Las Cajas de Cambios Manuales

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