Caja de cambios manual “compacta”

  • Última modificación de la entrada:24/03/2021
  • Tiempo de lectura:22 minutos de lectura

El primer motor que se consolidó en el automóvil fue de gasolina, tras una breve pugna con el eléctrico con baterías.

El tema vuelve a estar de actualidad por la necesidad de eliminar la emisión de dióxido de carbono.

Este importante asunto relacionado con el medio ambiente lo desarrollamos en diversos artículos.

El motor térmico de explosión y combustión genera par motor desde ralentí al acelerar progresivamente, por lo que necesita multiplicarlo para iniciar la marcha, subir pendientes y llevar peso, además de en diferentes situaciones según las condiciones de marcha.

Se logra adaptar el par motor con la caja de cambios; dispone de varias relaciones que modifican el par motor y la velocidad del automóvil, inversamente.

Desde las primeras cajas de cambio que exigían pericia del conductor para pasar de una a otra relación ha habido muchas evoluciones, entre estas resalta la implantación de sincronizadores que facilitan enormemente el paso de relaciones.

Una vez que el par motor se ha adaptado en la caja de cambios ha de llegar a las ruedas motrices, y según sea la implantación técnica del automóvil el diferencial estará separado de la caja, integrado o junto a esta.

La función del diferencial está contenida en su denominación; adaptar la velocidad de las ruedas motrices en curva, pues al describir circunferencias con diferente radio los recorridos de las ruedas son distintos en el mismo tiempo.

El diferencial permite que en curva la rueda exterior gire a más velocidad y la interior a menos, lo que una aumenta la otra lo reduce, es decir giran a diferente velocidad en curvas.

El tema de este artículo es explicar las diferentes configuraciones de colocación de los componentes encargados de adaptar el par motor y llevarlo a las ruedas motrices, disminuyendo la longitud  de la caja de cambios para poder contar con más número de relaciones y poder acoplarla en los espacios disponibles en el automóvil.

Vamos a utilizar siluetas de automóviles que cuentan con las tecnologías que se explican expuestas didácticamente.

Hemos elaborado imágenes pedagógicas y lo que proponemos son recreaciones para entender los contenidos.

También hay enlaces a artículos del blog y otros para complementar las informaciones aportadas.

Descripción de la caja de cambios manual; engranajes en dos ejes y diferencial separado

Caja de cambios manual

La forma de adaptar el par desde el motor a las ruedas motrices es mediante engranajes de diferente número de dientes engranados entre sí.

Un conjunto de dos piñones, uno con menos dientes de entrada del motor y otro con más hacia el diferencial, por ejemplo 12 y 36, hacen que el par de salida se multiplique por la relación entre los dientes, es decir el par de salida es tres veces mayor, y la velocidad disminuye en la misma proporción.

Con grupos de engranajes con diferente número de dientes progresivamente se obtienen las relaciones, y para la marcha atrás se intercala uno entre los de entrada y salida lo que invierte el giro.

Vemos lo que representa la imagen didáctica; una caja de cambios manual con cinco relaciones y marcha atrás:

  • El embrague está a la izquierda; volante motor, disco de embrague y plato de presión
  • Un árbol estriado acopla con el disco de embrague que pasa el par motor a la caja de cambios manual con el pedal suelto, pues el plato de presión acopla el volante motor con el disco de embrague, al pisar el pedal se separa el disco de embrague no transmitiendo par a la caja de cambios manual, es como lo vamos a ver en las imágenes
  • Se ve el cojinete de empuje donde acopla el accionamiento del embrague
  • Del disco de embrague sale el árbol que lleva el par motor, lo llamamos árbol primario
  • Tiene seis piñones con diferente número de dientes que giran libres sobre el eje
  • A un lado de cada piñón hay una superficie cónica, será donde acoplen los sincronizadores
  • Se ve en los detalles superiores un dentado en el exterior de los piñones, es el dentado de enclavamiento
  • Las diferentes relaciones; hay otro árbol paralelo al primario, que llamaremos árbol secundario, con tantos piñones como el árbol primario, y que sale por la transmisión hasta el diferencial
  • En esta caja de cambios manual los piñones del árbol secundario están acoplados a este y giran conjuntamente
  • En el árbol primario hay también otros elementos, son los desplazables que giran con el árbol por unas estrías, y tienen un asentamiento externo donde acoplan las horquillas, que se mueven por el accionamiento de la inserción de las relaciones del varillaje desde la palanca de cambios
  • Los desplazables tienen en su interior a los sincronizadores, con superficie cónica que asientan al insertar la relación con la superficie cónica del piñón igualando sus velocidades, y también tienen los desplazables un dentado interno de enclavamiento
  • En las tres imágenes superiores se representan estos detalles y los sincronizadores en tres posiciones
  • Punto muerto; los desplazables están separados de los dos piñones.
  • Sincronización de 2ª; el desplazable empuja al sincronizador hacia la izquierda igualando las velocidades con el piñón al friccionar las superficies cónicas
  • Enclavamiento 2ª relación; al seguir moviéndose hacia la izquierda el desplazable, su dentado interno engrana con el externo del piñón quedando insertada la relación
  • Los desplazables representados tienen cada uno dos movimientos longitudinales, lo que permite que puedan insertar cada uno dos relaciones, de esta forma; 1ª y 2ª, 3ª y 4ª, 5ª y R, según el sentido de movimiento de sus respectivas horquillas
  • Los sincronizadores han evolucionado, incluso con más de uno para la inserción de algunas relaciones
  • Lo veremos en otro artículo con el título de “Sincronizadores múltiples”

Relaciones de transmisión

Es el dato de dividir el número de dientes del piñón de salida (secundario) entre el de entrada (primario), lo que indica el valor de la multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad, o a la inversa como puede suceder en la última relación, en este caso la 5ª:

  • Primera 1; el piñón pequeño del primario engrana con el grande del secundario, lo que implica que la salida por este árbol multiplique el par y desmultiplique la velocidad según la relación entre la diferencia de dientes de los piñones del secundario y primario
  • Si el piñón secundario tiene 40 dientes y el del primario 10 la relación es 4, y por este número se multiplica el par y desmultiplica la velocidad que va al diferencial
  • Las demás relaciones hacia adelante de esta caja de cambios; segunda 2 (se ve su inserción en las tres imágenes superiores como se ha comentado), tercera 3, cuarta 4 y quinta 5, se logran aumentado progresivamente el número de dientes de los piñones del árbol primario y disminuyendo los del secundario, las multiplicaciones de par y desmultiplicaciones de velocidad van variando con saltos entre estas
  • Se aprecia como el piñón de cuarta del primario tiene el mismo número de dientes (diámetro) que el del secundario por lo que no hay variación de par ni de velocidad
  • En quinta el piñón del árbol primario tiene más dientes (diámetro) que el del secundario, lo que implica que se desmultiplica el par y multiplica la velocidad, permite que a velocidades de autopista gire el motor a menos RPM
  • La marcha atrás R se obtiene intercalando un piñón adicional entre uno pequeño en el árbol primario con otro grande en el secundario, lo que mantiene la multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad pero girando en sentido contrario el secundario
  • Se observa que en la horquilla para insertar marcha atrás R hay un muelle, aumenta la dureza del movimiento como aviso al conductor para que no inserte esta relación por error
  • Hay diferentes formas de hacerlo, un trinquete, botón…

Además de lo explicado se ven en la imagen otros detalles:

  • Tapones de control de nivel de aceite de la caja de cambios y del diferencial, se suele denominar valvulina por tener más densidad (ºSAE) que el aceite del motor (entre 75 y 90 o más)
  • Tapones de vaciado de valvulina de la caja de cambios y del diferencial
  • Rodamientos, sobre los que giran los diferentes árboles o ejes, están lubricados por la valvulina
  • Engranajes helicoidales; esta forma de dentado de los piñones reduce el ruido de funcionamiento, se implantó sustituyendo a los dientes rectos cuando se incorporaron los sincronizadores
  • Durante un tiempo se mantuvieron los dientes rectos para la marcha atrás, hasta que se sincronizó también esta relación pasando a ser helicoidales, es frecuente actualmente

Descripción de caja de cambios manual; engranajes en dos ejes y diferencial separado

En el diferencial hay otra multiplicación de par y desmultiplicación de velocidad, es por la diferencia entre el número de dientes del piñón de ataque que viene del secundario y la corona con la que engrana, es la relación del diferencial.

El diferencial se lubrica con valvulina y tiene su tapones de nivel – llenado y vaciado.

Caja de cambios manual; engranajes en dos ejes, diferencial separado, motor longitudinal y propulsión

Vemos en la imagen la caja de cambios manual que se ha explicado en un automóvil con motor longitudinal delantero de cuatro cilindros en línea y propulsión o tracción trasera:

  • Se ven estos elementos ya comentados; entrada del árbol primario desde el disco de embrague, engranajes helicoidales de las diferentes relaciones, desplazables con función de sincronizadores, horquillas, rodamientos, salida del árbol secundario, árbol de transmisión y diferencial en el eje trasero (se ve en en el coche)
  • El árbol de transmisión lleva el par motor y velocidad adaptados al diferencial trasero, este mediante los palieres reparte el par y movimiento a las ruedas del eje
  • Se representa la caja de cambios manual en punto puerto y con la posición de cada una de las cinco relaciones hacia a delante y marcha atrás insertadas
  • Las relaciones se acoplan por el arrastre de los desplazables del correspondiente piñón del secundario, accionados por el sistema de mando desde la palanca de cambios

Según el esquema de esta caja de cambios manual, para tener más relaciones habría que añadir más grupos de engranajes, lo que aumentaría su longitud.

Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios manual.

Caja de cambios manual; engranajes en dos ejes, diferencial separado, motor longitudinal y propulsión

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado en dos implantaciones 1

En la anterior implantación, la inicial en el automóvil fabricado en grandes series, se ha visto que desde la caja de cambios manual delante se lleva el par motor adaptado hasta el diferencial en el eje trasero mediante el árbol de transmisión.

Hay otras implantaciones en que se hace de otra forma, vamos a presentar algunas posibilidades:

  • En la imagen inferior vemos una caja de cambios manual con cinco relaciones y marcha atrás en la que el diferencial está en su interior, integrado, en el lado del embrague
  • Desde el disco de embrague el árbol primario llega a la caja de cambios, los piñones de este árbol están engranados con los del árbol secundario, en cuyo extremo delantero está el diferencial, dentro de la caja de cambios manual, y lubricado en común con esta
  • El coche de la imagen de la izquierda tiene esta caja de cambios manual con el diferencial integrado en el lado del embrague
  • La implantación es de motor longitudinal delantero y tracción (delantera)
  • Al estar el motor por delante del eje hay mucho peso en esta zona lo que afecta al comportamiento en curva y reparto de fuerza de frenada, la capacidad motriz es buena en recta
  • Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios manual
  • En el coche de la derecha el motor es longitudinal central, tras el motor está el embrague y la caja de cambios manual con el diferencial integrado en el lado del embrague
  • El reparto de pesos es bueno, algo más detrás que beneficia la motricidad y aporta buen comportamiento en curva
  • Esta implantación limita a dos el número de plazas
  • Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios manual

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado en dos implantaciones 1

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado en dos implantaciones 2

En la caja de cambios manual que vamos a ver el diferencial está también integrado con alguna variación, y las implantaciones son distintas:

  • En la imagen inferior se ve la caja de cambios manual con el diferencial colocado en el lado opuesto al embrague, accionado el diferencial por el piñón de ataque en la salida del árbol secundario
  • En este caso el árbol primario no pasa por el lado del diferencial

Vemos dos implantaciones, una con el diferencial integrado en la caja de cambios manual en el lado del embrague, y otra en el lado puesto, como en la imagen inferior:

  • El coche de la izquierda tiene el motor longitudinal trasero, por detrás del eje, y propulsión (tracción trasera)
  • Se ve la caja de cambios manual con el diferencial integrado en el lado del embrague, como en los dos coches anteriores
  • Esta implantación recarga bastante peso sobre las ruedas traseras, con efectos sobre el comportamiento en curva
  • La motricidad y reparto de fuerza de frenada son buenas en recta
  • Automóvil con esta implantación, esquema 1 y esquema 2 de esta caja de cambios manual
  • El coche de la imagen de la derecha tiene una implantación poco utilizada; motor longitudinal delantero, sigue el árbol de transmisión hasta el embrague situado detrás junto a la caja de cambios manual, que tiene el diferencial integrado en el lado opuesto al embrague, tal como se ve en la imagen de la caja de cambios manual inferior
  • Esta implantación es transaxle y busca un equilibrado reparto de pesos entre los ejes
  • El embrague puede estar junto al motor, antes del árbol de transmisión
  • Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios manual

 

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado en dos implantaciones 2

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado con motor transversal y tracción

Es la implantación más utilizada, es sencilla, menos costosa y ofrece más espacio para ocupantes y equipaje:

  • En la imagen de la caja de cambios se observa que en la salida del árbol secundario por el lado del embrague está el diferencial, integrado en la caja (a un lado) y lubricado por la misma valvulina
  • La implantación técnica, representada en el coche, es de motor transversal delantero a la derecha, a la izquierda del motor está el embrague y la caja de cambios con el diferencial
  • El diferencial está desplazado hacia la izquierda del eje longitudinal del coche, lo que implica que las transmisiones derecha e izquierda sean de diferente longitud
  • El peso está más o menos centrado sobre el eje delantero lo que aporta buena estabilidad
  • Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios

Para reducir el consumo de combustible y emisión de CO2 en automóviles con motor térmico, ha de funcionar el motor a determinadas RPM la mayor parte del tiempo que sea posible circulando, para lograrlo se aumenta el número de relaciones de transmisión, se añade más número de marchas

Para esto hacen falta más grupos de engranajes, lo que incrementa la longitud de la caja, y además en esta implantación transversal no sobra espacio.

Caja de cambios manual con dos ejes y diferencial integrado con motor transversal y tracción

Caja de cambios manual con varios ejes (compacta) y diferencial integrado con motor transversal

Para disponer de más número de relaciones de transmisión, la caja de cambios con dos ejes sería demasiado larga dificultando su implantación en el espacio disponible en el automóvil, más si la posición es transversal.

Por estas razones, más número de marchas sin incrementar su longitud, o reducirla si es posible, se utilizan más de dos árboles con los engranajes necesarios para más relaciones, así se reparten los grupos de piñones.

Vamos a ver estas cajas de cambio con más de dos ejes, que llamaremos compactas, con tres ejes o árboles.

Hay más posibilidades con mayor número de árboles, que no representamos, ya que nuestro objetivo es  que se entiendan los conceptos, que apoyamos con recreaciones didácticas que lo facilitan:

  • En la imagen se ve una caja de cambios con el diferencial integrado, después la veremos en dos implantaciones sobre automóviles con motor transversal, y a continuación dos más con motor longitudinal
  • El árbol primario mueve ocho piñones, que engranan con otros tantos divididos en dos árboles secundarios
  • Se indica en cada grupo de piñones su número de relación o marcha, de 1 a 7 más marcha atrás R con el engranaje intermediario
  • En el árbol secundario del lado derecho hemos incluido las relaciones impares, y en el árbol de la izquierda las pares y R
  • Los desplazables se reparten entre los dos árboles secundarios, lo que permite contar con 7 relaciones más R con menos longitud que en la caja que hemos visto con 5 más R
  • Los desplazables pueden insertar una o más relaciones, así es como se han representado; uno común para 1ª y 3ª, otro común para 2ª y 4ª, otro común para 5ª y 7ª, uno independiente para 6ª y otro para R
  • En la salida de cada árbol secundario hay un piñón más; PS2º/1 y PS2º/2, que engranan con otro a continuación del árbol primario pero que no está acoplado a este, le llamamos piñón de salida de transmisión PST
  • Este piñón de salida de transmisión PST, pasa el giro a otro que mediante dos más lleva el movimiento a un árbol en cuyo extremo está el piñón de ataque que engrana con la corona del diferencial
  • Esquema de esta caja de cambios

Al estar los árboles en diferentes posiciones con respecto al primario que viene del motor, puede ser necesario incluir guías para el adecuado reparto de la lubricación, e incluso incorporar una bomba para que la valvulina llegue a todas las zonas que requieren engrase, se representa la bomba más adelante.

Con más número de relaciones en la caja de cambios manual, es necesaria mucha atención y actuaciones del conductor para ir pasando de una a otra relación, además de saber en cada circunstancia cuál es la relación más conveniente, por esto las cajas manuales de automóviles no tienen más de 6 relaciones, 7 en algunos modelos deportivos.

Con cajas de cambios en las que el paso de relaciones no lo ha de hacer el conductor con la palanca en automático “D”, el número de relaciones aumenta, llegando de momento a 10, por no hablar de la transmisión de variación continua CVT que tiene infinitas relaciones, al menos en teoría.

En este enlace tienes información de los tipos de caja de cambios.

Hay un sistema que permite disponer de más número de relaciones de la caja de cambios manual partiendo de las que ya tiene, se implantó hace años cuando lo habitual era contar con tres o cuatro marchas, es el overdrive.

Se dejó de utilizar al aumentar el número de relaciones de caja de cambios.

En este enlace también se explica el concepto de “directa”, además de ser una relación 1 se produce una conexión directa entre los árboles de entrada, primario y salida, secundario, de aquí la denominación de directa (hay un árbol intermediario), y permite prescindir de dos piñones, menos longitud de la caja.

En caja de cambios automática se ha utilizado también el “overdrive” (OD), pero es muy diferente a la caja manual, pues lo que hace es controlar el paso de la última relación, se menciona en el enlace anterior.

Caja de cambios manual con varios ejes (compacta) y diferencial integrado con motor transversal

Caja de cambios manual compacta con diferencial integrado y motor transversal en dos implantaciones

Se representan dos coches con motor transversal y caja de cambios compacta con el diferencial integrado en distintas implantaciones:

  • Motor transversal delantero y tracción; es la implantación más utilizada con diferencia, ya lo hemos comentado
  • Con la caja compacta en esta disposición se puede contar con más número de relaciones, siete en este coche aunque lo más frecuente en caja manual es que sean seis, con menor longitud para adaptarse al espacio disponible
  • Motor transversal central y propulsión; esta implantación del conjunto motor y caja de cambios con el diferencial detrás de las únicas dos plazas es para automóviles deportivos, o en los que la limitación de ocupantes no supone inconvenientes
  • Es una implantación similar en cuanto a los resultados que la vista de motor longitudinal central y propulsión
  • Con el motor transversal en marcas con amplia gama de modelos, se puede utilizar el conjunto motopropulsor (motor, embrague, caja y diferencial) que está habitualmente delante para colocarlo central lo que simplifica algo el diseño y los costes en coches con escasa difusión
  • Automóvil con esta implantación y esquema de la caja de cambios

Caja de cambios manual compacta con diferencial integrado y motor transversal en dos implantaciones

Caja de cambios manual compacta con motor longitudinal y 4×4; diferencial central y delantero integrados

En posición longitudinal también aporta ventajas contar con cajas de cambio compactas, más si son motrices las ruedas delanteras o las cuatro, pues el diferencial delantero estará en la caja, y si esta es más corta se puede colocar adelantado el conjunto motor, embrague y caja de cambios para reducir el voladizo del motor por delante del eje.

Lo vemos en esta caja de cambios y después en dos implantaciones:

  • La caja de cambios compacta tiene un árbol primario y dos secundarios, como ya hemos visto
  • Los piñones de salida de los dos árboles secundarios PS1º/1 y PS2º/2 engranan con otro de salida de transmisión PST, en el eje del árbol primario pero separado de este
  • El piñón de salida de transmisión PST pasa el giro a otro que está unido al piñón de ataque del diferencial central (en este caso)
  • El diferencial central pasa el giro a los ejes delantero y trasero, como se explica a continuación
  • Al eje delantero lo hace por un árbol que parte de su planetario delantero y llega al diferencial delantero, también integrado en la caja de cambios
  • Del otro planetario del diferencial central, planetario trasero, sale un eje que mediante dos engranajes de igual número de dientes pasa el giro a otro eje que continua por el árbol de transmisión al diferencial trasero
  • Se aprecia que el eje delantero está próximo al embrague, disminuyendo el voladizo del motor por delante, como se comentó
  • Vemos en la imagen una posible bomba para asegurar que la valvulina se distribuye correctamente por todas las zonas que requieren ser engrasadas

Esta caja de cambios se utiliza tanto con 4×4 como con tracción (delantera) exclusivamente, vemos las dos implantaciones a continuación.

Caja de cambios manual compacta con motor longitudinal y 4x4; diferenciales central y delantero integrados

Implantación de caja de cambios manual compacta y motor longitudinal con tracción o 4×4

  • Motor longitudinal delantero por delante del eje y tracción (delantera); se aprecia lo que se ha reducido el peso sobre el eje motriz delantero, pues el diferencial integrado en la caja está situado más adelantado, casi en la línea del embrague, logrando reducir el peso que gravita por delante del eje
  • Con la caja compacta es menor su longitud. Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios
  • Motor longitudinal delantero por delante del eje y 4×4 permanente; esta caja es como la que se ha explicado en la anterior diapositiva
  • Se incluye un diferencial central dentro de la caja que reparte el par a los dos ejes, al trasero mediante un árbol de transmisión (el diferencial delantero está también como el central dentro de la caja de cambios)
  • Es permanente el 4×4 por el diferencial central que mantiene par en los dos ejes en todas las situaciones de circulación, lo que favorece la estabilidad y comportamiento motriz, pero aumenta el consumo de combustible cuando la adherencia es buena y no se necesita que las cuatro ruedas sean motrices
  • Automóvil con esta implantación y esquema de esta caja de cambios

Si te interesa la relación del consumo y 4×4 lo puedes ver en este artículo del blog , y si quieres más información sobre 4×4 en estos dos; 4×4 parte 1 y 4×4 parte 2.

Lo que hemos explicado es la situación de la caja de cambios manual en la actualidad, que está tendiendo a ser sustituida por otros tipos en los que el conductor no ha de hacer los cambios de marcha, y no hay pedal de embrague.

Entre esta tendencia y la eliminación más o menos progresiva del motor térmico, que llevará a sistemas de propulsión que no precisan de caja de cambios, vemos en la transición el aumento de automóviles híbridos en los que no hay caja de cambios o no es controlada por el conductor.

Implantación de caja de cambios manual compacta y motor longitudinal con tracción o 4x4

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