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Cajas manuales de velocidades o cambios
La caja de cambios forma parte de la
transmisión del automóvil,
y juega un papel muy importante para
establecer la
fuerza de tracción apropiada en las ruedas y así
adaptarse a las
necesidades del camino o la carga. En general es un mecanismo que gana
en torque a expensas de la disminución de la velocidad de
rotación y
utiliza para ello diferentes etapas de
reducción con engranajes que pueden ser permutadas a voluntad
del
conductor o bien de manera automática. La cantidad de etapas de
cambio
dependerá del campo de
utilización del automóvil
y de la elasticidad del
motor.
En el automóvil clásico la caja de cambios tiene acoplado
al árbol de
entrada por uno de sus extremos el motor,
a
través
de un embrague
mecánico,
hidráulico, o de un convertidor
de torque o convertidor
de par, y acoplado al árbol de salida por el otro extremo la barra de
transmisión que conduce el movimiento al resto de los
elementos de la transmisión
(vea los esquemas del artículo Tren de fuerza para ilustrar lo que
decimos).
Existen tres tipos básicos de cajas de velocidades que se usan
en los
automóviles: la caja de
cambios
manual, la caja de cambios
semi automática y la caja de cambios
automática, que se diferencian en cuanto al modo de
operación y
en los sistemas internos. Veamos ahora una descripción de cada
una.
Cajas manuales
Las cajas de velocidades manuales, también conocidas como cajas
mecánicas o cajas
estándar son aquellas en las
que el conductor puede, a su voluntad,
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3
Figura 4
Figura 5
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establecer la fuerza de
tracción del automóvil, utilizando diferentes etapas
de engranajes colocados dentro de un cuerpo o carcasa, y que se
permutan
usando una palanca de mando al alcance del conductor. 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 a la transmisión. El esquema de la
derecha (figura 1)
corresponde
a la caja de cambio tradicional con collares desplazables de
acoplamiento con tres velocidades. En este tipo de caja de velocidades,
pueden diferenciarse dos árboles o ejes, uno de entrada (llamado árbol o eje de mando)
y otro
de salida (el que algunos llaman eje
o árbol corredizo), el primero procedente del motor a
través del
embrague y el segundo acoplado a la continuación de la
transmisión.
Entre ambos árboles hay un
cojinete que permite el movimiento de rotación relativo
entre ellos, de manera que pueden girar a diferentes velocidades.
Uno de los extremos del árbol de entrada queda fuera de la
carcasa de
la caja de velocidades y por él es que se acopla el movimiento
procedente del motor, el otro extremo queda dento de la carcasa, y al
final de este extremo interior y como parte integrante del árbol
hay un
engrane y un
collar estriado. Este engrane está acoplado constantemente
a un tren de engranes montados en un solo cuerpo rígido que gira
sobre
sus propios cojinetes,
conocido como tren fijo. El
tren fijo es arrastrado todo el tiempo por el
árbol de entrada (de ahí su nombre de tren fijo).
Por su parte el árbol de salida es un árbol con
estrías longitudinales
y en él pueden girar libremente varios engranes, los que a su
vez
están acoplados
al resto de los engranes del tren fijo. Estos engranes, al igual que el
del árbol de entrada tienen un collar estriado exteriormente en
una de sus caras. Con este
esquema, siempre que gire el árbol de entrada, girará
también el tren fijo y los demás engranes sobre el
árbol de salida que hemos supuesto detenido (con el
vehículo sin
movimiento). Observe que el movimiento que entra a la caja de
velocidades por el árbol de mando se transmite al tren fijo y
este a su
vez a los otros engranes que pueden girar libremente sobre el
árbol de
salida. De esta forma no hay continuación desde el motor al
resto de la
transmisión lo que corresponde a la posición neutral. La figura 2 muestra,
usando flechas rojas, cual es el camino seguido por el movimiento
procedente del motor para el estado neutral.
Veamos ahora como se produce la transmisión del movimiento.
En el árbol de salida y acoplados a sus estrías se
montan, (de
manera que
no puede haber movimiento de rotación relativo entre ellos y el
árbol), unos collares desplazables, que se llaman así,
porque
pueden moverse axialmente sobre el árbol de salida. Estos
desplazables,
además de las estrías que los acoplan al árbol de
salida, tienen otras estrías interiores en ambas caras que
pueden
acoplarse
perfectamente a los collares estriados de los engranes mencionados
arriba, de manera que
si se mueve alguno de estos desplazables lateralmente, puede producirse
un acoplamiento rígido entre el engrane correspondiente y
el desplazable, y como el desplazable está
rígidamente acoplado
al árbol de salida este produce que el engrane correspondiente
quede
también acoplado al árbol de salida,
con lo que se establece la transmisión del movimiento.
Unas horquillas solidarias a
la palanca de cambios del automóvil a través de un
mecanismo apropiado,
realizan este desplazamiento, y con ello establecen las diferentes
velocidades de acuerdo al par engranado seleccionado. Uno de los
desplazables, como puede verse en la figura 1, puede acoplar
directamente los
dos árboles (entrada y salida).
El estado representado en la figura 3
corresponde a
la primera velocidad, uno de
los desplazables se ha trasladado lateralmente accionado por la
horquilla correspondiente y se ha acoplado al collar
estriado del engranaje de mayor diámetro, de esta forma el
movimiento
del árbol de entrada, se
transmite al árbol de salida a través de la
combinación de engranajes de mayor reducción de
velocidad, y por lo tanto de mayor amplificación de la fuerza
(vea las
flechas rojas en la figura 3). El otro engrane montado sobre el
árbol
de salida sigue girando libremente sobre él.
Para el caso mostrado en la figura 4 se ha conectado
la segunda velocidad, el
mismo desplazable que anteriormente había establecido la primera
velocidad ahora se ha movido a la
izquierda, y se ha acoplado al collar estriado del engrane de segunda
(de menor diámetro que el de primera), y
el movimiento del árbol de entrada, se
transmite por la combinación de engranajes de menor
reducción de velocidad, y por lo tanto con menor
amplificación de la fuerza.
La figura 5
corresponde a
la directa, en la cual, el
otro desplazable se ha movido a la izquierda
y se ha acoplado al collar estriado del árbol de entrada, con lo
que se establece la conexión directa entre ambos
árboles, por lo que no hay ni cambio de velocidad ni de fuerza y
el
movimiento procedente del motor sigue sin alteración al resto de
la
transmisión.
Hemos utilizado una caja de velocidades de tres cambios a fin de
simplificar el esquema y hacerlo mas comprensible, pero como ya se
mencionó arriba, la cantidad de etapas de cambio puede ser, y,
de hecho
es muy común que sea, de mas de tres, pudiendo llegar a siete o
mas
etapas.
Aunque no se han representado por simplicidad, los collares
desplazables presentan un conjunto de piezas que funcionan por
fricción
y cuyo objetivo es sincronizar la velocidad de rotación de las
piezas
que se acoplarán antes de que entren en contacto las
estrías de unión.
Es evidente que debe existir un mecanismo adecuado en el selector
de cambios que gobierna el movimiento de las horquillas, que impida que
ambos desplazables puedan acoplarse al mismo
tiempo, lo que evidentemente provocaría el bloqueo total
de la caja de velocidades con consecuencias desastrosas. A
continuación
se muestra un animado del proceso de los cambios.
Cajas semi automáticas y automáticas
Para no hacer demasiado extensas estas lineas, las cajas semi
automáticas y automáticas se han tratado en
artículo aparte, de modo
que si quiere continuar en el tema de las cajas de cambios puede llegar
a él aquí.
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automóvil aquí.
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