Caja de Cambios: Componentes y Funcionamiento del Vehículo

DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES
DEL VEHÍCULO (Caja de Cambios)
UNIDAD 1
La caja de cambios, hace parte indispensable de los componentes del vehículo. En la primera
unidad, se analizara de manera general el estudio básico de los engranes, los elementos que se
deben tener en cuenta para su diseño y construcción, los tipos de piñones y sus características.
Final mente abordaremos la conformación básica de una caja de cambios en lo que corresponde a
los ejes principales que la Conforman.
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TABLA DE CONTENIDO
ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA.......................................................................................... 3
TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES .................................................................................................... 3
ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES ............................................................................................................... 4
ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS .............................................................................................. 5
ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES.................................................................................... 5
DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN ........................................................................................................... 6
LA CAJA DE CAMBIOS.............................................................................................................................. 7
EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA ................................................................................................................ 8
EJE INTERMEDIO O EJE MASA.......................................................................................................................... 9
PIÑONES Y EJE DE SALIDA ..............................................................................................................................10
ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE ...................................................................11
PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR .....................................................12
CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES......................................................................... 13
CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES ............................................................................ 14
CIBERGRAFÍA ........................................................................................................................................ 15
IMÁGENES ............................................................................................................................................ 15
CRÉDITOS ............................................................................................................................................. 16
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ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA
El embrague es el mecanismo encargado de conectar y desconectar este movimiento, pero
necesitamos otro mecanismo capaz de permitir al vehículo cambiar de velocidad, de acuerdo a las
necesidades. Como el motor está variando constantemente en su número de revoluciones, por lo que
se hace necesario aprovechar su mayor Torque en todas las condiciones de marcha, es decir
necesitaremos transmitir este mejor torque hasta las ruedas motrices del automóvil. Para ello se
utiliza una caja de cambios, para enviar la mayor fuerza posible hasta las ruedas, ya que durante el
arranque o inicio de marcha del vehículo se requerirá mayor torque, independiente de la carga y de
la aceleración y se deberá mantener una velocidad uniforme acorde al camino. También la caja de
cambios deberá permitir seleccionar una marcha en sentido opuesto, para que el vehículo pueda
conducirse hacia atrás.
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Imagen 1
TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES
El procedimiento más utilizado para transmitir la
fuerza del motor y el trabajo de la caja de cambios
manual son los piñones. Por ejemplo piñón amarillo
de 12 dientes conduce al piñón verde de 20 dientes.
Esta última gira a menor número de revoluciones pero
con mayor fuerza, de acuerdo a la siguiente fórmula:
N1 * Z1 = N2 * Z2
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En donde:
N1 es el número de revoluciones del piñón conductor,
Z1 el número de dientes del conductor,
N2 el número de revoluciones del piñón conducido,
Z2 el número de dientes del conducido.
Obtendremos que por cada giro que realiza el piñón conductor (piñón amarillo), el piñón conducido
(piñón verde) gira 0.6 partes de vuelta pero como se indico esa porción de revolución la realiza con
mucha mas fuerza
ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES
La forma de los piñones o su diseño realmente no interfieren en la transmisión de la fuerza del uno
hasta el otro. Podemos observar en la imagen una corona dentada, cuyos dientes están dirigidos
hacia su parte interna, mientras que el piñón interno lo impulsa; En este caso se pueden dar dos tipos
de relación de movimiento.
CUANDO EL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O IMPULSA AL PIÑÓN
DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES:
Es el piñón pequeño impulsor, requerirá de
más vueltas para obligar a girar una vuelta al
piñón grande, pero la fuerza que se obtiene en
el piñón grande será mucho mayor, aunque su
giro sea más lento y esta relación está dada
exclusivamente por la relación o división
entre el número de dientes del piñón
conducido y el número de dientes del piñón
conductor.
Imagen 2
CUANDO EL PIÑÓN DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O
IMPULSA AL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES:
Sera el piñón grande impulsa al piñón pequeño, se obtendrá mayor velocidad en el pequeño, pero
con menor fuerza, en la misma relación de la velocidad, entre ellos, como lo habíamos mencionado.
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ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS
El piñón es rueda dentada, cuyos dientes pueden
engranar con los dientes de otro piñón, de menor o
mayor diámetro y número de dientes que el
primero, para transmitir un movimiento.
Imagen 3
Este diseño, aunque teóricamente el más apropiado,
debido a que no tiene un mayor porcentaje de
"desperdicio" de transmisión de fuerza, producirá
ruido durante la transmisión del movimiento.
ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES
Imagen 4
En el caso de este tipo de piñones,
lamentablemente la reducción del ruido durante
la transmisión de fuerzas ocasiona una pequeña
pero significativa reducción de la fuerza y del
torque transmitido, debido a que parte de la
fuerza que transmite el piñón conductor se dirige
de forma axial y no directamente hacia el piñón
conducido, ya que la forma de los dientes genera
estas fuerzas laterales, además de la fuerza radial.
Este factor de "desperdicio o reducción" de la
fuerza conductora realmente es un valor
despreciable, considerando las ventajas que
ofrece, es decir nivelar casi imperceptibles de
ruido y mayor número de superficie de los dientes en contacto durante la transmisión de fuerzas,
tema este último tal vez más importante que el factor anterior anotado.
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DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN
El diseño de los piñones modernos de una caja de cambios mecánica permite un trabajo suave y
eficiente, e intenta mantener un nivel de ruido muy bajo.
Para lograrlo, el diseño de los dientes de un piñón ha sido cuidadosamente estudiado, para que la
transmisión de la fuerza motriz hacia el resto de engranajes se produzca sin ruido, con el mayor
torque posible y se produzca un trabajo esforzado de cada piñón sin que se produzcan desgastes.
En el gráfico podemos apreciar el corte de un piñón, en el cual notaremos que este diseño de los
dientes permite que la superficie de contacto entre ellos sea la mayor posible; esto se debe a que un
diente está en contacto con el diente del otro piñón, pero además otros dientes también tienen una
gran parte de sus superficies en contacto, ya que al tener esta inclinación unos estarán iniciando su
contacto, mientras otros estarán finalizando. De esta manera se pueden transmitir grandes torques
entre engranajes, con suavidad y gran eficiencia, y sobre todo con un mínimo de desperdicio en
fuerzas laterales.
Imagen 5
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LA CAJA DE CAMBIOS
La caja de cambios inicialmente fue diseñada con mecanismos de cambio de tres velocidades. Con
el pasar de los años se diseñaron cajas de cuatro y cinco velocidades y en algunos vehículos
deportivos hasta de seis velocidades.
La caja de cambios está conformada básicamente por tres ejes de piñones, a pesar de que este diseño
inicial, que en algunos vehículos se lo mantiene actualmente, se ha cambiado con otro diseño,
especialmente debido a las características propias de cada diseño que realizan los distintos
fabricantes y a la forma de transmitir esta fuerza hasta las ruedas motrices, ya sea delanteras o
traseras.
El Motor transmite su fuerza hasta el disco de embrague, el mismo que envía esta fuerza por medio
de una manzana estriada hasta el eje "motriz" de la caja. Este eje está engranado con un piñón que
forma parte de un conjunto de piñones llamados eje intermedio o "masa", debido a que son varios
piñones trabajados en un solo conjunto y que giran transmitiendo este movimiento recibido a varios
piñones de forma simultánea.
Cada piñón de la respectiva marcha recibe el movimiento de un piñón del eje intermedio. De
acuerdo a la selección de la velocidad requerida, estos piñones se volverán sólidos al eje de salida o
eje estriado, cuyo movimiento se enviará al diferencial y ruedas a través del eje cardán o propulsor.
Imagen 6
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EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA
Nos hemos referido al eje Motriz como el eje que, recibiendo el impulso del motor a través del
sistema de embrague y precisamente del disco, es el eje que comanda el giro y movimiento de los
piñones de la caja de cambios mecánica.
El extremo inicial del eje motriz está apoyado y girando dentro de un buje o rodamiento dentro del
mismo cigüeñal y en su otro extremo dispone del piñón de mando y un dentado para en engrane del
collarín, al cual nos referiremos más tarde.
Antes del dentado dispone de una superficie cilíndrica, sobre la cual se inserta el rodamiento que se
aloja en el cuerpo de la caja internamente (del lado del piñón), el eje motriz dispone de un
rodamiento de palillos, sobre el cual se apoyará e insertará la punta del eje de salida o eje estriado.
El eje motriz está sujetado por una tapa, en la cual se ha instalado un tubo guía, que sirve de pista de
deslizamiento del rodamiento del embrague.
Imagen 7
Imagen 8
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EJE INTERMEDIO O EJE MASA
Como habíamos dicho anteriormente, el movimiento del eje motriz se transmite hasta el piñón de
entrada del eje intermedio, llamado comúnmente "masa", ya que lo conforman varios piñones en un
solo cuerpo, o masa de varios piñones, como lo podemos observar en la figura.
Como este eje intermedio es un conjunto sólido de varios piñones, giran sobre un eje con
rodamientos generalmente de palillos, para recibir el impulso del eje motriz.
La relación de transmisión entre el piñón del eje motriz y el piñón del eje intermedio puede ser,
dependiendo del vehículo y del diseño, alrededor de tres vueltas a una, relación que la analizaremos
adelante, cuando realicemos los cálculos de relaciones de transmisión de la caja mecánica.
Al girar el eje intermedio, cada piñón deberá impulsar a otro piñón del eje de salida o eje estriado,
con diferentes relaciones de transmisión, es decir, cada vez con mayor velocidad pero menor fuerza
a la salida del eje estriado.
Imagen 9
Imagen 10
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PIÑONES Y EJE DE SALIDA
Al girar en su eje, el conjunto de piñones intermedios engranan con los piñones individuales de cada
marcha, los mismos que están girando sobre rodamientos en el eje de salida o eje estriado, sin
transmitir al eje estriado la fuerza y el giro recibido del piñón masa (piñones no solidarios).
Realmente esta es la diferencia de las primeras cajas de cambio con la caja mecánica moderna, ya
que en las primeras se obligaba al piñón de cada marcha a engranarse con el piñón del eje de salida
para transmitir su movimiento, deslizándola sobre el eje estudiado.
En el caso de las cajas modernas, la transmisión del movimiento de cada par de piñones de la
marcha respectiva se logra, ya que ellos están engranados de forma constante (toma constante),
cuando se convierte al piñón individual solidario al eje estriado. De este trabajo se encarga el
Collarín con el sistema de sincronización, tema que lo analizaremos adelante y en el momento
oportuno.
Por el momento mencionemos que la velocidad en el eje de salida dependerá del número de dientes
de los piñones del eje intermedio que engranen con el piñón de cada marcha y su número de dientes.
Imagen 11
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ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE
Para seleccionar una marcha, se ha obligado al piñón respectivo a desplazarse o deslizarse en el eje
estriado hasta engranar con el piñón del eje intermedio, el mismo que está recibiendo la fuerza y el
giro del eje motriz. En la primera velocidad se engrana el piñón grande, saliendo al eje estriado
mayor fuerza, pero menos velocidad; en la segunda velocidad se engrana el piñón más pequeño,
saliendo al eje estriado una mayor velocidad pero con menor fuerza que en el caso anterior.
Finalmente en la tercera velocidad se engrana directamente el eje estriado con el piñón motriz,
saliendo la fuerza de forma directa desde el eje motriz hacia el eje de salida.
En cambio, para engranar la marcha, se puede utilizar el sistema de engrane con "Dogs" o garras de
engrane, este sistema no dispone de un método de sincronización o frenado de los piñones que
deben engranar, ya que es el collarín con unas garras en sus paredes laterales, quien se engrana en
unas ranuras de la misma forma trabajadas en las paredes laterales de cada piñón. Esto suele ser muy
brusco, ya que al estar girando el collarín a un diferente número de revoluciones que el piñón con el
cual debe engranar, se producirán choques que no permitirán un fácil engrane. Este sistema es muy
utilizado especialmente en los autos de competencia.
Imagen 12
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PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR
Para poder seleccionar una marcha o velocidad en la caja mecánica se debe previamente presionar el
pedal del embrague, para que la fuerza del motor hacia el eje motriz se interrumpa, ya que en este
momento el volante de inercia, el disco y el plato están obligando a girar al eje motriz junto al giro
del eje cigueñal del motor.
Al presionar el pedal del embrague, el cilindro principal envía presión hidráulica al cilindro
secundario y el pistón de este segundo cilindro empuja a la horquilla.
Este empuje se transmite hasta el rodamiento o rulemán de embrague, el mismo que empuja a las
patas o cremallera del plato de presión.
En este momento el plato de fricción se retira, liberando al disco de embrague, dejándose en este
momento de transmitir la fuerza del motor hacia el eje motriz de la caja; Justamente esta
desconexión de la fuerza permite seleccionar cada velocidad.
Imagen 13
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CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES
Para explicar de mejor manera la forma de seleccionar las diferentes velocidades o marchas de una
caja mecánica podemos observar los gráficos, presionando sobre el botón de la marcha que
deseamos seleccionar.
De esta manera podemos ver al collarín durante su desplazamiento, engranando con el sector
dentado de cada piñón. De esta forma el piñón se convierte sólido al eje estriado y las revoluciones
de giro del eje de salida dependerán de la relación entre el número de dientes del piñón conducido y
el piñón conductor.
Podemos notar que en el caso de la selección de la marcha atrás, el mismo collarín de la primera y
segunda velocidades tiene un piñón, para que un piñón adicional, llamado comúnmente piñón loco,
ya que gira en su propio eje, se desplaza y engrana entre los dos piñones, cambiando de esta forma
el sentido de giro.
Imagen 14
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CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES
Ahora que ya hemos conocido y relacionado la estructura de una caja de cambios tradicional de
cuatro velocidades, revisemos la estructura, tal vez un poco más compleja de una caja de cinco
velocidades.
Esta caja difiere de la estructura anterior básicamente en que el eje intermedio (masa) dispone de un
piñón adicional, así como el eje estriado o eje de salida. Estos dos piñones permiten seleccionar una
quinta velocidad, aumentando la velocidad del eje de salida y por lo tanto la velocidad final del
vehículo, inclusive girando el eje de salida a mayor número de revoluciones del motor (sobre
marcha).
Adicionalmente podemos observar que el piñón de marcha atrás ya no se desplaza para engranar con
el piñón de cambio de giro (piñón loco), sino que el piñón de esta marcha está también en toma
constante como el resto de piñones de las marchas hacia adelante.
También podemos notar que en este caso la marcha atrás también dispone de un elemento
sincronizador.
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CIBERGRAFÍA
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Diseño de Engranes: Soft, Coyote. "Diseño Mecánico I." . Pontificia Universidad Católica de
Chile, 18 1999. Web. 15 Oct 2012.
<http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/engrana/disenoa.html>.
Cálculo Piñones: Saranet, Soluciones. "Cálculo de los Diámetros de los Piñones." . Sistemas
Mecánicos Gaes, 14 2012. Web. 13 Oct 2012.
<http://www.gaessa.com/GAES/Castellano/Productos/Transmisiones/Cadena/DATOS_TEC
NICOS/CALCULO_DIAMETRO.shtml>.
Cajas de cambios mecánicas: Inostroza, Darwin. "“Caja de Cambios Mecánica y sus
componentes más Críticos." . mantenimiento Mundial, 10 2007. Web. 05 Oct 2012.
<www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/Caja.pdf>.
Caja de Cambios: Darry, Meganeboy. “Cajas de Cambio”. Aficionados a la Mecánica, n.d.
Web 15 Oct 2012 http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm.
Transmisión de fuerza: USA, Cars. "How Cars Work." . USA American Cars, n.d. Web. 14
Nov 2012. <http://3carsz.com/transmission/how-manual-transmission-work_1114>.
IMÁGENES
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Imagen 6: © Sena 2012
Imagen 7: © Sena 2012
Imagen 8: Dany, Meganeboy."Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15
Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>.
Imagen 9: © Sena 2012
Imagen 10: Dany, Meganeboy. "Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15
Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>.
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Líder de Línea
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Líderes de Proyecto:
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