velocidades en la caja de cambios.
En la figura 2.7 se muestran con trazos más gruesos las zonas de máxima y mínima
velocidad en cada desmultiplicación, delimitadas por las revoluciones máximas del
motor, y las revoluciones en las que se obtiene un par máximo, con lo que el motor
está
trabajando
dentro
del
régimen
de
máximo
rendimiento
en
cada
desmultiplicación. Según este principio, las desmultiplicaciones que se deben aplicar
a la caja de cambios en cada marcha, según el diagrama, son:
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
El sistema convencional seguido hasta hace poco tiempo para definir las relaciones
del cambio, consiste en determinar en un principio la primera y la última velocidad
(4a). Para la 4a marcha o directa se toma una relación i = i , de forma que el grupo
de cambio seleccionado tenga en cuenta el desarrollo del neumático y la velocidad
máxima de giro del motor, consiguiéndose que la máxima velocidad se aplique
para la máxima velocidad del motor, medida en un terreno con una pequeña
pendiente (2-3%).
Por otro lado, para definir la 1a se debe tener en cuenta la máxima pendiente que debe
superar el vehículo. En la siguiente figura se muestra una gráfica con la intersección de las
curvas de potencia motriz para cada marcha.
Fig. 2.8 Máxima velocidad alcanzable en una pendiente con una relación de transmisión determinada.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Ambas marchas 1a y 4a se obtienen experimentalmente, al igual que las otras dos
marchas (2a y 3a) seleccionadas, de tal modo que no exista una caída brusca de
régimen, dejando a criterio de la experiencia del fabricante la selección de la
desmultiplicación a emplear, en función de las prestaciones requeridas en el vehículo.
En la siguiente figura se muestra el aprovechamiento de la fuerza de un motor mediante
un cambio de marchas escalonado en progresión geométrica (figura 2.9).
Por ejemplo, si a 6000 r.p.m. se pasa a una marcha superior, el régimen del motor
desciende hasta los 3900 r.p.m., siendo los límites de velocidad para cada una de las
marchas de 45, 71, 109 y 170 km/h. Por otra parte, si observamos la figura 2.10, se
muestra que un mejor escalonamiento de las relaciones de marchas, permite mejorar
las prestaciones del vehículo, debido a que la resistencia en el avance mínimo, a
bajas velocidades, es importante a altas, de ahí que sea interesante desplazar las 2a
y 3a velocidades hacia la 4a, para, entre otras cosas, mejorar los adelantamientos.
Fig. 2.9 Aprovechamiento del motor en un cambio de marchas escalonado
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Generalmente la 5a marcha o superdirecta, está sobremultiplicada respecto al eje
primario (n1/n2 = 0,8) con lo que el vehículo puede circular largo tiempo a una cierta
velocidad, sobre todo en autopistas, manteniendo el motor a regímenes de giro
elevados (figura 2.10), con lo que también se puede obtener un ahorro y consumo de
combustible. En éste último caso, la diferencia de velocidad entre la 4a y la 5a marchas
será pequeña, e incluso en algunos casos negativa, debido a que el equilibrio entre la
potencia resistente (opuesta al movimiento) y la potencia motriz, se consigue a
velocidades que pueden ser inferiores a las de pendientes a potencia máxima. Por otro
lado, la capacidad de aceleración en 5a velocidad no será tan buena como en la 4a.
Fig. 2.10 Aprovechamiento de las relaciones de trasnmision para mejorar las prestaciones del
vehículo
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2.2.4 Relación de transmisión de una caja de velocidades tipo
estándar
La relación de transmisión para cada par de engranajes viene dado por la
expresión:
Que dependerá del número de dientes de cada uno de los piñones. En la siguiente
figura (2.11), se muestra un ejemplo sencillo de este tipo de engranajes.
Fig. 2.11 Esquema de una caja de cambios con engranajes desplazables
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CAPITULO III
ENGRANES Y TREN DE
ENGRANES
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3.1 ENGRANES
Se denomina engranaje a una rueda o cilindro dentado, es un mecanismo
empleado para transmitir un movimiento giratorio o alternativo desde una parte de
un componente a otro, dentro de una máquina.
Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor
se
denomina ‘corona'
y
la
menor
'piñón'.
Un
engranaje
sirve
para
transmitir movimiento circular mediante contacto de ruedas dentadas. Una de las
aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento
desde el eje de una fuente de energía, como puede ser un motor de combustión
interna o un motor eléctrico, hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de
realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada por la fuente
de energía y es conocido como engranaje motor y la otra está conectada al eje
que debe recibir el movimiento del eje motor y que se denomina engranaje
conducido. Un conjunto de dos o más engranajes que transmite el movimiento de
un eje a otro se denomina tren de engranajes.
Los engranajes se utilizan sobre todo para transmitir movimiento giratorio, pero
usando engranajes apropiados y piezas dentadas planas pueden transformar
movimiento alternativo en giratorio y viceversa.
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3.1.1 Nomenclatura

Paso circular.- es la distancia medida sobre la circunferencia de paso entre
determinado punto de un diente y el correspondiente de uno inmediato, es
decir la suma del grueso del diente y el ancho del espacio entre dos
consecutivos.

Circunferencia de paso.- es un círculo teórico en el que generalmente se
basan todos los cálculos; su diámetro es el diámetro de paso.

Circunferencia de holgura.- La holgura es la diferencia entre el adendo de
un engrane y el dedendo del otro conectado

Juego.- es el espacio entre dos dientes consecutivos y el grueso del diente
del otro engrane.

Diente de un engranaje.- son los que realizan el esfuerzo de empuje y
transmiten la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El
perfil del diente, o sea la forma de sus flancos, está constituido por dos
curvas evolventes de círculo, simétricas respecto al eje que pasa por el
centro del mismo.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR

Módulo.- el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que
se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado
en milímetros y el número de dientes. El valor del módulo se fija mediante
cálculo de resistencia de materiales en virtud de la potencia a transmitir y
en función de la relación de transmisión que se establezca. Dos engranajes
que engranen tienen que tener el mismo módulo.

Circunferencia primitiva.- es la circunferencia a lo largo de la cual
engranan los dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se
determinan todas las características que definen los diferentes elementos
de los dientes de los engranajes.

Espesor del diente.- es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea,
del diámetro primitivo.

Número de dientes.- es el número de dientes que tiene el engranaje. Se
simboliza como (Z). Es fundamental para calcular la relación de
transmisión. El número de dientes de un engranaje no debe estar por
debajo de 18 dientes cuando el ángulo de presión es 20º ni por debajo de
12 dientes cuando el ángulo de presión es de 25º.

Diámetro exterior.- es el diámetro de la circunferencia que limita la parte
exterior del engranaje.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR

Diámetro interior.- es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del
diente.

Pie del diente.- también se conoce con el nombre de dedendum. Es la
parte del diente comprendida entre la circunferencia interior y la
circunferencia primitiva.

Cabeza del diente.- también se conoce con el nombre de adendum. Es la
parte del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro
primitivo.

Flanco.- es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento.

Altura del diente.- es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la
altura del pie (dedendum).

Angulo de presión.- el que forma la línea de acción con la tangente a la
circunferencia de paso (20º ó 25º son los ángulos normalizados).

Largo del diente.- es la longitud que tiene el diente del engranaje
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR

Distancia entre centro de dos engranajes.- es la distancia que hay entre
los centros de las circunferencias de los engranajes.

Relación de transmisión.- es la relación de giro que existe entre el piñón
conductor y la rueda conducida. La Rt puede ser reductora de velocidad o
multiplicadora de velocidad. La relación de transmisión recomendada tanto
en caso de reducción como de multiplicación depende de la velocidad que
tenga la transmisión con los datos orientativos que se indican:
Velocidad lenta:
Velocidad normal:
Velocidad elevada:
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 3.1 Nomenclatura de un engrane
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3.1.2 Clasificación
Una clasificación de los engranajes se efectúa según la disposición de sus ejes de
rotación y según los tipos de dentado. Según estos criterios existen los siguientes
tipos de engranajes.
Fig. 3.2 Engranes
Engranajes especiales

Cilíndricos de dientes rectos

Cilíndricos de dientes helicoidales

Doble helicoidales
Ejes perpendiculares

Helicoidales cruzados

Cónicos de dientes rectos

Cónicos de dientes helicoidales

Cónicos hipoides

De rueda y tornillo sin fin
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Por aplicaciones especiales se pueden citar

Planetarios

Interiores

De cremallera
Por la forma de transmitir el movimiento se pueden citar

Transmisión simple

Transmisión con engranaje loco

Transmisión compuesta. Tren de engranajes
Transmisión mediante cadena o polea dentada

Mecanismo piñón cadena

Polea dentada
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3.1.2.1 Engranes Rectos
Fig. 3.3 Engranes rectos
Son engranajes cilíndricos de dientes rectos y van colíndales con el propio eje de
la rueda dentada. Se utilizan en transmisiones de ejes paralelos formando así lo
que se conoce con el nombre de trenes de engranajes. Este hecho hace que sean
unos de los más utilizados, pues no en vano se pueden encontrar en cualquier tipo
de máquina: relojes, juguetes, máquinas herramientas, etc.
En un engranaje sencillo, el eje impulsado gira en sentido opuesto al eje impulsor.
Si se desea que ambos ejes giren en el mismo sentido se introduce una rueda
dentada denominada 'rueda loca' entre el engranaje impulsor o motor y el
impulsado. En cualquier sistema de engranajes, la velocidad del eje impulsado
depende del número de dientes de cada engranaje
o Rectos exteriores o simplemente rectos.-Es el tipo de engranaje más
simple y corriente, generalmente, para velocidades medias.
Fig. 3.4 Engranes rectos
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Interiores.- Pueden ser con dentado recto, helicoidal o doble-helicoidal.
Engranajes de gran aplicación en los llamados “trenes epicicloidales o
planetarios”.
Fig. 3.5 Engranaje recto-planetario
o Cremallera.- Rueda cilíndrica de diámetro infinito con dentado recto o
helicoidal. Generalmente de sección rectangular.
Fig. 3. 6 Cremallera-Piñón
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.1.2.2 Engranes Helicoidales
Fig. 3.7 Engranaje helicoidal
Los engranajes cilíndricos de dentado helicoidal están caracterizados por su
dentado oblicuo con relación al eje de rotación. Los dientes de estos engranajes
no son paralelos al eje de la rueda dentada, sino que se enroscan en torno al eje
en forma de hélice
En estos engranajes el movimiento se transmite de modo igual que en los
cilíndricos de dentado recto, pero con mayores ventajas.
Estos engranajes son apropiados para grandes cargas porque los dientes
engranan formando un ángulo agudo, en lugar de 90º como en un engranaje recto
Los engranajes helicoidales tienen la ventaja que transmiten más potencia que los
rectos, y también pueden transmitir más velocidad, son más silenciosos y más
duraderos; además, pueden transmitir el movimiento de ejes que se corten. De
sus inconvenientes se puede decir que se desgastan más que los rectos, son más
caros de fabricar y necesitan generalmente más engrase que los rectos.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Lo más característico de un engranaje cilíndrico helicoidal es la hélice que forma,
siendo considerada la hélice como el avance de una vuelta completa del diámetro
primitivo del engranaje. De esta hélice deriva el ángulo β que forma el dentado con
el eje axial. Este ángulo tiene que ser igual para las dos ruedas que engranan pero
de orientación contraria, o sea: uno a derecha y el otro a izquierda.
Su valor se establece de acuerdo con la velocidad que tenga la transmisión, los
datos orientativos de este ángulo son los siguientes:

Velocidad lenta: β = (5º - 10º)

Velocidad normal: β = (15º - 25º)

Velocidad elevada: β = 30º
Las relaciones de transmisión que se aconsejan son más o menos parecidas a las
de los engranajes rectos.
Fig. 3.8 Juego de engranajes helicoidales
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Engranajes helicoidales dobles
Fig. 3.9 Engranes helicoidales dobles
Este tipo de engranajes fueron inventados por el fabricante de automóviles
francés André Citroën, y el objetivo que consiguen es eliminar el empuje axial que
tienen los engranajes helicoidales simples. Los dientes de los dos engranajes
forman una especie de V.
Los engranajes dobles son una combinación de hélice derecha e izquierda. El
empuje axial que absorben los apoyos o cojinetes de los engranajes helicoidales
es una desventaja de ellos y ésta se elimina por la reacción del empuje igual y
opuesto de una rama simétrica de un engrane helicoidal doble.
Un engrane de doble hélice sufre únicamente la mitad del error de deslizamiento
que el de una sola hélice o del engranaje recto. Toda discusión relacionada a los
engranes helicoidales sencillos (de ejes paralelos) es aplicable a los engranajes
helicoidales dobles, exceptuando que el ángulo de la hélice es generalmente
mayor para los helicoidales dobles, puesto que no hay empuje axial.
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o Engranajes Helicoidales de ejes paralelos
Fig. 3.10 Engranes helicoidales de ejes paralelos
Se emplea para transmitir movimiento o fuerzas entre ejes paralelos, pueden ser
considerados como compuesto por un número infinito de engranajes rectos de
pequeño espesor escalonado, el resultado será que cada diente está inclinado a lo
largo de la cara como una hélice cilíndrica
o Engranajes Helicoidales de ejes cruzados
Fig. 3.11 Engranes helicoidales de ejes cruzados
Son la forma más simple de los engranajes cuyas flechas no se interceptan
teniendo una acción conjugada (puede considerárseles como engranajes sinfín no
envolventes), la acción consiste primordialmente en una acción de tornillo o de
cuña, resultando un alto grado de deslizamiento en los flancos del diente.
El contacto en un punto entre diente acoplado limita la capacidad de transmisión
de carga para este tipo de engranes.
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3.1.2.3 Engranes Cónicos
Fig. 3.12 Engranes cónicos
Los engranajes cónicos, así llamados por su forma, tienen dientes rectos y se
emplean para transmitir movimiento giratorio entre ejes no paralelos
Se utilizan para transmitir movimiento entre ejes perpendiculares, aunque también
se
fabrican
formando
ángulos
diferentes
a
90
grados.
Se trata de ruedas dentadas en forma de troncos de cono, con dientes tallados en
una de sus superficies laterales. Dichos dientes pueden ser rectos o curvos
(hipoides), siendo estos últimos muy utilizados en sistemas de transmisión para
automóviles.
Se fabrican a partir de un trozo de cono, formando los dientes por fresado de su
superficie exterior. Los dientes pueden ser rectos, helicoidales o curvos. Esta
familia de engranajes soluciona la transmisión entre ejes que se cortan y que se
cruzan. Los engranajes cónicos tienen sus dientes cortados sobre la superficie de
un tronco de cono.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Cónico-rectos.- Efectúan la transmisión de movimiento de ejes que se
cortan en un mismo plano, generalmente en ángulo recto, por medio de
superficies cónicas dentadas. Los dientes convergen en el punto de
intersección de los ejes.
Fig. 3.13 Engranes cónicos-rectos
o
Cónico-helicoidales.- Engranajes cónicos con dientes no rectos. Se
utilizan para reducir la velocidad en un eje de 90°. La diferencia con el
cónico recto es que posee una mayor superficie de contacto. Es de un
funcionamiento relativamente silencioso. Además pueden transmitir el
movimiento de ejes que se corten.
Fig. 3.14 Engranes cónicos-helicoidales
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Cónico-espirales.- En los cónico-espirales, la curva del diente en la ruedaplana, depende del procedimiento o máquina de dentar, aplicándole en los
casos de velocidades elevadas para evitar el ruido que producirían los
cónico-rectos.
Fig. 3.15 Engrane cónico-espiral
o Cónico-hipoides.- Un engranaje hipoide es un grupo de engranajes
cónicos helicoidales formados por un piñón reductor de pocos dientes y una
rueda de muchos dientes, que se instala principalmente en los vehículos
industriales que tienen la tracción en los ejes traseros. Tiene la ventaja de
ser muy adecuado para las carrocerías de tipo bajo, ganando así mucha
estabilidad el vehículo. Por otra parte la disposición helicoidal del dentado
permite un mayor contacto de los dientes del piñón con los de la corona,
obteniéndose mayor robustez en la transmisión.
Fig. 3.16 Engrane hipoide
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.1.2.4 Tornillo sin fin y corona
Fig. 3.17 Tornillo sin fin
Es un mecanismo diseñado para transmitir grandes esfuerzos, y como reductores
de velocidad aumentando la potencia de transmisión. Generalmente trabajan en
ejes que se cruzan a 90º.
Tiene la desventaja de no ser reversible el sentido de giro, sobre todo en grandes
relaciones de transmisión y de consumir en rozamiento una parte importante de la
potencia. En las construcciones de mayor calidad la corona está fabricada de
bronce y el tornillo sin fin, de acero templado con el fin de reducir el rozamiento. Si
este mecanismo transmite grandes esfuerzos es necesario que esté muy bien
lubricado para matizar los desgastes por fricción. El número de entradas de un
tornillo sin fin suele ser de una a ocho.
Fig. 3.18 Tornillo sin fin y corona
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Tornillo sin fin y corona glóbica
Fig. 3.19 Tornillo sin fin y corona glóbica
Con el fin de convertir el punto de contacto en una línea de contacto y así distribuir
mejor la fuerza a transmitir, se suelen fabricar tornillos sin fin que engranan con
una corona glóbica.
Otra forma de distribuir la fuerza a transmitir es utilizar como corona una rueda
helicoidal y hacer el tornillo sin fin glóbico, de esta manera se consigue aumentar
el número de dientes que están en contacto.
Finalmente también se produce otra forma de acoplamiento donde tanto el tornillo
sin fin como la corona tienen forma glóbica consiguiendo mejor contacto entre las
superficies.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.2 TREN DE ENGRANES
Un tren de engranajes es un mecanismo formado por varios pares de engranajes
acoplados de tal forma que el elemento conducido de uno de ellos es el conductor
del siguiente. Suele denominarse como la cadena cinemática formada por varias
ruedas que ruedan sin deslizarse entre sí; o bien como cualquier sistema de ejes y
ruedas dentadas que incluya más de dos ruedas o tandem de ejes y ruedas
dentadas. En la figura 3.20 se muestra un ejemplo genérico de un sistema de
engranaje o tren de engranajes. Generalmente se recurre a ellos porque no es
posible establecer una determinada relación de transmisión entre dos ejes
mediante un solo par de ruedas dentadas; o también porque se desea obtener un
mecanismo con relación de transmisión variable, lo que tampoco es posible con un
solo par de ruedas.
Fig. 3.20 Ejemplo genérico de Tren de engranajes
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.2.1 Clasificación de los trenes de engranajes
Los trenes de engranajes se pueden clasificar de la siguiente manera:
- Trenes ordinarios:
o Trenes ordinarios simples.
o Trenes ordinarios compuestos
- Trenes epicicloidales
o Trenes epicicloidales simples
o Trenes de engranajes diferenciales
- Trenes mixtos: Corresponden a combinaciones de los otros dos tipos
Existen algunas diferencias entre estos tipos de trenes de engranajes. La
diferencia en los trenes epicicloidales reside en que poseen algún eje que tiene
movimiento relativo respecto de los demás; mientras que en los trenes ordinarios
el único movimiento que pueden tener los ejes es el de giro sobre sí mismos.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.2.1.1 Trenes de engranajes ordinarios
o Trenes de engranajes ordinarios simples
El mecanismo consta de tres o más ruedas dentadas que engranan. La relación
de transmisión viene dada por las características de las ruedas motriz y
conducida, y no se ve afectada por la presencia de las ruedas intermedias (ruedas
locas)
En el tren de engranajes, todos los ejes de las ruedas que lo componen (tanto
extremas como intermedias) apoyan sobre un mismo soporte fijo, según se puede
ver en la figura.
Fig. 3.21 Tren de engranajes ordinario simple
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
o Trenes de engranajes ordinarios compuestos
El tren de engranajes compuesto está formado, como mínimo, por una rueda
dentada doble. La rueda dentada doble consta de dos ruedas dentadas de distinto
tamaño que están unidas y, por tanto, giran a la misma velocidad.
La relación de transmisión global del tren se obtiene multiplicando las dos
relaciones de transmisión simples.
Fig. 3.22 Tren de engranajes ordinario compuesto. Forma elemental
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.2.1.2
Trenes de engranajes epicicloidales
En la figura 3.24 se muestra un tren epicicloidal. Los trenes epicicloidales son
aquellos trenes de engranajes en los cuales alguna rueda gira en torno a un eje
que no es fijo, sino que gira en el espacio. Al brazo (3) que gira se le llama
portasatélites. A la rueda (4) que gira alrededor de dicho eje se la denomina
satélite. El sistema, de esta manera, tiene dos grados de libertad que se restringen
a uno haciendo girar al satélite alrededor de una rueda fija o central (2). En el caso
de los trenes epicicloidales, también cabe hablar de trenes recurrentes o no
recurrentes, según que los ejes de entrada y salida sean o no coaxiales.
Fig. 3.23 Tren de engranajes epicicloidales
Fig. 3.24 Tren epicicloidal planetario.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3.2.1.3
Tren reductor compacto
Este mecanismo se usa para proporcionar un reductor que ocupe poco espacio.
Esto se consigue colocando ruedas dentadas dobles que giran libremente
alrededor de sus ejes. Un mismo eje puede usarse para albergar varias de estas
ruedas dentadas dobles, por lo que el espacio desperdiciado es mínimo.
En el mecanismo de la figura 3.25, cada uno de los dos ejes intermedios alberga
tres ruedas dentadas dobles. Se producen un total de 7 engranajes reductores con
idéntica relación de transmisión (ya que todas las ruedas dentadas dobles son
iguales). La velocidad de giro del árbol conducido resulta ser de sólo 3,9 rpm, en
comparación con las 500 rpm a las que gira el motor.
Fig. 3.25 Tren reductor compuesto
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
CAPITULO IV
PARTES COMPONENTES Y
ELEMENTOS AUXILIARES
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.1 PARTES COMPONENTES
4.1.1 Cajas de cambios manuales
Existen dos tipos de cajas de cambios (de tres ejes y de dos ejes). En las figuras
se pueden observar las dos, la primera caja de cambios es una caja manual de
dos ejes con disposición transversal, de un vehículo con tracción delantera por lo
que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de
cambios. La segunda, es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal
de un vehículo de propulsión trasera.
La situación de la caja de cambios en el vehículo dependerá de la colocación del
motor y del tipo de transmisión ya sea ésta delantera o trasera.
Fig. 4.1 Caja de cambios transversal
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.2 Caja de cambios longitudinal
Estas dos disposiciones de la caja de cambios en el vehículo son las más
utilizadas, aunque existe alguna más, como la de motor delantero longitudinal y
tracción a las ruedas delanteras.
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (suele ser llamada
sólo caja) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el
par
motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en
marcha obtener un par suficiente en ellas para poder vencer las resistencias al
avance, fundamentalmente las resistencias aerodinámicas, de rodadura y de
pendiente.
El motor de combustión interna alternativo, al revés de lo que ocurre con la
máquina de vapor o el motor eléctrico, necesita un régimen de giro suficiente
(entre un 30% y un 40% de las rpm máximas) para proporcionar la capacidad de
iniciar el movimiento del vehículo y mantenerlo luego. Aún así, hay que reducir las
revoluciones del motor en una medida suficiente para tener el par suficiente; es
decir si el par requerido en las ruedas es 10 veces el que proporciona el motor,
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
hay que reducir 10 veces el régimen. Esto se logra mediante las diferentes
relaciones de desmultiplicación obtenidas en el cambio, más la del grupo de salida
en el diferencial. El sistema de transmisión proporciona las diferentes relaciones
de engranes o engranajes, de tal forma que la misma
velocidad de giro
del cigüeñal puede convertirse en distintas velocidades de giro en las ruedas. El
resultado en la ruedas de tracción es la disminución de velocidad de giro con
respecto al motor, y el aumento en la misma medida del par motor.
El sistema de cambio de marchas manual ha evolucionado notablemente desde
los primeros mecanismos de caja de cambios de marchas manuales sin
dispositivos de sincronización hasta las actuales cajas de cambio sincronizadas de
dos ejes.
Independientemente de la disposición transversal o longitudinal y delantera o
trasera, las actuales cajas de cambios manuales son principalmente de dos tipos:

De tres ejes

De dos ejes
Fig. 4.3 Carter del embrague y caja de velocidades de un automóvil
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Estos ejes constan de:

Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el
motor.
Habitualmente
lleva
un
único
piñón
conductor
en
las
cajas longitudinales para tracción trasera o delantera. En las transversales
lleva varios piñones conductores. Gira en el mismo sentido que el motor.

Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contraeje. Consta de
un piñón corona-conducido que engrana con el árbol primario, y de varios
piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden engranar
con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada. Gira en
el sentido opuesto al motor. En las cajas transversales este eje no existe.

Árbol secundario. Consta de varios engranajes conducidos que están
montados sueltos en el árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el
mismo mediante un sistema de desplazables. Gira en el mismo
sentido que el motor (cambios longitudinales), y en sentido inverso en las
cajas transversales. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y
automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre
el eje.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas
desde la palanca de cambios y determina qué pareja de piñones engranan entre el
secundario y el intermediario, o entre primario y secundario según sea cambio
longitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento
tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas
dentadas no tienen libertad de movimiento axial. En las cajas transversales, la
reducción o desmultiplicación final del eje secundario/corona del diferencial
invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentido que el
motor.

Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se interpone entre los árboles
intermediario y secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal)
para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. En el engranaje de
marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado
helicoidal, más sencillo de fabricar.
En ambos tipos de cajas manuales los piñones utilizados en los ejes son de
dentado helicoidal, el cual presenta la ventaja de que la transmisión de par se
realiza a través de dos dientes simultáneamente en lugar de uno como ocurre con
el dentado recto tradicional, siendo además la longitud de engrane y la capacidad
de carga mayor. Esta mayor suavidad en la transmisión de esfuerzo entre piñones
se traduce en un menor ruido global de la caja de cambios. En la marcha atrás se
pueden utilizar piñones de dentado recto ya que a pesar de soportar mejor la
carga, su utilización es menor y además tienen un coste más reducido.
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Fig. 4.4 Caja de cuatro velocidades
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En la actualidad el engrane de las distintas marchas se realiza mediante
dispositivos de sincronización o "sincronizadores", que igualan la velocidad
periférica de los ejes con la velocidad interna de los piñones, de forma que se
consiga un perfecto engrane de la marcha sin ruido y sin peligro de posibles
roturas de dentado. Es decir, las ruedas o piñones están permanentemente
engranadas entre sí de forma que una gira loca sobre uno de los ejes que es el
que tiene que engranar y la otra es solidaria en su movimiento al otro eje. El
sincronizador tiene, por tanto, la función de un embrague de fricción progresivo
entre el eje y el piñón que gira libremente sobre él. Los sincronizadores suelen ir
dispuestos en cualquiera de los ejes de forma que el volumen total ocupado por la
caja de cambios sea el más reducido posible.
Existen varios tipos de sincronizadores de los cuales destacan: sincronizadores
con cono y esfera de sincronización, sincronizadores con cono y cerrojo de
sincronismo, sincronizadores con anillo elástico, etc.
El accionamiento de los sincronizadores se efectúa mediante un varillaje de
cambio que actúa mediante horquillas sobre los sincronizadores desplazándolos
axialmente a través del eje y embragando en cada momento la marcha
correspondiente. Los dispositivos de accionamiento de las distintas marchas
dependen del tipo de cambio y de la ubicación de la palanca de cambio.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.1.2 Caja de cambios manual de tres ejes dispuesta
longitudinalmente
Este tipo de cajas es el más tradicional de los usados en los vehículos actuales, y
tiene la ventaja principal de que al transmitir el par a través de tres ejes, los
esfuerzos en los piñones son menores, por lo que el diseño de éstos puede
realizarse en materiales de calidad media.
En la figura 4.5 se muestra un corte de una caja de cambios manual de cuatro
velocidades dispuesta longitudinalmente.
El par motor se transmite desde el cigüeñal del motor hasta la caja de cambios a
través del embrague (Q). A la salida del embrague va conectado el eje primario
(A) girando ambos de forma solidaria. De forma coaxial al eje primario, y
apoyándose en éste a través de rodamiento de agujas, gira el eje secundario (M)
transmitiendo el par desmultiplicado hacia el grupo cónico diferencial. La
transmisión y desmultiplicación del par se realiza entre ambos ejes a través del eje
intermediario (D).
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Fig. 4.5 Corte de una caja de cambios longitudinal
El eje primario (A) del que forma parte el piñón de arrastre (B), que engrana en
toma constante con el piñón (C) del árbol intermediario (D), en el que están
labrados, además, los piñones (E, F y G), que por ello son solidarios del árbol
intermediario (D). Con estos piñones engranan los piñones (H, I y J), montados
locos sobre el árbol secundario (M), con interposición de cojinetes de agujas, de
manera que giran libremente sobre el eje arrastrados por los respectivos pares del
tren intermediario.
El eje primario recibe movimiento del motor, con interposición del embrague (Q) y
el secundario da movimiento a la transmisión, diferencial y, por tanto, a las ruedas.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Todos los ejes se apoyan en la carcasa del cambio por medio de cojinetes de
bolas, haciéndolo la punta del eje secundario en el interior del piñón (B) del
primario, con interposición de un cojinete de agujas.
Para transmitir el movimiento que llega desde el primario al árbol secundario, es
necesario hacer solidario de este eje a cualquiera de los piñones montados locos
sobre él. De esta manera, el giro se transmite desde el primario hasta el tren fijo o
intermediario, por medio de los piñones de toma constante (B y C), obteniéndose
el arrastre de los piñones del secundario engranados con ellos, que giran locos
sobre este eje. Si cualquiera de ellos se hace solidario del eje, se obtendrá el giro
de éste.
La toma de velocidad se consigue por medio de sincronizadores (O y N),
compuestos esencialmente por un conjunto montado en un estriado sobre el eje
secundario, pudiéndose desplazar lateralmente un cierto recorrido. En este
desplazamiento sobre el estriado el sincronizador se acopla con los piñones que
giran locos sobre el árbol secundario.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.1.3 Caja de cambios manual de dos ejes dispuesta
transversalmente
También conocidas como cajas simplificadas. Estas cajas de cambios se aplican a
la mayoría de los vehículos modernos, los cuales están montados con tracción
directa a las ruedas, es decir, con el motor y la tracción delantera.
De este modo, la caja de cambios ataca directamente a la caja del diferencial de
las ruedas, con lo que la simplicidad de este mecanismo permite conseguir un
menor volumen y por tanto un gran ahorro de peso.
En la siguiente figura 4.6, se puede ver un ejemplo de una caja de cambios
simplificada. Esta caja está constituida por un tren de engranajes solidario al árbol
primario (2) que se encuentra en toma constante con los piñones del árbol
secundario (5), por lo que no es necesario el uso del árbol intermediario.
El movimiento es transmitido del primario al secundario a través de los
sincronizadores (10) y (11). Sobre el árbol secundario va montado el piñon de
ataque (12) que engrana con la corona del diferencial (13) que proporciona el
movimiento a las ruedas.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.6 Caja de cambios transversal
Otras de las ventajas de este tipo de cajas, además de su simplicidad, es que la
relación de velocidades directa se puede adaptar a las revoluciones que se
desee, al obtenerse por acoplamiento directo entre dos piñones. Suele fabricarse
por tanto, con una 3a marcha muy próxima a la directa y una 4a con un número de
revoluciones superior a las del árbol primario (motor), con lo que se obtiene una
superdirecta.
4.1.4 Despiece de una caja de cambios
En la figura 4.7 se muestra el despiece de una caja de cambios de engranajes
helicoidales, con sincronizadores, similar a la descrita anteriormente. El eje
primario 5 forma en uno de sus extremos el piñón de toma constante (de dientes
helicoidales). Sobre el eje se monta el cojinete de bolas 4, en el que apoya sobre
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
la carcasa de la caja de cambios, mientras que la punta del eje se aloja en el
casquillo de bronce 1, emplazado en el volante motor.
En el interior del piñón del primario se apoya, a su vez, el eje secundario 19, con
interposición del cojinete de agujas 6. Por su otro extremo acopla en la carcasa de
la caja de cambios por medio del cojinete de bolas 28. Sobre este eje se montan
estriados los cubos sincronizadores, y "locos" los piñones.
Así, el cubo sincronizador 10, perteneciente a tercera y cuarta velocidades, va
estriado sobre el eje secundario, sobre el que permanece en posición por los
anclajes que suponen las arandelas de fijación 9, 13 y 14. En su alojamiento
interno se disponen los anillos sincronizadores 7 (uno a cada lado), cuyo dentado
engrana en el interior de la corona desplazable del cubo sincronizador 10. Estos
anillos acoplan interiormente, a su vez, en las superficies cónicas de los piñones
del primario por un lado y del secundario 11 por otro.
Cuando la corona del cubo sincronizador 10 se desplaza lateralmente a uno u otro
lado, se produce el engrane de su estriado interior, con el dentado de los anillos
sincronizadores 7 y, posteriormente, con el piñón correspondiente en su dentado
recto (si se desplaza a la izquierda, con el piñón del primario y a la derecha con el
11 del secundario). En esta acción, y antes de lograrse el engrane total, se
produce un frotamiento del anillo sincronizador con el cono del piñón, que iguala
las velocidades de ambos ejes, lo que resulta necesario para conseguir el
engrane. Una vez logrado éste, el movimiento es transmitido desde el piñón al
cubo sincronizador y de éste al eje secundario.
En el secundario se montan locos los piñones 15 (de segunda velocidad) y 26 (de
primera velocidad), con los correspondientes anillos sincronizadores 17 y cubo
sincronizador. Cada uno de los piñones del secundario engrana en toma constante
con su correspondiente par del tren intermediario 20, quedando acoplados como
se ve en la figura.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En el tren intermediario se dispone un piñón de dentado recto, que juntamente con
el de reenvío 23 y el formado en el cubo sincronizador de primera y segunda
velocidades, constituyen el dispositivo de marcha atrás.
Fig. 4.7 Despiece de una caja de cambios
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.2 ELEMENTOS AUXILIARES
4.2.1 El embrague
El embrague es un sistema que permite tanto transmitir como interrumpir la
transmisión de una energía mecánica a su acción final de manera voluntaria. En
un automóvil, por ejemplo, permite al conductor controlar la transmisión del par
motor desde el motor hacia las ruedas.
En los embragues de disco para automóvil el plato conductor suele ser el mismo
volante del motor, y el plato conducido es de plancha de acero recubierto de un
material no metálico para aumentar el roce de las superficies y corrientemente
recibe el nombre de disco del embrague. Para lograr que el disco del embrague se
una fuertemente al volante por rozamiento de las caras de contacto se emplea la
disposición que se muestra en la figura 4.8; rígidamente unida al volante (4) y
girando con él hay una tapa (5), (a veces es solamente un plato), esta tapa
sostiene un anillo presor (6) que gira con ella y con el volante; una serie de
muelles helicoidales (7) obligan al anillo presor a separarse de la tapa, quedando
así el disco del embrague (8) aprisionado entre el volante y el anillo presor
(también llamado plato presor) y es arrastrado por éstos gracias al rozamiento de
los forros (9); a su vez el disco a través del cubo (10) obliga a girar al eje (2) que
mueve los engranajes del cambio de velocidades.
El esquema de la figura 4.8, muestra las piezas en la posición normal de trabajo
del embrague, esto es, en posición de transmitir el movimiento; en tal
circunstancia se dice que el automóvil está embragado. Para lograr que el
movimiento no se transmita es necesario separar del disco del embrague el anillo
de presión, comprimiendo los muelles; a esta operación se la llama desembragar,
y del embrague que está en posición de no transmitir el movimiento se dice que
está desembragado.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Así normalmente en el automóvil el embrague está embragado y para
desembragar se utiliza un mandó de pedal dispuesto en la forma que vamos a ver
seguidamente.
Fig. 4.8 Disposición del embrague: 1. Eje cigüeñal 3. Cojinete de fricción
En la tapa del embrague, figura 4.9, hay dispuestas radialmente unas palancas (1)
generalmente en número de tres ó seis, que tienen su punto de apoyo en la tapa
(2); el extremo del brazo más corto de las palancas está unido en forma articulada
a unos salientes del plato de presión (3) y el extremo del brazo más largo a un
anillo central (4); situado paralelamente a este anillo hay un cojinete de empuje (5)
montado en un soporte en forma de anillo llamado cubo de desembrague, que
puede deslizarse a lo largo del eje del embrague. Cuando el cojinete de empuje
se encuentra separado del anillo (4), como en la figura 4.9 el embrague está
embragado.
Fig. 4.9 Mecanismo para desembragar: posición embragado
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Para desembragar, el cojinete es empujado contra el anillo de las palancas, como
se muestra en la figura 4.10; las palancas obligan entonces al anillo de presión del
embrague a separarse del plato de embrague. El movimiento del cubo de
desembrague es mandado por medio de un juego de palancas desde el pedal del
embrague, que como vemos, sirve en realidad para desembragar y no para
embragar; en la figura 4.11, se muestra el cubo de desembrague montado y la
palanca u horquilla de desembrague (4), y en la figura 4.12, las piezas de este
conjunto separadas.
Fig. 4.10 Mecanismo para desembragar: posición desembragado
Fig. 4.11 Forma práctica del mecanismo de mando del desembrague: 1. Cojinete de desembrague. 2.
Soporte del cojinete. 3. Muelle de retención de la horquilla. 4. Horquilla de desembrague. 5.
Muelle de retención y retorno del soporte del cojinete
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Figura 4.12. Despiece del mecanismo de la figura 4.10: 1. Cojinete de desembrague. 2. Soporte. 3.
Muelle de retención y retorno. 4. Horquilla.
En la figura 4.13, se muestra despiezado otro sistema de cubo y horquilla de
desembrague, la palanca del extremo del eje de la horquilla (7) es la que recibe el
movimiento del pedal, al cual está enlazada como se muestra en la figura 4.14.
Fig. 4.13 Despiece del mando de desembrague: 1. Cojinete de desembrague. 2. Soporte del cojinete. 3.
Horquilla de desembrague. 4. Eje de la horquilla. 5. Muelle de retención y retorno de la horquilla. 6.
Clavija de fijación de la horquilla a su eje. 7. Palanca de accionamiento de la horquilla.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.14 Sistema de mando del embrague: 1. Eje de la horquilla. 2. Palanca de accionamiento de
la horquilla. 3. Cable de mando. 4. Funda del cable. 5. Tensor de unión al pedal. 6. Eje del pedal.
7. Pedal de mando del embrague 8. Contratuercas para el reglaje del juego libre.
4.2.1.1 Disco de embrague
El disco o plato conducido de los embragues de fricción presenta formas
parecidas a la de la figura 4.15.
Fig. 4.15 Plato del embrague 1. Disco de acero 2. Muelles Amortiguadores 3. Remaches 4. Forros
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
El disco de acero del plato no está rígidamente unido al cubo, sino que comunica
la fuerza a éste por medio de unos muelles helicoidales, cuya colocación puede
verse en la figura 4.16.
Fig. 4.16. Plato de embrague: 1. Disco de acero 2. Muelle 3. Disco de cubo 4. Disco de retén de los
muelles 5. Remaches de unión de los discos
El disco de plancha de acero del embrague está recubierto por ambas caras con
una plancha de un material que ofrece gran resistencia al deslizamiento. Estos
materiales están hechos generalmente a base de amianto o lona, aglomerados
con una resina y a veces armados con una tela metálica de latón para darles
mayor resistencia. Para dar elasticidad al disco de embrague a fin de que sea
progresiva la operación de embragado se disponen sobre el disco de acero y
debajo de las guarniciones unas laminillas dobladas que hacen muelle como las
que se muestran en la figura 4.17, o bien el mismo disco de acero se corta
radialmente y se dobla adecuadamente para que sirva de muelle como se muestra
en la figura 4.18.
Fig. 4.17. Disposición del disco del embrague: 1. Forros 2. Muelles laminares 3. Disco soporte
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Las guarniciones se fijan en el disco por medio de remaches de cobre o latón,
estos remaches están fijados de tal forma que no sobresalgan de la superficie de
rozamiento, como se muestra en las figuras 4.17 y 4.18. Los embragues que
utilizan el tipo de disco descrito se denominan embragues en seco, debido a que
no se lubrifican las caras de fricción.
Fig. 4.18. Otra disposición del disco del embrague: 1. Forros 2. Disco soporte cortado radialmente
y doblado para servir de muelle
En algunos embragues el disco conducido tiene la forma representada en la
figura 4.19. Este disco lleva una gran cantidad de pequeños barrenos, en los
cuales se fijan unos pequeños discos de corcho de mayor grueso que la plancha
del plato, de forma que sobresalen por ambos lados, formando así la superficie
de roce. En este tipo de embragues el disco funciona continuamente sumergido
en aceite para aumentar la suavidad de la operación de embragado y evitar la
destrucción, de los discos de corcho; a tal tipo de embragues se les denomina
embragues húmedos o embragues en baño de aceite.
Fig. 4.19. Embrague del tipo húmedo: en 1 se indican los pequeños discos de corcho que forman la
superficie de fricción
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.2.1.2 Conjunto de plato presor y tapa de embrague
La disposición de este conjunto varía mucho en sus detalles de un tipo a otro,
siendo su funcionamiento en líneas generales igual para todos ellos y semejante al
que se ha descrito. En algunos casos las palancas van colocadas en el interior de
la tapa del embrague (Fig. 4.20) y en otros en el exterior de dicha tapa (Fig. 4.21).
El punto de apoyo de estas palancas puede estar constituido por un perno como
los de la figura 4.20, o por un simple saliente de la tapa como en las de la figura
4.21.
Fig. 4.20 Despiece de un embrague: 1. Tapa del embrague. 2. Plato presor. 3. Muelles. 4. Pernos de
apoyo de las palancas. 5. Palancas o dedos de desembrague. 6. Enlace de las palancas con el plato
de presión. 7. Cubo del disco de embrague. 8. Disco. 9. Volante. 10. Corona de arranque.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.21 Despiece de un conjunto de embrague: 1. Plato de presión. 2. Muelles. 3. Tornillo de
unión del plato de presión a palancas. 4. Palanca de desembrague. 5. Tapa de embrague. 6.
Muelle de fijación del anillo de empuje. 7. Anillo de empuje. 8. Conjunto de disco de embrague.
La articulación o unión de las palancas con el plato presor varía también, en unos
casos está formada por un cojinete y un eje como en la figura 4.22, en otros por
medio de una cuchilla, un detalle de la cual se muestra en la figura 4.23. Cuando
las palancas son exteriores, la transmisión del esfuerzo se realiza por medio de
unos pernos como pudo observarse en la figura 4.21.
Fig. 4.22 Detalle de la unión del plato presor a las palancas de desembrague: 1. Apoyo de la
palanca. 2. Palanca. 3. Cojinete de unión
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.23 Otro sistema de articulación: 1. Perno de apoyo 2. Cuchilla de la articulación 3. Palanca
Los muelles espirales que proporcionan la fuerza al plato presor deben estar
repartidos uniformemente a todo alrededor de éste y proporcionar a todos ellos
una presión uniforme. La fuerza total que deben efectuar estos resortes es
considerable, del orden de unos 250 kg, para que el embrague no tenga
deslizamiento; esto hace que la fuerza que debe aplicarse en el pedal de
desembrague sea bastante grande. Para disminuir ésta se ha recurrido a distintos
dispositivos, uno de ellos es disponer de un contrapeso en las palancas de
desembrague, como se muestra en la figura 4.22. Este contrapeso hace que
cuando el embrague gira rápidamente, la palanca ayude al muelle en su labor de
ejercer fuerza contra el plato de presión, con lo cual la fuerza de los muelles puede
ser menor, sin perder por eso presión en el plato; este sistema se conoce con el
nombre de embrague semicentrífugo.
Otro sistema también empleado para hacer más fácil la maniobra, utilizado en
algunos automóviles, es el accionamiento hidráulico mediante un servomando. En
los denominados embragues de diafragma en lugar de utilizar muelles helicoidales
para presionar el plato de presión se emplea un muelle de laminar circular,
ranurado radialmente, que al desembragar arrastra el plato de presión
separándolo del disco de embrague.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En la figura 4.24 se muestra el despiece de un embrague de este tipo, y en la
figura 4.25 puede verse el principio de su funcionamiento.
Fig. 4.24 Despiece de un embrague de diafragma: 1. Volante motor 2. Disco de embrague 3. Plato
presor 4. Conjunto tapa y muelles 5. Muelle de enlace del plato presor 6. Muelle de disco o
diafragma
Fig. 4.25 Esquema de funcionamiento de un embrague de diafragma (A) embragado, (B)
desembragado: 1. Diafragma 2. Tapa de desembrague 3. Plato de presión 4 y 5. Anillos fulcro 6.
Fulcro del plato de presión 7. Cojinete de desembrague
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4.2.1.3 Cojinete de desembrague
Corrientemente está formado por un cojinete de tope de bolas montado sobre el
cubo de desembrague, como puede apreciarse en la figura 4.10. Esto hace que el
aro que está en contacto con las partes móviles del embrague pueda girar junto
con éstas cuando se desembraga, mientras el cubo de desembrague permanece
fijo. En las figuras 4.26 y 4.27 se pueden ver dos tipos diferentes de cojinetes de
desembrague.
Fig. 4.26 Cojinete de desembrague SACHS.
Fig. 4.27 Otro tipo de cojinete de desembrague SACHS, cortado para mostrar su disposición interna.
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4.2.2 El mando de cambio
4.2.2.1 Disposición y funcionamiento del mando de cambios
Los mecanismos o dispositivos que sirven para hacer deslizarse las ruedas
baladoras sobre el eje secundario, constituyen en su conjunto el mando del
cambio de velocidades.
Fig. 4.28 Mecanismo de mando de cambio
En la figura 4.29 se muestra de forma esquemática el tipo más simple de este
mando; sobre la garganta 1 de la rueda baladora se halla dispuesta una horquilla
2 que puede deslizarse a lo largo de un eje fijo 3, paralelo al eje secundario. Este
movimiento se logra gracias a la acción del extremo de una palanca 4, articulada
en la rótula 5, que se engancha en el hueco formado por dos salientes o tetones
del cubo de la horquilla, en muchos casos los que se mueven deslizándose en sus
alojamientos son los ejes, manteniéndose las horquillas fijas en ellos y
siguiéndolos, por lo tanto, en su movimiento.
En un cambio de velocidad con este dispositivo de mando debe haber tantas
horquillas y ejes como ruedas baladoras.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.29 Disposición del mando de los baladores
Para que las ruedas baladoras se mantengan en una posición determinada,
cuando han sido llevadas a ella, se debe disponer de un mecanismo de retención
de la horquilla o del eje de la horquilla, según sea aquélla o éste el que se mueva,
estos
dispositivos
están
formados
generalmente
como
se
muestra
esquemáticamente en la figura 4.30, una bola o dedo empujado por un muelle se
aloja en un rebaje o ranura practicado en el eje de la horquilla, inmovilizando la
posición del mismo hasta que por un esfuerzo mayor se obliga a salir a la bola de
su alojamiento.
Fig. 4.30 Dispositivo de fijación de las marchas. Arriba: Marcha puesta. Abajo: cambiando. 1. Raíl.
2. Bola. 3. Muelle.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Las posibles posiciones de la palanca de mando del cambio de velocidades
quedan limitadas colocando una placa ranurada denominada parrilla o placa guía
que obliga a la palanca a hacer unos determinados recorridos que es imposible
engranar una de las ruedas baladoras sin antes haber desengranado la otra. En la
figura 4.31 se muestra la disposición de esta placa en relación con el dedo de
mando y las horquillas. Muchos automóviles modernos, por la situación del cambio
con respecto al puesto del conductor o para mayor comodidad de éste, llevan la
palanca de mando del cambio a distancia de éste, siendo entonces necesario un
sistema de transmisión de los movimientos de la palanca al dedo de mando de las
horquillas. Este sistema presenta diversas disposiciones, según el modelo de
automóvil; dos de ellas se muestran en las figuras 4.32 y 4.33.
Fig. 4.31 Disposición de las horquillas de mando de un cambio de velocidades de cuatro marchas y
marcha atrás: 1. Parrilla de bloqueo. 2. Dedo de mando de las horquillas. 3. Horquilla de marcha
atrás. 4. Horquilla de 1° y 2° marcha. 5. Horquilla de 3° y 4° (directa) marchas. En el gráfico de la
parte superior derecha se muestra el esquema de movimientos de la palanca de mando: R. marcha
atrás
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig.
4.32
Disposición
del
mando
de
un
cambio
con
la
palanca
montada
sobre
el volante de dirección.
Fig. 4.33 Disposición de los mandos de un automóvil
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4.2.3 Sincronizadores
En los cambios de velocidades con los engranajes dispuestos como hemos visto
hasta ahora, los baladores, ya sean ruedas o manguitos, presentan una cierta
dificultad a engranarse (corrientemente se dice que las marchas presentan
dificultad a entrar), esta dificultad es, principalmente debida a la diferencia de
velocidades que existe entre los dentados que han de engranarse. Para facilitar la
entrada o engrane de las marchas se recurre a redondear los laterales de los
dientes, como se muestra en la figura 4.34, pero esto no es una solución
definitiva. Para resolver el problema, se han ideado los mecanismos denominados
sincronizadores.
Fig. 4.34 Redondeado de las entradas de los dientes (1).
El sincronizador es en esencia un dispositivo que hace que dos ruedas que hayan
de engranar igualen sus velocidades de giro antes de que el engrane se
produzca, y se emplea para el engrane de velocidades en toma constante.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En la figura 4.35 se muestra un sincronizador, como se puede ver en ella, está
formado por dos piezas: la interior (1), que contiene el cubo estriado que se monta
sobre el eje secundario; tiene la llanta formando un cono interior o cono hembra, y
está dentada exteriormente; la pieza exterior (2) está formada por un anillo
dentado interiormente, cuyo dentado se acopla al dentado exterior de la pieza 1 o
núcleo. Cuando está en punto muerto el sincronizador, el anillo se mantiene en
posición sobre el núcleo gracias a una serie de bolas que se introducen en unos
rebajes practicados en el mismo, obligadas a ello por la fuerza de unos muelles
dispuestos en el cubo.
Fig. 4.35 Balador con sincronización: 1. Rueda interior del balador. 2. Anillo de acoplamiento
dentado interiormente. 3. Cono de sincronización en la rueda. 4 y 7. Dentados de acoplamiento en
las ruedas. 5. Dentado de la rueda en toma constante. 6. Bola de retención del anillo de
acoplamiento.
En el momento de engranar o meter la marcha, la horquilla empuja al balador
hacia la rueda loca, el cono macho de ésta entra en contacto con el cono hembra
del balador (fig. 4.36), y es arrastrado por fricción hasta igualar sus velocidades
rápidamente, en cuyo momento la horquilla, que sigue empujando el anillo, vence
la resistencia de las bolas de enclavamiento y el anillo dentado se desliza hasta
engranar con los dientes de la rueda loca, tal como se muestra en la figura 4.37.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.36 Balador sincronizador en el momento de iniciar el engrane
Fig. 4.37 Sincronizador totalmente engranado.
Este tipo de sincronizador aún producía ruidos al cambiar las marchas en
determinadas circunstancias, por ejemplo, cuando la palanca se movía
bruscamente; por lo cual se emplean otros tipos de sincronizadores parecidos a
éste, pero en los cuales se han eliminado estos inconvenientes. Uno de éstos es
el que se muestra en la figura 4.38, cuyo despiece podemos ver en la figura 4.39 y
su funcionamiento en la figura 4.40.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 4.38 Conjunto del balador sincronizador moderno. La rueda 6 es de toma constante.
Fig. 4.39 Despiece del balador de la figura 3.38
En este tipo de sincronizador el cubo dentado 1 no se desplaza sobre el eje
secundario y los conos hembras 5 son dos anillos independientes de bronce
forjado y con un dentado en el borde igual al dentado de acoplamiento de la rueda
loca, los conos son obligados a girar junto con el cubo por medio de tres chavetas
(3) alojadas en tres entallas practicadas equidistantemente en el cubo, estas
chavetas son obligadas a mantenerse en contacto con el aro balador 4 por dos
anillos de muelle 2 y unos salientes de las chavetas se acoplan en unos huecos
practicados en su parte interior del anillo balador.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Al iniciarse el movimiento del anillo balador, éste arrastra las chavetas, las cuales
empujan el cono hembra hasta que éste entra en contacto con el cono macho de
la rueda loca.
Fig. 4.40 Funcionamiento del sincronizador: Arriba, en punto muerto. En el centro, fase de
sincronizado. Abajo, engranado con la rueda de toma constante 6
La superficie interior del cono hembra está finamente estriada a fin de que su
deslizamiento rompa la película de aceite y se una fuertemente al cono macho. El
encaje para la chaveta en el cono es algo más ancho que ella, lo cual permite al
dentado del cono desplazarse con respecto al dentado del balador, cosa que
sucede mientras exista una fuerza procedente de la rueda libre que tiende a
arrastrar más rápida o más lenta el anillo cónico con respecto al cubo del sincronizador; en esta forma los dientes del cono impiden el avance de los dientes
del balador. En cuanto a las velocidades del eje secundario de la rueda loca se
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
han igualado, cesa esta fuerza y los dientes del balador pueden pasar por los
huecos del dentado del anillo y continuar su avance hasta engranar con los
dientes de la rueda loca.
En un cambio de velocidades, se dice que una velocidad o marcha está
sincronizada cuando su engrane se hace por medio de un sincronizador.
En la siguiente figura 4.41 se muestra un esquema de cómo se transmite el movimiento
cuando actúa el sincronizador. En trazo de línea continua se muestra cómo cuando se
selecciona una velocidad determinada, el sincronizador se desplaza axialmente hasta
que se produce el acoplamiento con el piñón correspondiente (que gira loco sobre su
eje y recibe el movimiento del árbol intermediario). Cuando entran en acoplamiento
los conos de fricción (3) y (4) de ambas piezas, se igualan las velocidades de
rotación entre piñón y árbol, pasando a acoplarse el dentado del sincronizador (5)
con el del piñón de arrastre (2). De éste modo, la transmisión de movimiento se
realiza desde el piñón intermediario (9) al piñón secundario (1), y desde éste al
sincronizador, que a su vez da movimiento al árbol secundario (10) a través del
estriado (11).
Fig. 4.41 Transmisión del movimiento entre árboles por medio del sincronizador
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
CAPITULO V
FUNCIONAMIENTO DE UNA
CAJA DE VELOCIDADES TIPO
ESTANDAR
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
5.1 FUNCIONAMIENTO
5.1.1 Principios del funcionamiento
Muchas personas manejamos o conducimos un vehículo, movemos la palanca de
cambios y sentimos que podemos controlar el vehículo hacia atrás o hacia
adelante, pero que pasaría si no tuviéramos una caja de velocidades.
Recordemos que un motor, cuando asimila la aceleración adquiere más
revoluciones y esto le da más fuerza. Utilizamos el término asimilar para describir
lo siguiente:

Si aceleramos, y el vehículo no puede moverse debido a que tiene trabado
el freno de mano o algo en su camino le impide moverse; el motor no podrá
asimilar y quemar la mezcla de combustible, y en consecuencia se ahogara
y se apagará.
Con este ejemplo se pretende describir el hecho de que, un motor debe mantener
sus revoluciones por encima de las necesidades del vehículo.
Lo mencionado en el párrafo anterior, pretende dar la idea, de: que si el motor
trasladara sus revoluciones directamente a las ruedas que ejercen la tracción, el
acople sería tan brusco que el motor se ahogaría y se apagaría.
Es este el motivo, o la razón por la que se hace necesaria la instalación de una
caja de velocidades, la cual sirve para administrar las revoluciones del motor.
La rueda volante, pertenece al motor; en ella se acopla el disco de embrague, y
prensa. El disco de embrague (clutch), y prensa, sirven para dar suavidad, o
amortiguar el acople del motor con la caja de velocidades.
Aclarado lo anterior, podemos incursionar en el tema que nos ocupa.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La diferencia, entre una caja de velocidades usada en un vehículo con tracción
trasera, y uno con tracción delantera; consiste, en que la caja de velocidades,
que se usa para tracción delantera, viene acoplada con el diferencial.
Se llama diferencial, a la parte que se conecta con los ejes que transmiten las
revoluciones de la caja, hacia las ruedas que mueven el vehículo.
Una caja de velocidades, tiene la función de recibir las revoluciones del motor, y
transmitirlas hacia las ruedas impulsoras.
Fig. 5.1 Función de una palanca
El efecto de una palanca, permite que una fuerza pequeña, cuando se mueve
sobre una distancia grande, levante un mayor peso, en una distancia menor.
Los engranes realizan la función de una serie de palancas.
Lo que quiere decir que un engrane pequeño, hace girar aunque más lentamente,
a un engrane mas grande, o sea que la torsión se multiplica, pero reduce la
velocidad original
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig 5.2 Acoplamiento de engranes rectos
En la figura 5.2, podemos ver dos engranes de dientes rectos, este tipo de
engranes cortados paralelamente a su eje de rotación, son ruidosos, y se
necesita menos potencia para hacerlos girar en comparación a los engranes
helicoidales
Los engranes helicoidales, tienen dientes curvos cortados en ángulo con respecto
a su eje de rotación, su curva se asemeja a la rosca de un tornillo, la superficie
de contacto, entre los dientes, es mayor que en los engranes de dientes rectos.
Fig. 5.3 Acoplamiento de engranes helicoidales
Con este tipo de engranes, la potencia se transmite más suave y silenciosa.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
5.1.2 Sincronización
Se le llama sincronización al hecho de que un engrane activado, se conecte a
otro que este desactivado, logrando con esto, que las revoluciones del primero se
transfieran al segundo, formándose como si fueran una sola pieza.
Una caja de velocidades manual está compuesta de engranes de diferente
tamaño, todos estos engranes están colocados de tal forma, que cuando se
mueva la palanca de cambios, se esté seleccionando el engrane que se desea
activar, lo que quiere decir que para que un engrane mueva a otro, primero deben
acoplarse, a este acoplamiento se le llama cambio de velocidad.
Para que un engrane se acople en posición de trabajo se sirve de un collar.
Fig. 5.4 Sincronización
Fig. 5.5 Cambio de velocidad (acoplamiento)
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
En estas figuras, podemos ver el momento, en que el collar sincronizador, esta
acoplándose, es necesario que el acople sea en un 100%, de lo contrario el collar
puede desacoplarse, y en consecuencia el cambio sería expulsado, y la
transmisión quedarse en neutro.
La parte de color, es una sola pieza; de lo que se trata, es de que el collar cubra
totalmente el anillo sincronizador y los dientes rectos de esta parte, hasta topar
con el engrane de dientes helicoidales.
Fig. 5.6 Esquema del mando de cambios

Aclaremos: Una transmisión de cuatro velocidades, lleva 2 collares
sincronizadores.
Los dos collares y su conjunto interno, están instalados en la flecha de salida, y
se pueden deslizar para ambos lados
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 5.7 La caja de velocidades manual
Aquí tenemos una transmisión manual típica. Los engranes de 1ra, 2da, y 3ra,
giran inducidos por los engranes del tren fijo; pero este giro no es transmitido a la
flecha de salida, hasta que uno de los collares sincronizadores acople uno de
estos engranes.
Las revoluciones del motor se acoplan a la rueda del volante, en adelante lo que
se trata, es administrar estas revoluciones. Es importante prestar atención a cada
uno de los pasos; el funcionamiento de una transmisión manual, no es muy
complicado. Es relativamente fácil, solo es cuestión de seguir los principios y el
objetivo.

Principios: recibe la rotación del motor.

Objetivo:
administrar
estas
revoluciones,
trasladándolas
hacia
el
diferencial y de allí a las ruedas o llantas impulsoras, pará darle potencia
y/o velocidad al vehículo.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
5.1.3 El cambio de velocidades
Un cambio de velocidades de engranajes, es en esencia una combinación de
varios trenes de engranajes semejantes a los de la figura 5.8, de distinto valor
de reducción y dispuestos de tal manera que el movimiento pueda ser
transmitido desde el eje 1 al eje 4 a través de uno u otro de ellos, según las
necesidades de la marcha del vehículo y la voluntad del conductor.
Un cambio de este tipo, de los más sencillos empleados en la práctica, es el de
cuatro velocidades hacia adelante y marcha atrás; antes de entrar en el estudio
detallado de este cambio, vamos a recordar la nomenclatura, o sea los nombres
que se dan a las distintas partes del mismo, valiéndonos para ello de la figura 5.8.
El eje que recibe el movimiento del motor (1 en la Fig. 5.8) recibe el nombre de
eje conductor o eje primario.
El eje por el que sale el movimiento del cambio de velocidades (4 en la Fig. 5.8)
para ser transmitido al diferencial y eje trasero, recibe el nombre de eje
conducido o eje secundario.
El eje en que van montadas las ruedas auxiliares para la reducción de la
velocidad de giro (7 en la Fig. 5.8) recibe el nombre de eje intermediario.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 5.8 Disposición de un tren de engranajes para transmisión en el mismo eje de giro
Al hablar de cambios de velocidades, las distintas combinaciones que se pueden
emplear para conducir el movimiento reciben el nombre de marchas o
velocidades, y para distinguirlas dentro de un mismo cambio se les numera
dándoles los nombres de primera, segunda, tercera, etc., y marcha atrás;
comenzando para numerarlas por la reducción mayor, o sea, aquella que
proporciona una menor velocidad de las ruedas. Aquella velocidad para la cual
la velocidad de giro del eje primario es igual a la velocidad de giro del eje
secundario se le numera también en el orden que le corresponde, pero es más
corriente el denominarla directa.
En un cambio de velocidades pueden considerarse tres partes fundamentales del
mismo:

La caja o cárter del cambio de velocidades que es donde van encerradas
las combinaciones de engranajes.

Los engranajes del cambio que son el conjunto de engranajes y ejes que
constituyen el cambio.

El mando del cambio de velocidades, que es el conjunto de dispositivos que
sirven para seleccionar la combinación deseada.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 5.9 Cambio de velocidades de un automóvil Ford europeo de cuatro marcha sincronizadas y
marcha atrás: 1. Eje primario. 2. Dispositivo de enclavamiento de las marchas. 3. Horquilla de
a
a
a
a
mando de las velocidades 3 y 4 (directa). 4. Rueda de 3 marcha. 5. Rueda de 2 marcha. 6.
a
a
Anillo dentado del sincronizador de 1 y 2 cuya parte exterior dentada constituye la rueda de
a
a
marcha atrás. 7. Leva y dedo del selector de marchas. 8. Horquilla de mando de 1 y 2 marchas.
9. Toma de movimiento del velocímetro. 10. Horquilla de mando de la marcha atrás. 11. Piñón loco
a
balador de marcha atrás. 12. Piñón de marcha atrás. 13. Piñón de 2 marcha. 14. Piñón de 3
a
a
a
marcha. 15. Sincronizador de 3 y 4 marchas. 16. Rueda de toma de movimiento del árbol
intermediario. 17. Piñón del eje primario.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
La caja de cambios o caja de velocidades manual, es aquella en la que el
conductor puede a voluntad, establecer la fuerza de tracción del automóvil,
utilizando diferentes etapas de engranajes colocados dentro de un cuerpo.
Este cuerpo o carcasa está lleno hasta determinado nivel, de aceite lubricante de
más alta viscosidad y resistencia a la presión que el lubricante del motor.
Las cajas de cambios manuales pueden utilizar diferentes esquemas de trabajo
entre los engranajes, y los modos en que se acoplan para transmitir la fuerza del
motor.
En la figura 5.9 se muestra un cambio de velocidades de cuatro marchas (todas
sincronizadas) y marcha atrás. Las horquillas de mando de las cuatro velocidades
adelante son deslizantes sobre la misma barra, esta misma barra es la barra de
accionamiento del cambio y lleva en su extremo delantero las entallas de
enclavamiento y en la parte trasera de la caja el dispositivo de selección de las
marchas. El anillo de engrane del sincronizador de 1a y 2a marcha, está también
dentado exteriormente, constituyendo la rueda de marcha atrás. El engrane de la
marcha atrás se realiza mediante el desplazamiento del piñón loco intermediario,
que es balador (deslizante) y está mandado por una horquilla especial para el
mismo. En la figura 5.10 se puede ver el esquema.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 5.10 Esquema del funcionamiento del cambio de la figura 5.9. A la derecha se muestran las
posiciones de las horquillas y a la izquierda las posiciones de los sincronizadores y marcha del
a
a
a
a
movimiento. De arriba a abajo: 1 , 2 , 3 , 4 (directa) y marcha atrás ( R ) ; en los esquemas de las
marchas adelante no se ha representado el piñón loco balador de marcha atrás.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
5.1.4 Funcionamiento del cambio de velocidades
Constituida una caja de cambios como se ha explicado, las distintas relaciones se
obtienen por la combinación de los diferentes piñones, en consecuencia con sus
dimensiones.
Para la obtención de las distintas relaciones o velocidades, el conductor acciona
una palanca de cambios, mediante la cual, se produce el desplazamiento de los
distintos cubos de sincronización (sincronizadores), que engranan con los piñones
que transmiten el movimiento.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
PUNTO MUERTO
En esta caja de cambios (figura inferior) se produce una doble reducción cuando
los piñones de "toma constante" (B y C) son de distintas dimensiones (nº de
dientes).
Fig. 5.11 Punto muerto
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
1ª Velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la derecha, produce el
enclavamiento del correspondiente piñón loco (I) 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 la máxima reducción de giro, y por ello la mínima velocidad y el máximo
par.
Fig. 5.12 Primera velocidad
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
2ª Velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 1ª/2ª (N) hacia la izquierda, produce el
enclavamiento del correspondiente piñón loco (J) 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.
Fig. 5.13 Segunda velocidad
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
3ª Velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la derecha, produce el
enclavamiento del correspondiente piñón loco (H) 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.
Fig. 5.14 Tercera velocidad
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
4ª Velocidad
El desplazamiento del sincronizador de 3ª/4ª (O) hacia la izquierda, produce el
enclavamiento del correspondiente piñón de arrastre o toma constante (B) del eje
primario, que se hace solidario con el eje secundario, sin intervención del eje
intermediario en este caso. Con ello, el giro es transmitido desde el eje primario
como muestra la figura inferior, obteniéndose una conexión directa sin reducción
de velocidad. La velocidad del motor es igual a la que sale de la caja de cambios,
por ello aumenta la velocidad y el par disminuye.
Fig. 5.15 Cuarta velocidad o directa
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Marcha atrás (M.A.)
Cuando se selecciona esta velocidad, se produce el desplazamiento del piñón de
reenvió (T), empujado por un manguito. Al moverse el piñón de reenvío, engrana
con otros dos piñones cuya particularidad es que tienen los dientes rectos en vez
de inclinados como los demás piñones de la caja de cambios. Estos piñones
pertenecen a los ejes intermediario y secundario respectivamente. Con esto se
consigue una nueva relación, e invertir el giro del tren secundario con respecto al
primario. La reducción de giro depende de los piñones situados en el eje
intermediario y secundario por que el piñón de reenvio actúa únicamente como
inversor de giro. La reducción de giro suele ser parecida a la de 1ª velocidad. Hay
que reseñar que el piñón del eje secundario perteneciente a esta velocidad es
solidario al eje, al contrario de lo que ocurre con los restantes de este mismo eje
que son "locos".
Fig. 5.16 Marcha atrás
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
5.1.5 Cajas de velocidades para motor y tracción delanteros
Las cajas de cambio de velocidades de automóviles con la tracción junto al motor
(motor y tracción delanteros), suelen presentar una organización sensiblemente
diferente a las presentadas anteriormente.
Una disposición típica de estas cajas de cambio se muestra en la figura 5.17. Se
trata de un cambio de velocidades de un vehículo con tracción delantera, con la
caja de cambio y el diferencial montados en la parte delantera del motor. Es una
caja de cinco velocidades (la 5ª en sobremarcha) y marcha atrás. La característica
más destacada, que suele ser común a este tipo de cajas, es que no tienen eje
intermediario; los piñones van montados sobre el eje primario y las ruedas en el
eje secundario, que constituye también el eje del piñón de ataque del diferencial.
Las cinco marchas adelante son sincronizadas y sus engranajes están en toma
constante. El sincronizador de 1a y 2a marcha va montado sobre el eje secundario
y su balador de engrane está dentado exteriormente, constituyendo este dentado
la rueda de marcha atrás. El piñón loco de la marcha atrás, no representado en la
figura, es balador y sirve para el engrane de esta marcha. La sobremarcha (5 a
velocidad) está dispuesta en un cárter separado montado en el extremo delantero
de la caja.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Fig. 5.17 Disposición de un cambio de velocidades para tracción delantera (Citroen): 1. Sincronizador
a
de 5 velocidad (sobremarcha).
a
a
a
a
a
2. Rueda de 5 marcha. 3. Piñón de 4 velocidad (directa). 4.
a
Sincronizador de 3 y 4 marchas. 5. Piñón de 3 velocidad. 6. Piñón de 2 velocidad. 7. Piñón de
a
a
marcha atrás. 8. Eje primario. 9. Piñón de 1 marcha. 10. Rueda de 5 velocidad (sobremarcha).
a
a
a
11. Rueda de 4 velocidad (directa). 12. Eje secundario. 13. Rueda de 3 velocidad. 14. Rueda de 2
a
a
a
velocidad. 15. Sincronizador de 2 y 1 velocidades y rueda de marcha atrás. 16. Rueda de 1
velocidad. 17. Piñón de ataque del diferencial.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
Otro modelo de cambio de velocidades de un automóvil de motor y tracción
delanteros se muestra en la figura 5.18. En este caso el vehículo lleva el motor
transversal inclinado y la caja de cambios situada bajo el motor.
El cambio es de cuatro marchas adelante, todas sincronizadas, y marcha atrás, los
piñones de las distintas marchas están fijos en el eje primario y son las ruedas, en
toma constante, montadas sobre el eje secundario, las que se acoplan o
desacoplan en éste por medio de los sincronizadores. La marcha atrás se acopla
mediante piñón loco balador (no visible en la figura).
Particularidades a destacar en este cambio son el tren de engranajes de
transmisión de movimiento del embrague al eje primario, necesario dada la
situación del motor sobre el cambio, y el piñón de ataque y corona del diferencial
con dentado cilíndrico helicoidal, que sustituyen al clásico par de piñón y corona
cónico-espirales, debido a que los ejes de giro del secundario y del diferencial son
paralelos.
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Fig. 5.18 Cambio de velocidades de un automóvil con motor transversal y tracción delantera
a
(Peugeot): 1. Piñón de 1 y marcha atrás. 2. Rueda de marcha atrás.
a
a
4. Sincronizador de 1 y 2 marchas.
a
a
5. Piñón de 2 marcha.
a
a
3. Rueda de 1 velocidad.
a
6. Piñón de 3 marcha.
7.
a
Sincronizador de 3 y 4 (directa) marchas. 8. Piñón de 4 marcha (directa). 9. Tren de engranajes
de toma de fuerza desde el embrague. 10. Dedo selector de velocidades. 11. Piñón de ataqué del
a
diferencial. 12. Corona del diferencial 13. Rueda de 2 marcha.
a
14. Rueda de 3 marcha. 15.
a
Rueda de 4 marcha.
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CAPITULO VI
MANTENIMIENTO Y AVERIAS
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6.1 MANTENIMIENTO
6.1.1 Reparación de cambios de velocidades
En el trabajo de reparación de automóviles no es nada raro el tener que cambiar
engranajes del cambio de velocidades por estar fuertemente desgastados, siendo
generalmente la causa más corriente de este desgaste anormal el defectuoso
manejo, por parte del conductor, del mando del cambio de velocidades y del
embrague que permite a los engranajes transmitir todo el esfuerzo estando sólo
parcialmente engranados; estas mismas causas producen un desgaste excesivo
en las estrías de los ejes y de los baladores.
Para proceder a la reparación de una caja de cambios, ésta debe separarse del
automóvil, lo cual exige que primeramente se desconecten los mandos si éstos
son a distancia o si impiden el desmontaje de la caja; también deberá soltarse la
transmisión, para lo cual en ciertos casos será necesario soltar total o
parcialmente el eje de su unión al automóvil.
Una vez separada la caja de cambios del automóvil se deberá limpiar
exteriormente y estudiar cuidadosamente la forma de desmontar los cojinetes,
ejes y conjuntos de engranajes, vaciarle el aceite y grasa y proceder al
desmontaje. Habrá que limpiar totalmente de aceite o grasa las piezas desmontadas y examinarlas una por una; los engranajes cuyos dientes o estrías estén
aplastados, desgastados o agrietados deben cambiarse por otros nuevos; si de un
par de ruedas que trabajen engranadas debe cambiarse una de ellas, por estar
en malas condiciones, en general, deberá cambiarse también la otra aunque se
halle en buen estado, pues de lo contrario la pareja formada por la nueva y la vieja
se desgastarían y estropearían rápidamente.
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Los cojinetes y soportes de cojinetes que muestren desgaste deben también
cambiarse por nuevos. De la misma manera, se tendrá que examinar los retenes
de grasa colocados para evitar la salida de aceite del cambio al embrague y hacia
el eje de la transmisión, estos retenes están sujetos a fuerte desgaste y deben
reponerse si están en malas condiciones.
Después de haber sustituido las piezas dañadas y de haber procedido al nuevo
montaje del cambio, se debe comprobar el accionamiento de los distintos carriles
y la forma en que se realiza el engrane de las distintas velocidades; es muy
importante que las ruedas engranen en toda la longitud del diente, en algunos
casos la posición de los engranajes puede ajustarse variando la posición de la
horquilla en los raíles. Procederemos a comprobar al mismo tiempo si los dedos o
bolas de retención de los raíles y muelles están en buenas condiciones y cumplen
su trabajo. Una vez la caja ha sido reparada se vuelve a montar en el automóvil
asegurándose de que los tornillos o tuercas de fijación quedan correctamente
apretados. Una vez colocada la caja se llena con el aceite lubrificante adecuado
hasta el nivel del centro del eje intermediario, lo que generalmente coincide con el
nivel del agujero de llenado.
El trabajo de reparación realizado debe comprobarse con el coche en
funcionamiento.
Es particularmente importante la limpieza absoluta de la caja de cambios
cuando en ella se ha producido la rotura de algún diente, ya que de quedar en la
caja pequeñas partículas de metal sueltas, podrían producir daños en la caja
después de reparada.
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6.1.2 El cuidado de las cajas de cambio de engranajes
Cuando el automóvil es nuevo y no ha sido sometido a rodaje por el fabricante,
caso éste que es el más frecuente, después de algunos cientos de kilómetros de
recorrido del vehículo el aceite de la caja de cambios de velocidades debe de
cambiarse y la caja debe limpiarse por lavado.
Las razones que hacen necesaria esta operación son, por una parte, posibilidad
de que hayan quedado partículas metálicas o cuerpos extraños de fabricación,
que podrían causar considerables daños y fuerte desgaste y por otra parte que
en las primeras semanas de funcionamiento se produce el desgaste de rodaje,
que hace que se mezclen al aceite pequeñas partículas metálicas que serán
arrastradas a los cojinetes, estropeándolos, de no hacerse el cambio de aceite y
el lavado que hemos indicado.
Después de este primer cambio de aceite y lavado de la caja, el aceite debe ser
cambiado y lavarse la caja cada 6 ó 7 mil kilómetros de recorrido, según
instrucciones del fabricante y utilizando el tipo de aceite recomendado por él. En
algunos casos y en climas extremados se recomienda, también, el cambio
estacional (primavera y otoño) del aceite, para utilizar el grado adecuado según
la temperatura exterior.
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6.1.3 Aceites lubricantes empleados en las cajas de cambio
Los aceites lubricantes utilizados en las cajas de cambios y puentes traseros tiene
como misión fundamental reducir el rozamiento y el desgaste. Deben proporcionar
además una película consistente entre los flancos de los dientes de contacto. Los
aceites empleados suelen ser aceites minerales clasificados dentro del grupo de las
valvulinas SAE 80 y SAE 90.
Los principales requisitos que deben tener éste tipo de aceites minerales, se
podrían resumir en los siguientes puntos:
•
Deben ser resistentes a la compresión, para evitar que se rompa con las intensas presiones de trabajo la película creada entre los flancos de los dientes en
contacto, la cual permite reducir el rozamiento y desgaste posterior.
•
Deben servir de elemento refrigerante para que durante las elevadas temperaturas de funcionamiento, no pierdan su poder de lubricación.
•
Deben ser resistentes al frío para facilitar los arranques a bajas temperaturas
sin perder lubricación.
•
Deben ser resistentes a la corrosión, sin atacar a las juntas ni presentar exagerada tendencia a la formación de espuma.
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Los principales aditivos, que proporcionan al aceite la necesaria resistencia a la
compresión, están formados a base de azufre, cloro, plomo, fósforo, cinc y sus
combinaciones.
Estos aditivos durante su funcionamiento, reaccionan químicamente por efecto de la
temperatura y forman, sobre las superficies de rozamiento, una especie de capa
lubricante sólida que elimina, en parte, el roce entre ellas y proporciona una gran
suavidad de marcha.
En cajas de cambios dotadas de engranajes del tipo hipoide (como las que presentan
el cambio y diferencial integrados), se emplean aceites que presentan condiciones
especiales de lubricación, ya que estos están sometidos a mayores presiones en los
dientes.
Estos engranajes pueden tener imprecisiones de forma en los dientes y en el
montaje, que junto a posibles deformaciones en el temple, pueden llevar a la aplicación
de una presión exagerada sobre los dientes. Para paliar estos inconvenientes, se
emplean durante un tiempo los aceites denominados de rodaje. Estos aceites llevan
unos aditivos con características abrasivas que alisan los flancos de los dientes.
Pasado éste período de rodaje, el aceite de rodaje se sustituye por una aceite
normal hipoide.
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6.2 AVERIAS
La causa más frecuente de las averías en los engranajes del cambio de
velocidades, es la falta de adecuada lubrificación. Para la lubrificación de las cajas
de cambio debe emplearse un aceite de gran viscosidad (valvolina), pero no debe
emplearse grasa, aunque ésta sea ligera; los fabricantes de los automóviles
indican el tipo de lubricante que debe emplearse en cada caja de cambio.
Debemos recordar siempre que, en cuanto sea posible, para la lubrificación y
ajuste de cualquier mecanismo del automóvil deben seguirse las normas dadas
por el constructor. Si en tiempo frío se utiliza grasa para lubrificar un cambio de
velocidades, al girar los engranajes apartarán la grasa a un lado donde quedará
en forma semi-sólida congelada y los engranajes trabajarán así sin lubrificación.
6.2.1 Desgaste de los engranajes
Para que los engranajes trabajen correcta y suavemente es necesario que entre
sus dientes exista el juego adecuado. Si los cojinetes o los ejes se desgastan los
engranajes se separan al aumentar la distancia entre sus ejes, lo cual da lugar a
que entre los dientes exista un juego superior a lo normal, que produce un
funcionamiento ruidoso y un rápido desgaste de los dientes. Cuando se desmonta
una caja de velocidades debe inspeccionarse para determinar si el ajuste es
correcto o si existe desgaste en los cojinetes y ejes.
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En ciertos casos los flancos de los dientes quedan marcados con pequeñas zonas
de superficie hundidas; este defecto es generalmente debido a un uso continuo en
servicio duro, y no puede ser achacado nunca a un defecto de lubrificación. Si las
deformaciones de los dientes son de gran consideración deben desmontarse los
engranajes y cambiarse.
Las ranuras de los ejes y de los engranajes deslizantes pueden desgastarse por el
trabajo duro y el roce constante; la consecuencia de este desgaste es el
funcionamiento ruidoso, y pueden dar lugar a que los engranajes se desengranen
solos, corrientemente se dice que las marchas se salen.
Fig. 6.1 En 1 las entradas de los dientes desgastados
Los dientes de los engranajes del cambio de velocidades pueden desgastarse en
la forma que se muestra en la figura 6.1; este tipo de desgaste es generalmente
debido a un deslizamiento incompleto de los baladores que hace que los dientes
no queden completamente engranados, como se muestra en la figura 6.2. El que
los dientes no lleguen a engranar puede ser debido a estar dobladas las horquillas
de mando o estar éstas incorrectamente montadas en los carriles (ejes deslizantes, en los cuales se montan las horquillas).
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Aun estando el mecanismo del mando del cambio de velocidades correctamente
ajustado y en buenas condiciones, puede producirse también el desgaste en la
forma que hemos visto, si el conductor tiene la costumbre de soltar el pedal de
embrague antes de haber completado el movimiento de la palanca de mando del
cambio de velocidades.
Fig. 6.2 Engranado incompleto
6.2.2 Tendencia a salirse las marchas
La tendencia a salirse las marchas, es decir, a desengranarse después de haber
sido engranados los pares de ruedas, puede ser debido a las mismas causas que
producen el desgaste que acabamos de estudiar, o sea horquillas dobladas o mal
montadas en los carriles o un manejo incorrecto del cambio por parte del
conductor.
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La tendencia a salirse las marchas también puede ser debida al mal estado de los
muelles que mandan las bolas o dedos de retención de los carriles, estos muelles
con el trabajo pueden haber perdido su tensión.
También puede hacer que se salgan las marchas un engrane incompleto debido a
desgaste de las estrías de los ejes o los baladores, lo cual da lugar a que los
dientes engranen de una forma incompleta, como se muestra en la figura 6.3.
La falta de alineación del cambio de velocidades con el volante del motor puede
también dar lugar a una tendencia a salirse las marchas y a un cambio de
velocidades ruidoso; esta falta de alineación puede ser debida a pequeños
defectos de fabricación o a un manejo descuidado de la caja al montarla o
desmontarla de tal forma que haya producido una deformación de la misma.
La tendencia a salirse las marchas puede dar lugar a un desgaste progresivo de
los dientes en la misma forma indicada en la figura 6.1, que a la larga, puede
llegar a la total destrucción de los dientes.
Fig. 6.3 Estrías desgastadas en eje secundario y balador
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6.2.3 Rotura de los dientes
La rotura de los dientes, en los engranajes del cambio de velocidades no es una
avería que se presente corrientemente. En los casos en que se presenta puede
ser debida a defectos del material o de la fabricación, o bien a desarreglos o
roturas de otras piezas anteriormente; en la Fig. 6.4 se muestra un caso de
dientes rotos.
Fig. 6.4 Dientes rotos
6.2.4 El embrague patina
Uno de los defectos que más frecuentemente se presentan en el funcionamiento
del embrague es el de que exista deslizamiento entre el disco conducido y el
conductor; se dice entonces que el embrague patina. Son varias las causas que
pueden producir que el embrague patine.
Dado que el cárter del embrague se halla situado entre el cárter del motor y el
cárter del cambio de velocidades, y que estos dos últimos contienen aceite, es
relativamente frecuente el caso de que pase aceite de uno de éstos al cárter del
embrague, engrasando las superficies de roce del plato del mismo, lo cual
disminuye su adherencia y da lugar a deslizamiento.
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Otra de las causas que más frecuentemente originan que el embrague patine, es
el desgaste excesivo de las guarniciones o forros del plato de embrague; al
desgastarse los forros el espesor del plato conducido se hace menor, y por tanto,
para quedar aprisionado entre el volante y él plato presor éste debe acercarse
más al primero, lo que, a su vez da lugar a que los muelles queden menos
comprimidos, y, por lo tanto, efectúan menos fuerza sobre el plato de presión.
6.2.5 Pérdida del juego libre del embrague y su ajuste
Entre el aro y el cojinete de desembrague debe haber una cierta separación o
juego cuando el embrague está embragado. A esta separación se le da el nombre
de juego libre del embrague; este juego libre se traduce, en el movimiento del
pedal, en el hecho de que cuando se aprieta el pedal el embrague no
desembraga instantáneamente, sino que hay un cierto recorrido en el cual el
pedal no tiene acción; a tal recorrido se le da el nombre de movimiento libre del
pedal del embrague.
El desgaste de los forros del embrague da lugar a la disminución del juego libre
del embrague, pudiendo incluso desaparecer totalmente éste, con lo cual el anillo
o las palancas se apoyarían sobre el cojinete de desembrague imposibilitando que
los muelles se alarguen lo suficiente para que el plato presor comprima el disco,
en cuyo caso el embrague patinaría.
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6.2.6 El embrague no desembraga completamente
Otro defecto que puede presentar el embrague es el que no llegue a desembragar
por completo. Como hemos visto este defecto puede ser producido por un mal
reglaje del juego libre o también por la presencia de grasa o suciedad en el disco
del embrague, que haga que se pegue o adhiera al disco conductor.
También puede ser la causa de un desembrague defectuoso el que esté doblado
el plato del embrague, o que el anillo presor esté alabeado, así como un
defectuoso montaje de la tapa del embrague. Otras causas que pueden dar lugar
a este defecto, son un cojinete de empuje muy desgastado cuando éste es de
material grafito, un ajuste defectuoso de las palancas de desembrague o un
engrase insuficiente del pedal y las palancas de mando.
6.2.7 Ruidos en el embrague
El ruido del embrague es debido casi siempre a juegos excesivos producidos por
desgaste de las piezas ajustadas, tales como por ejemplo del cojinete piloto y el
eje, el cubo del plato y el eje estriado, el cubo de desembrague, etc.
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CONCLUSIONES
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Al termino de este trabajo de investigación se concluye que hoy en día, los
componentes, principios y funcionamiento de una caja de velocidades tipo
estándar; vienen dados por los diseños y fundamentos de las maquinas antiguas,
un cambio de velocidades estándar es una transmisión mecánica, la cual la
podemos encontrar en cualquier vehículo e inclusive dentro de cualquier maquina
donde la potencia mecánica se genera en una parte y se desea transmitir hacia
otra parte de la maquina para realizar un trabajo, a lo largo de esta transmisión se
puede perder potencia, es hay donde entran los multiplicadores de velocidad, caso
que nos ocupo el estudio de la caja de velocidades estándar.
Estas son las cajas de velocidades que se encuentran en la mayoría de los autos,
todas de tipo estándar, tales cajas ofrecen grandes prestaciones que en ocasiones
superan las necesidades del vehículo; claro está, tomando en cuanta su uso y
modo de operación del conductor, siendo desde mi punto de vista, el tipo de caja
de velocidades mas óptimo para un auto, por la fuerza de par que entregan a las
ruedas. Sin embargo, en la actualidad, existen cajas de cambios automáticos que
suelen dar prestaciones con valores de consumo destacados y aceptables.
Por tal motivo, en este trabajo se explicaron los principios de funcionamiento,
mantenimiento y componentes de una caja de velocidades tipo estándar. Con el
objeto de dar a conocer de una manera clara y sencilla los principios tanto físicos
como mecánicos que rigen el funcionamiento de una caja de velocidades, para
que aquellas personas que, sin ser expertos o conocedores del tema, puedan
comprender y entender una caja manual de velocidades; y dejar abierta la línea
para las personas que deseen continuar con los diferentes tipos de cajas de
velocidades actuales, como lo son automáticas y electrónicas (tryptonic), cajas
que se convierten en estándar a automáticas y viceversa, para mejorar el
mantenimiento y la correcta utilización de una caja de velocidades.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
De igual forma, se busca dejar las bases para entrar en una nueva generación de
cajas de velocidades para futuros automóviles, sin olvidar los principios, que
desde los autos del siglo pasado, los autos actuales y aquellos del futuro, han sido
y seguirán siendo los que rigen el comportamiento de un transformador de
velocidad; para que con base en la modernización se logre que las cajas de
velocidades proporcionen un mayor torque y un mejor aprovechamiento del
combustóleo.
Uno de los fines de este trabajo de investigación, es apoyar a las personas que
deseen adquirir un vehiculo, ya que en el momento en que compramos un auto, se
hace necesario tomar en cuenta el fin para el cuál será utilizado, si se desea para
trabajo duro es recomendable una caja de cuatro marchas y marcha atrás; o bien
sí en lo que se piensa es solo en trasladarse, con una caja de cinco velocidades y
marcha atrás es suficiente; sin embargo, si lo que se quiere es velocidad hoy en
día existen autos con cajas de hasta seis velocidades con marcha atrás.
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GLOSARIO
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1) Aceleración: La aceleración es la acción y efecto de acelerar (aumentar la
velocidad). El término también permite nombrar a la magnitud vectorial que
expresa dicho incremento de la velocidad en una unidad de tiempo
(metro por segundo cada segundo, de acuerdo a su unidad en el Sistema
Internacional).
2) Acoplamiento: Unión de dos piezas o cuerpos que se ajustan perfectamente.
3) Axial: La simetría axial es la simetría alrededor de un eje, de modo que un
sistema tiene simetría axial o axisimetría cuando al cortar dicho sistema por
un semiplano que contiene al eje el resultado es siempre el mismo.
4) Cojinete: Elemento mecánico en el que se apoya y gira un eje mediante su
gorrón u órgano de contacto.
5) Desplazamiento: es la acción y efecto de desplazar. Este verbo tiene
diversos usos, como el hecho de trasladarse (ir de un lugar a otro) y
de mover o sacar a alguien o algo del lugar en que está.
6) Diferencial: Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las
ruedas derecha e izquierda de un vehículo giren a revoluciones diferentes,
según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.
7) Eje: es un elemento constructivo destinado a guiar el movimiento de
rotación de una pieza o de un conjunto de piezas, como una rueda o un
engrane. El eje puede estar fijo (sin giro) o puede pertenecer a un sistema
de rodamientos donde la pieza gira alrededor del eje.
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8) Embrague: mecanismo que permite separar o unir el eje de cambio de
velocidades de un vehículo al movimiento del motor.
9) Energía: es una magnitud física del tipo escalar que se manifiesta en
diversas formas, se mide por la capacidad de una fuerza o de un sistema
para realizar trabajo mecánico.
10) Engrane: mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a
otro dentro de una máquina.
11) Flanco: cada una de las dos partes laterales de un cuerpo considerado de
frente.
12) Fuerza: es una magnitud física que mide la intensidad del intercambio de
momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas.
13) Horquilla: horquilla que tiene un elemento articulado y amortiguado que
permite absorber los impactos y ondulaciones del terreno.
14) Lubricante: es una sustancia que, colocada entre dos piezas móviles, no
se degrada, y forma así mismo una película que impide su contacto,
permitiendo su movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones.
15) Marchas: cada uno de los cambios de velocidades con las que cuenta la
caja de velocidades.
16) Mecanismo: conjunto de sólidos resistentes, móviles unos respecto de
otros, unidos entre sí mediante diferentes tipos de uniones, llamadas pares
cinemáticos (pernos, uniones de contacto, pasadores, etc.), cuyo propósito
es la transmisión de movimientos y fuerzas.
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17) Motor: es la parte de una máquina capaz de transformar cualquier tipo de
energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz
de realizar un trabajo.
18) Muelle: se conoce como muelle o resorte a un operador elástico capaz de
almacenar energía y desprenderse de ella sin sufrir deformación
permanente cuando cesan las fuerzas o la tensión a las que es sometido.
19) Par: es un sistema formado por dos fuerzas de la misma intensidad o
módulo, de la misma dirección (paralelas) y de sentido contrario.
20) Paralelo: líneas o planos que nunca se acercan ni se alejan.
21) Perpendicular: término utilizado en la geometría para nombrar a la línea o
al plano que forma ángulo recto con otra línea u otro plano. Existen diversas
formas de relaciones de perpendicularidad.
22) Piñon: se denomina piñón a la rueda de un mecanismo de cremallera o a la
rueda más pequeña de un par de ruedas dentadas, ya sea en una
transmisión por engranaje, cadena de transmisión o correa de transmisión.
23) Potencia: cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo
24) RPM: revoluciones por minuto.
25) Raíles: guía sobre la que se desplaza una cosa.
26) Rotación: es el movimiento de cambio de orientación de un cuerpo o un
sistema de referencia de forma que una línea (llamada eje de rotación) o un
punto permanece fijo.
27) Rozamiento: es una fuerza que aparece cuando hay dos cuerpos en
contacto y es una fuerza muy importante cuando se estudia el movimiento
de los cuerpos.
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28) Rueda: es una pieza mecánica circular que gira alrededor de un eje. Puede
ser considerada una máquina simple, y forma parte del conjunto
denominado elementos de máquinas.
29) Sincronizadores: son unos anillos compuestos de bronce, con una forma
helicoidal, que se alojan en los extremos de cada engranaje de cada
marcha y es necesaria su presencia ya que se encarga de reducir
las RPM de giro de un engranaje engranado al desplazable a las mismas
RPM de giro del engranaje de marcha que va a ser seleccionado.
30) Sistema: es un objeto compuesto cuyos componentes se relacionan con al
menos algún otro componente;
sólo los sistemas materiales tienen
mecanismo, y sólo algunos sistemas materiales tienen figura (forma).
31) Tándem: conjunto de dos elementos que realizan una misma actividad en
equipo o que combinan sus esfuerzos para hacer algo.
32) Tracción: esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos
fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.
33) Trabajo: el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la
energía necesaria para desplazar este cuerpo.
34) Transmisión: mecanismo encargado de transmitir potencia entre dos o
más elementos dentro de una máquina.
35) Velocidad:
magnitud
física de
carácter vectorial que
expresa
el
desplazamiento de un objeto por unidad de tiempo.
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PRINCIPIOS MECANICOS DEL TREN MOTRIZ DE UNA CAJA DE VELOCIDADES TIPO ESTANDAR
BIBLIOGRAFÍA
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