CAJAS DE CAMBIO
Introducción
La
caja de cambios es un elemento de transmisión que se interpone entre el
motor y las ruedas para modificar el numero de revoluciones de las
mismas e invertir el sentido de giro cuando las necesidades de la marcha
así lo requieran. Actúa, por tanto, como transformador de velocidad y
convertidor mecánico de par.Si un motor de explosión transmitiera directamente el par a las ruedas, probablemente seria suficiente para que el vehículo se moviese en terreno llano. Pero al subir una pendiente, el par resistente aumentaría, entonces el motor no tendría suficiente fuerza para continuar a la misma velocidad, disminuyendo esta gradualmente, el motor perdería potencia y llegaría a pararse; para evitar esto y poder superar el par resistente, es necesario colocar un órgano que permita hacer variar el par motor, según las necesidades de la marcha. En resumen, con la caja de cambios se "disminuye" o "aumenta" la velocidad del vehículo y de igual forma se "aumenta" o "disminuye" la fuerza del vehículo.
Como el par motor se transmite a las ruedas y origina en ellas una fuerza de impulsión que vence las resistencia que se opone al movimiento, la potencia transmitida (Wf) debe ser igual, en todo momento, a la potencia absorbida en llanta; es decir:
Cm.- par desarrollado por el motor
Cr.- par resistente en las ruedas
n.- número de revoluciones en el motor
n1.- número de revoluciones en las ruedas
Cr.- par resistente en las ruedas
n.- número de revoluciones en el motor
n1.- número de revoluciones en las ruedas
Si
no existiera la caja de cambios el número de revoluciones del motor (n)
se transmitiría íntegramente a la ruedas (n = n1), con lo cual el par a
desarrollar por el motor (Cm) sería igual al par resistente en las
ruedas (Cr).
Según
esto si en algún momento el par resistente (Cr) aumentara, habría que
aumentar igualmente la potencia del motor para mantener la igualdad Cr =
Cm. En tal caso, se debería contar con un motor de una potencia
exagerada, capaz de absorber en cualquier circunstancia los diferentes
regímenes de carga que se originan en la ruedas durante un
desplazamiento.
La caja de cambios, por tanto, se dispone en los vehículos para obtener, por medio de engranajes, el par motor necesario en las diferentes condiciones de marcha, aumentado el par de salida a cambio de reducir el número de revoluciones en las ruedas. Con la caja de cambios se logra mantener, dentro de unas condiciones óptimas, la potencia desarrollada por el motor.
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La caja de cambios, por tanto, se dispone en los vehículos para obtener, por medio de engranajes, el par motor necesario en las diferentes condiciones de marcha, aumentado el par de salida a cambio de reducir el número de revoluciones en las ruedas. Con la caja de cambios se logra mantener, dentro de unas condiciones óptimas, la potencia desarrollada por el motor.
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CAJAS DE CAMBIO MANUALES
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:
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.
A continuación se van a estudiar los dos tipos de cajas de cambios. La primera caja de cambios es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal de un vehículo de propulsión trasera. La segunda, es una caja manual de dos ejes con disposición transversal, de un vehículo con tracción delantera con tracción delantera por lo que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de cambios.
La situación de la caja de cambios en el vehículo dependera de la colocacion del motor y del tipo de transmisión ya sea está delantera o trasera.
Caja de cambios manual de tres ejes. 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 inferior se muestra un corte longitudinal 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).
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. 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 M), 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.
En la figura inferior 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 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 superior.
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.
rt = relación de transmisión
B, C, G, J = nº de dientes de los respectivos piñones
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: un eje primario recibe el par del motor a través del embrague y lo transmite a un eje intermediario. Éste a su vez lo transmite a un eje secundario de salida, coaxial con el eje primario, que acciona el grupo diferencial.
- De dos ejes: un eje primario recibe el par del motor y lo transmite de forma directa a uno secundario de salida de par que acciona el grupo diferencial.
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.
A continuación se van a estudiar los dos tipos de cajas de cambios. La primera caja de cambios es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal de un vehículo de propulsión trasera. La segunda, es una caja manual de dos ejes con disposición transversal, de un vehículo con tracción delantera con tracción delantera por lo que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de cambios.
La situación de la caja de cambios en el vehículo dependera de la colocacion del motor y del tipo de transmisión ya sea está delantera o trasera.
Estas
dos disposiciones de la caja de cambios en el vehículo son las mas
utilizadas, aunque existe alguna mas, como la de motor delantero
longitudinal y tracción a las ruedas delanteras.
Caja de cambios manual de tres ejes. 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 inferior se muestra un corte longitudinal 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).
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. 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 M), 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.
En la figura inferior 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 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 superior.
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.
Funcionamiento. 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.
En las cajas de cambio de tres ejes, el sistema de engranajes de doble reducción es el utilizado generalmente en las cajas de cambio, pues resulta mas compacto y presenta la ventaja sustancial de tener alineados entre si los ejes de entrada y salida. 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.
En las cajas de cambio de tres ejes, el sistema de engranajes de doble reducción es el utilizado generalmente en las cajas de cambio, pues resulta mas compacto y presenta la ventaja sustancial de tener alineados entre si los ejes de entrada y salida. 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.
En
esta caja de cambios (figura superior) se produce una doble reducción
cuando los piñones de "toma constante" (B y C) son de distintas
dimensiones (nº de dientes). Por eso para calcular la reducción,
tendremos utilizar la siguiente formula para la saber el valor de
reducción. Por ejemplo en 1ª velocidad tendremos:
rt = relación de transmisión
B, C, G, J = nº de dientes de los respectivos piñones
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, obteniendose la
oportuna reducción. En esta velocidad se obtiene la máxima reducción de
giro, y por ello la mínima velocidad y el máximo par.
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,
obteniendose 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.
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, obteniendose 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.
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, obteniendose una conexión directa sin reducción de
velocidad. En esta velocidad se obtiene una transmisión de giro sin
reducción de la 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.
Marcha atrás (M.A.). Cuando
se selecciona esta velocidad, se produce el desplazamiento del piñón de
reenvio (T), empujado por un manguito. Al moverse el piñón de reenvio,
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".
En la caja de cambios explicada , se obtienen cuatro velocidades hacia adelante y una hacia atrás.
Sincronizadores
Las cajas de cambio desde hace muchos años utilizan para seleccionar las distintas velocidades unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno ha de engranar con el piñón loco del eje secundario correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente, se comprende que es necesario igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador) y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario, que gira a su vez movido por el motor desde el primario.
Con el vehículo en movimiento, al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación, se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando, quedando la caja en posición de punto muerto. Esta operación es sencilla de lograr, puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador, con el que se produce el desengrane del piñón. Sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento, resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje), es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario, se producirían golpes en el dentado, que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra.
Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague, mediante el cual, el eje primario queda en libertad sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado con el del eje secundario. Por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor, para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada.
Las cajas de cambio desde hace muchos años utilizan para seleccionar las distintas velocidades unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno ha de engranar con el piñón loco del eje secundario correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente, se comprende que es necesario igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador) y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario, que gira a su vez movido por el motor desde el primario.
Con el vehículo en movimiento, al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación, se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando, quedando la caja en posición de punto muerto. Esta operación es sencilla de lograr, puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador, con el que se produce el desengrane del piñón. Sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento, resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje), es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario, se producirían golpes en el dentado, que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra.
Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague, mediante el cual, el eje primario queda en libertad sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado con el del eje secundario. Por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor, para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada.
En
la figura inferior tenemos un sincronizador con "fiador de bola", donde
puede verse el dentado exterior o auxiliar (1) del piñón loco del eje
secundario (correspondiente a una velocidad cualquiera) y el cono macho
(2) formado en el. El cubo deslizante (7) va montado sobre estrías sobre
el eje secundario (8), pudiendose deslizarse en él un cierto recorrido,
limitado por topes adecuados. La superficie externa del cubo está
estriada también y recibe a la corona interna del manguito deslizante
(3), que es mantenida centrada en la posición representada en la figura,
por medio de un fiador de bola y muelle (6).
Para
realizar una maniobra de cambio de velocidad, el conductor lleva la
palanca a la posición deseada y, con esta acción, se produce el
desplazamiento del manguito deslizante, que por medio del fiador de bola
(6), desplaza consigo el cubo deslizante (7), cuya superficie cónica
interna empieza a frotar contra el cono del piñón loco que, debido a
ello, tiende a igualar su velocidad de giro con la del cubo
sincronizador (que gira solidario con el eje secundario). Instantes
después, al continuar desplazandose el manguito deslizante venciendo la
acción del fiador, se produce el engrane de la misma con el dentado
auxiliar del piñón loco sin ocasionar golpes ni ruidos en esta
operación, dado que las velocidades de ambas piezas ya están
sincronizadas. En estas condiciones, el piñón loco queda solidario del
eje secundario, por lo que al producirse la acción de embragado, será
arrastrado por el giro del motor con la relación seleccionada.
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CAJAS DE CAMBIO AUTOMOTICAS
El cambio
automático es un sistema de transmisión que es capaz por si mismo de
seleccionar todas las marchas o relaciones sin la necesidad de la
intervención directa del conductor. El cambio de una relación a otra se
produce en función tanto de la velocidad del vehículo como del régimen
de giro del motor, por lo que el conductor no necesita ni de pedal de
embrague ni de palanca de cambios. El simple hecho de pisar el pedal del
acelerador provoca el cambio de relación conforme el motor varía de
régimen de giro. El resultado que aprecia el conductor es el de un
cambio cómodo que no produce tirones y que le permite prestar toda su
atención al tráfico. Por lo tanto el cambio automático no sólo
proporciona más confort, sino que aporta al vehículo mayor seguridad
activa.
Los elementos fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son:
Entre los datos que utilizan estos sistemas para sus cálculos se encuentran, la frecuencia con que el conductor pisa el freno, la pendiente de la carretera, el numero de curvas de la misma, etc.
Antes de estudiar el funcionamiento de la caja de cambios automática, hay que explicar de forma individual, los elementos básicos que la forman.
Embrague hidráulico. El embrague hidráulico que mas tarde evolucionara llamandose convertidor de par, actúa como embrague automático entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos, suele ser automática o semiautomática. Dicho embrague permite que el motor gire al ralentí (en vacío) y además transmite el par motor cuando el conductor acelera.
Está fundado en la transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a una turbina por mediación de un líquido que generalmente es aceite mineral.
Para comprender bien este principio se puede poner el ejemplo de dos ventiladores (figura inferior) colocados uno frente al otro. El ventilador (1), conectado a la red, mueve el aire y lo proyecta como impulsor o bomba sobre el otro ventilador (2) que está sin conectar; éste último, al recibir el aire, se pone a girar como una turbina.
Constitución del embrague hidráulico
Está constituido, como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y turbina) que tienen forma de semitoroide geométrico y están provistas de unos tabiques planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va unida al árbol motor por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga; la otra, unida al primario de la caja de cambios con giro libre en el volante, constituye la turbina o corona arrastrada.
Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.
La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar.
Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo.
A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague.
Cuando el motor gira rápidamente desarrollando su par máximo, el aceite es impulsado con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de transmisión máximo).
El par motor se transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente.
Al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.
La ventaja fundamental de los engranajes planetarios frente a los engranajes utilizados por las cajas de cambio manuales es que su forma es mas compacta y permiten un reparto de par en distintos puntos a través de los satélites, pudiendo transmitir pares mas elevados.
Si quieres ver como funciona un engranaje planetario haz click aquí.
En el interior (centro), el planeta gira en torno de un eje central.
Los satélites engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón central.
Los satélites se alojan con sus ejes en el portasatélites
El portasatélites inicia el movimiento rotatorio de los satélites alrededor del piñón central; con ello, lógicamente, también en torno del eje central.
La corona engrana con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal. El eje central es también centro de giro para la corona.
Los elementos fundamentales que componen la mayoría de los cambios automáticos actuales son:
- un convertidor hidráulico de par que varía y ajusta de forma automática su par de salida, al par que necesita la transmisión.
- un tren epicicloidal o una combinación de ellos que establecen las distintas relaciones del cambio.
- un mecanismo de mando que selecciona automáticamente las relaciones de los trenes epicicloidales. Este sistema de mando puede ser tanto mecánico como hidráulico, electrónico o una combinación de ellos.
Entre los datos que utilizan estos sistemas para sus cálculos se encuentran, la frecuencia con que el conductor pisa el freno, la pendiente de la carretera, el numero de curvas de la misma, etc.
Antes de estudiar el funcionamiento de la caja de cambios automática, hay que explicar de forma individual, los elementos básicos que la forman.
Embrague hidráulico. El embrague hidráulico que mas tarde evolucionara llamandose convertidor de par, actúa como embrague automático entre el motor y la caja de cambios que, en estos casos, suele ser automática o semiautomática. Dicho embrague permite que el motor gire al ralentí (en vacío) y además transmite el par motor cuando el conductor acelera.
Está fundado en la transmisión de energía que una bomba centrífuga comunica a una turbina por mediación de un líquido que generalmente es aceite mineral.
Para comprender bien este principio se puede poner el ejemplo de dos ventiladores (figura inferior) colocados uno frente al otro. El ventilador (1), conectado a la red, mueve el aire y lo proyecta como impulsor o bomba sobre el otro ventilador (2) que está sin conectar; éste último, al recibir el aire, se pone a girar como una turbina.
Constitución del embrague hidráulico
Está constituido, como puede verse en la figura inferior, por dos coronas giratorias (bomba y turbina) que tienen forma de semitoroide geométrico y están provistas de unos tabiques planos , llamados alabes. Una de ellas, llamada rotor conductor, va unida al árbol motor por medio de tornillos y constituye la bomba centrífuga; la otra, unida al primario de la caja de cambios con giro libre en el volante, constituye la turbina o corona arrastrada.
Ambas coronas van alojadas en una carcasa estanca y están separadas por un pequeño espacio para que no se produzca rozamiento entre ellas.
Funcionamiento. Cuando
el motor gira, el aceite contenido en la carcasa es impulsado por la
bomba, proyectándose por su periferia hacia la turbina, en cuyos alabes
incide paralelamente al eje. Dicho aceite es arrastrado por la propia
rotación de la bomba o rotor conductor, formándose así un torbellino
tórico.La energía cinética del aceite que choca contra los alabes de la turbina, produce en ella una fuerza que tiende a hacerla girar.
Cuando el motor gira a ralentí, la energía cinética del aceite es pequeña y la fuerza transmitida a la turbina es insuficiente para vencer el par resistente. En estas condiciones, hay un resbalamiento total entre bomba y turbina con lo que la turbina permanece inmóvil. El aceite resbala por los alabes de la turbina y es devuelto desde el centro de ésta al centro de la bomba, en donde es impulsado nuevamente a la periferia para seguir el ciclo.
A medida que aumentan las revoluciones del motor, el torbellino de aceite se va haciendo más consistente, incidiendo con más fuerza sobre los alabes de la turbina. Esta acción vence al par resistente y hace girar la turbina, mientras se verifica un resbalamiento de aceite entre bomba y turbina que supone el acoplamiento progresivo del embrague.
Cuando el motor gira rápidamente desarrollando su par máximo, el aceite es impulsado con gran fuerza en la turbina y ésta es arrastrada a gran velocidad sin que exista apenas resbalamiento entre ambas (éste suele ser de un 2 % aproximadamente con par de transmisión máximo).
El par motor se transmite íntegro a la transmisión de embrague, cualquiera que sea el par resistente y, de esta forma, aunque se acelere rápidamente desde ralentí, el movimiento del vehículo se produce progresivamente, existiendo un resbalamiento que disminuye a medida que la fuerza cinética va venciendo al par resistente.
Al subir una pendiente, la velocidad del vehículo disminuye por aumentar el par resistente, pero el motor continúa desarrollando su par máximo a costa de un mayor resbalamiento, con lo que se puede mantener más tiempo la directa sin peligro de que el motor se cale.
Engranaje planetario. También
llamado "engranaje epicicloidal", son utilizados por las cajas de
cambio automáticas. Estos engranajes están accionados mediante sistemas
de mando normalmente hidráulicos o electrónicos que accionan frenos y
embragues que controlan los movimientos de los distintos elementos de
los engranajes.La ventaja fundamental de los engranajes planetarios frente a los engranajes utilizados por las cajas de cambio manuales es que su forma es mas compacta y permiten un reparto de par en distintos puntos a través de los satélites, pudiendo transmitir pares mas elevados.
Si quieres ver como funciona un engranaje planetario haz click aquí.
En el interior (centro), el planeta gira en torno de un eje central.
Los satélites engranan en el dentado del piñón central. Además los satélites pueden girar tanto en torno de su propio eje como también en un circuito alrededor del piñón central.
Los satélites se alojan con sus ejes en el portasatélites
El portasatélites inicia el movimiento rotatorio de los satélites alrededor del piñón central; con ello, lógicamente, también en torno del eje central.
La corona engrana con su dentado interior en los satélites y encierra todo el tren epicicloidal. El eje central es también centro de giro para la corona.
Estos
tres componentes (planeta, satélites y corona) del tren epicicloidal
pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se
bloquea uno de los componentes, los restantes pueden girar,
transmitiendose el movimiento con la relación de transmisión resultante
según la relación existente entre sus piñones. Si se bloquean dos de los
componentes, el conjunto queda bloqueado, moviendose todo el sistema a
la velocidad de rotación recibida por el motor.
Las
relaciones que se pueden obtener en un tren epicicloidal dependen de si
ante una entrada o giro de uno de sus elementos existe otro que haga de
reacción. En función de la elección del elemento que hace de entrada o
que hace de reacción se obtienen cuatro relaciones distintas que se
pueden identificar con tres posibles marchas y una marcha invertida. El
funcionamiento de un tren epicicloidal es el siguiente:
- 1ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena la corona, los satélites se ven arrastrados por su engrane con el planetario rodando por el interior de la corona fija. Esto produce el movimiento del portasatélites. El resultado es una desmultiplicación del giro de forma que el portasatélites se mueve de forma mucho más lenta que el planetario o entrada.
- 2ª relación: si el movimiento entra por la corona y se frena el planetario, los satélites se ven arrastrados rodando sobre el planetario por el movimiento de la corona. El efecto es el movimiento del portasatélites con una desmultiplicación menor que en el caso anterior.
- 3ª relación: si el movimiento entra por el planetario y, la corona o el portasatélites se hace solidario en su movimiento al planetario mediante un embrague entonces todo el conjunto gira simultáneamente produciéndose una transmisión directa girando todo el conjunto a la misma velocidad que el motor.
- 4ª relación: si el movimiento entra por el planetario y se frena el portasatélites, se provoca el giro de los planetarios sobre su propio eje y a su vez estos producen el movimiento de la corona en sentido contrario, invirtiendose el sentido de giro y produciéndose una desmultiplicación grande.
CONOCIMIENTOS BASICOS DEL AUTOMOVIL
Esquema del Motor
El
motor de un automóvil requiere ser compacto y liviano de peso, que
genere gran potencia, sea fácil de manejar, que raramente se averíe y
que sea silencioso cuando opere. Por estas razones, los motores de
gasolina y diesel son utilizados muy a menudo en automóviles.
Por otro lado, la parte principal del automóvil es el motor, donde la
potencia es generada para mover el vehículo. Un motor de automóvil
incluye equipos de lubricación para cada pieza, de enfriamiento para
prevenir el sobrecalentamiento, de combustible para suministrarlo, de
admisión y escape para hacer la mezcla de aire-combustible, de arranque
para el motor, sistemas de generación de electricidad para producir la
que sea necesaria, elementos de purificación de gases de escape para
prevenir la contaminación atmosférica y otros dispositivos.
Motor a Gasolina
En
este motor una mezcla de gasolina y aire es quemada en el interior de
los cilindros. La presión generada es convertida, vía los pistones,
bielas y cigüeñal, en fuerza motriz.
Motor Diesel
En este motor, el aire que es admitido al interior de los cilindros es
comprimido al punto donde éste alcanza altas temperaturas. En este
momento, el combustible es inyectado en forma pulverizada al interior de
los cilindros, donde es encendido espontáneamente y quemado. La presión
generada por este medio es convertida, vía los pistones, bielas y
cigüeñal, en fuerza motriz.
1. TEORÍA BÁSICA
En
un motor de gasolina, las bujías encienden la mezcla de
aire-combustible consistente de aire y gasolina, creando la combustión
en el interior de los cilindros. La presión generada allí empuja al
pistón hacia abajo. Este movimiento es convertido por el cigüeñal, al
cual los pistones están conectados mediante las bielas en movimiento
rotatorio. A fin de obtener fuerza continua desde el motor, es necesario
extraer los gases innecesarios creados en los procesos de combustión y
suministrar nueva mezcla de aire combustible dentro de los cilindros en
una forma cíclica.
Motor de Gasolina de 4 Ciclos.
A
fin de que un motor de gasolina se mueva continuamente, el movimiento
requerido por la combustión debe ser repetido en una secuencia
constante. Primero, la mezcla aire-combustible es tomada dentro del
cilindro, esto luego es comprimido y quemado, y después los gases de
combustión generados por el combustible quemado son extraídos desde el
cilindro. De este modo, un motor en el cual los pistones van a través de
4 carreras -admisión, comprensión, combustión y escape- es llamado un
motor de 4 ciclos.
Carrera de Admisión.
Esta
es la carrera en la cual la mezcla aire-combustible es arrastrada
dentro del cilindro, la válvula de admisión está abierta mientras la
válvula de escape está cerrada. Como el pistón se mueve hacia abajo, un
vacío parcial es creado en los cilindros y la mezcla de aire-combustible
es forzada dentro del cilindro por presión atmosférica.
Carrera de Compresión.
Esta
es la carrera en la cual la mezcla de aire-combustible es comprimida.
Ambas válvulas, de admisión y escape, están cerradas. Como el pistón se
eleva desde BDC (punto muerto inferior) a TDC (punto muerto superior),
la mezcla aire-combustible es comprimida. Como resultado, ambas, la
presión y la temperatura se incrementan para facilitar la combustión. El
cigüeñal ha hecho una revolución completa cuando se alcanza el TDC.
Carrera de Combustión (Potencia)
Esta
es la carrera en la cual el motor genera fuerza motriz para el
vehículo. Justo antes que el pistón alcance el TOC durante la carrera de
compresión, las bujías encienden la mezcla de aire-combustible
comprimida. El quemado del gas a alta presión fuerza el pistón hacia
abajo. Esta fuerza se convierte en potencia del motor.
Carrera de Escape.
Esta es la carrera en la cual el gas quemado es descargado desde el
cilindro. La válvula de escape está abierta y el pistón se mueva hacia
arriba desde el BDC al TDC, forzando el gas quemado (gases de escape)
desde el cilindro.
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