1.17.2. Caja de cambios y transmisión

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En el módulo anterior se ha explicado que la función de la caja de cambios es adaptar el par motor a las diferentes situaciones y condiciones de circulación, y se anticipó cómo se logra transformar el par motor.

También se presentaron los cuatro tipos de caja de cambios que se irán viendo en los siguientes módulos.

Vamos a exponer en este módulo como está diseñada la caja de cambios manual para obtener diferentes relaciones de multiplicación del par y desmultiplicación de la velocidad, y también el sistema de accionamiento desde la palanca de cambios para insertar las diferentes relaciones.

Se explica el sistema original de piñones desplazables que fue sustituido hace tiempo por los piñones en toma constante y sincronizadores que se ven en el módulo 2.17.1, anticipando otro sistema de acoplamiento de las relaciones utilizado en competición.

Multiplicación y desmultiplicación; par y velocidad

Las diferentes relaciones

El automóvil utilizado para las explicaciones tiene implantación de motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera):

  • Se representa como se transforma el par motor; un piñón de pequeño diámetro que viene del motor engrana con otro de mayor diámetro que se dirige a las ruedas motrices, la diferencia de diámetros entre los piñones determina la multiplicación del par motor que reciben las ruedas motrices, y en la misma proporción la desmultiplicación de velocidad
  • Si la diferencia de diámetros entre los piñones es de 4, el par se multiplica por este valor y la velocidad del automóvil se divide entre el mismo valor
  • Se amplía la caja de cambios observando que los piñones de las diferentes relaciones que vienen del motor (rojos) y que van a las ruedas motrices (azules), están separados, no engranados
  • Es una caja de cambios de 5 relaciones hacia adelante y se identifican los piñones de cada una de estas relaciones, se aprecia la variación de diámetro de los respectivos piñones para obtener distintas multiplicaciones/desmultiplicaciones, y también que no están engranados
  • Para la marcha atrás se intercala un piñón intermediario entre el del motor y el de las ruedas motrices, que invierte el sentido de giro como se aprecia en la animación
  • Aparece el embrague y el sistema de accionamiento para insertar las relaciones desde la palanca de cambios. Los piñones de 1ª – 2ª, 3ª – 4ª y 5ª – MA (marcha atrás), están agrupados de dos en dos para simplificar el sistema de accionamiento, como veremos
  • Para insertar las relaciones se ha de pisar el embrague
  • Se insertan las cinco relaciones hacia adelante; desde la palanca un sistema de accionamiento incide en los grupos de piñones desplazables pudiendo insertar dos relaciones con movimientos longitudinales de la palanca, se pasa después a otro pasillo longitudinal paralelo por el recorrido trasversal de la palanca para acceder a otras dos relaciones
  • El recorrido transversal de la palanca es el punto muerto, no hay ninguna relación insertada
  • Para la marcha atrás se incorpora algún sistema de seguridad que evite insertarla por error circulando hacia adelante, en este caso se ha incluido un muelle que hay que vencer para acceder a la marcha atrás
  • Se observa que los desplazamientos de la palanca de cambios se hacen en forma de “H”, por lo que se identifica como caja de cambios manual en “H”
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Este sistema de piñones desplazables que han de engranar para insertar las relaciones implica dificultades de utilización requiriendo habilidades al conductor, pero permite ir entendiendo el funcionamiento de la caja de cambios manual hasta llegar a las tecnologías actuales.

Piñones desplazables

Sistema de accionamiento

El automóvil que se ve al inicio tiene motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera):

  • Detalle del cárter de la caja de cambios
  • Árbol o eje del motor desde el embrague
  • Árbol o eje de la caja de cambios al diferencial y ruedas motrices
  • Piñones del árbol de diferencial – ruedas
  • Grupos de piñones del árbol motor – embrague, agrupados de dos en dos
  • Identificación de las relaciones; 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª y MA, ésta con su piñón intermediario entre el de motor y ruedas
  • Se ve el muelle de seguridad para la marcha atrás
  • Sistema de accionamiento:
    • En cada grupo de dos piñones acopla una horquilla, hay tres
    • Las horquillas tienen por el lado opuesto a su acoplamiento en los piñones desplazables otro acoplamiento para el sistema de accionamiento para seleccionar el carril de cada horquilla transversalmente, es el punto muerto, en una animación después en perspectiva se aprecia con más detalle
    • Los sistemas de mando desde la palanca de cambios para insertar las relaciones se ven en el módulo 2.17.2
    • Se insertan las cinco relaciones y la marcha atrás
  • Se aprecia que en la 5ª relación tiene más diámetro el piñón motor – embrague que el de diferencial – ruedas motrices, lo que implica que en esta marcha se desmultiplica el par motor y se multiplica la velocidad
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Cuanto más se multiplique el par más “corta” es la relación de esa marcha (menos velocidad) y a la inversa (más velocidad).

Se considera la 1ª como la marcha más corta y la última, en este caso la 5ª, como las más “larga”.

Lubricación de la caja de cambios

Es necesario lubricar los piñones de la caja de cambios para evitar desgastes y ruidos, este el sistema más utilizado.

  • Cada árbol o eje asienta en el cárter de la caja de cambios mediante rodamientos
  • Hay un canal para el llenado del aceite y otro para el vaciado, se cierra este último con el correspondiente tornillo
  • Se llena de aceite la caja de cambios por el canal de entrada hasta que llega el aceite al nivel de rebose y después se tapa con su tornillo o tapón
  • La lubricación de la caja de cambios es por barboteo; al girar los piñones el dentado de estos actúa como turbinas repartiendo el aceite por su interior
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El mantenimiento de la caja de cambios manual consiste en comprobar el nivel periódicamente y cambiar el aceite cada determinado número de kilómetros recorridos (entre 60.000 y 80.000).

Esta operación de sustitución del aceite de caja de cambios no se incluye a veces en el programa de mantenimiento de las marcas de automóviles para reducir su coste.

Es aconsejable esta operación para prolongar la duración de la caja de cambios.

Lubricación de la caja de cambios y del diferencial

Seguimos con la lubricación la caja de cambios añadiendo otro elemento de la transmisión, el diferencial.

En este automóvil el motor es longitudinal delantero con el embrague y la caja de cambios a continuación, el diferencial está en el eje trasero motriz tras el árbol de transmisión y por lo tanto separado de la caja de cambios:

  • Se resalta la ubicación de la caja de cambios y del diferencial
  • A continuación, se amplía en detalle la caja de cambios y el diferencial
  • Se llena de aceite la caja de cambios y después se hace en el diferencial; la lubricación es independiente para ambos elementos de la transmisión
  • El aceite para la caja de cambios manual y diferencial suele tener una viscosidad SAE entre 75 y 90 (puede llegar a 140), hay multigrados que satisfacen varias opciones, 75W 90 es una de estas
  • La calidad depende del dentado de los engranajes y en el diferencial si es autoblocante
  • Se identifica la calidad mediante la normativa API GL, desde 1 en adelante aumentando la calidad
  • Puede tener también otras especificaciones
  • En la caja de cambios de cinco velocidades más marcha atrás representada, los piñones de las diferentes relaciones están engranados, toma constante, pero giran libres sobre el árbol o eje, se acoplan a este por los sincronizadores (módulo 2.17.1)
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Hay diferentes ubicaciones de la caja de cambios y del o los diferenciales, automóviles 4×4, estos aspectos y algunos más se explican a continuación.

Resumen de este módulo

Se propone repasar algunos aspectos del funcionamiento de la caja de cambios manual y ver algunas implantaciones de los componentes de transmisión relacionados.

Inserción de las relaciones

El automóvil tiene motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera):

  • Se ve el cárter de la caja de cambios manual, con los pedales de acelerador, freno y embrague además del volante
  • Árbol o eje que viene del motor pasando por el embrague
  • El árbol que va a las ruedas motrices pasando por el diferencial
  • Piñones desplazables en grupos de dos, sobre el árbol motor – embrague en este ejemplo
  • Piñones del árbol o eje de diferencial – ruedas
  • Están separados los piñones de cada relación, son piñones desplazables
  • Piñón de marcha atrás entre los del motor y ruedas motrices
  • Sistema de accionamiento; son unas horquillas que encajan en los conjuntos desplazables de los grupos de dos piñones
  • Por la parte superior tienen las horquillas una hendidura …
  • … en la que encaja la palanca de cambios o el receptor del sistema de mando que viene de la palanca
  • Se insertan las cinco relaciones hacia adelante, pisando el embrague en cada cambio.
  • Al introducir la marcha atrás se observa el punto duro que provoca el muelle como información
  • Los piñones, al cambiar de relación han de engranar y están girando a velocidades diferentes, lo que exige extrema precisión en las secuencias de cambio de relación por el conductor para evitar que los dentados de los piñones rasquen
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Para facilitar los cambios de relación y hacer el automóvil más fácil de conducir, se han incorporado tecnologías que permiten el acoplamiento de los piñones de forma progresiva sin exigir habilidades especiales a los conductores, se irán viendo en los siguientes módulos sobre este tema.

Piñones desplazables

Este automóvil tiene motor delantero longitudinal de 4 cilindros en línea y propulsión (tracción trasera).

Se ve a continuación del motor el embrague, la caja de cambios, el árbol de transmisión y el diferencial:

  • Esta caja de cambios tiene 3 velocidades y marcha atrás
  • Se resalta la caja de cambios y el diferencial ampliándose después
  • La lubricación de la caja de cambios y del diferencial son independientes
  • Los piñones representados de esta caja de cambios son desplazables
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Se aprecia como la palanca de cambios incide directamente sobre la caja.

Piñones en toma constante con dentado de inserción lateral

La implantación de este coche de competición es de motor central longitudinal de 8 cilindros en V, seguido del embrague y a continuación la caja de cambios con el diferencial integrado:

  • La caja de cambios cuenta con 5 relaciones más marcha atrás
  • Se amplía la imagen de la caja de cambios resaltando el diferencial integrado
  • La lubricación es conjunta para la caja de cambios y el diferencial
  • Los piñones de cada relación están engranados entre sí (toma constante), pero los del árbol del motor giran libres sobre este
  • Cada piñón de selección de marcha tiene un dentado lateral que engrana con el del desplazable, también dentado, al insertar la relación, como se ve en el detalle
  • Se requiere habilidad y pericia para evitar rasquidos con la que cuenta el piloto, pues es un sistema utilizado en competición por la rapidez de cambios de marcha que permite
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La palanca de cambios conecta con la caja mediante un sistema de mando que  transmite los movimientos en “H”.

Piñones en toma constante con sincronizadores

En este caso la implantación es de motor transversal delantero de 4 cilindros en línea y tracción (delantera).

Se ve al lado derecho (según el punto de vista del conductor) el embrague y algo por debajo del motor y a un lado la caja de cambios con el diferencial:

  • La caja de cambios es de 4 relaciones más marcha atrás
  • La caja de cambios contiene el diferencial y está integrada en el motor
  • La lubricación es conjunta para el motor, caja de cambios y diferencial
  • Los piñones están en toma constante y disponen de sincronizadores que facilitan la inserción de las relaciones, se explica en siguientes módulos
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La palanca de cambios transmite los movimientos en “H” a la caja por el sistema de mando.

La lubricación conjunta del motor y caja de cambios/diferencial ha de satisfacer necesidades de engrase que no son comunes, se busca la elección del aceite más adecuada para satisfacer el compromiso de engrase del motor y caja de cambios/diferencial.

Este sistema de lubricación se ha utilizado en varios automóviles, incluso deportivos de muy altas prestaciones como el Lamborghini Miura, se puede ver en este enlace Lamborgini Miura P400.

Caja de transferencia y diferenciales (4×4)

Este automóvil es un todoterreno y tiene el motor de 4 cilindros en línea longitudinal delantero, seguido del embrague y la caja de cambios, a continuación la caja de transferencia tiene dos árboles de transmisión, uno para el eje delantero y otro para el trasero que terminan en los respectivos diferenciales:

  • Tiene la caja de cambios 5 relaciones más marcha atrás
  • La caja de transferencia tiene estas posiciones; 2. Son motrices las ruedas traseras solamente. 4. Son motrices las cuatro ruedas. N (neutro). No sale movimiento a los árboles de transmisión. L (“low”). Es la reductora, permite una multiplicación adicional del par motor para desplazamientos fuera de carretera
  • Se explican estos temas de 4×4 en el módulo 2.22.1
  • Se ven en detalle ampliado la caja de cambios, la caja de trasferencia y los diferenciales de los ejes
  • Lubricación; caja de cambios, caja de transferencia, diferencial delantero y diferencial trasero independientes
  • Los piñones de la caja de cambios son en toma constante con sincronizadores, se verá en otros módulos
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Las palancas de cambios y de trasferencia acoplan directamente sobre sus respectivas cajas.

Las implantaciones 4×4 tienen características particulares relacionadas con la transmisión y se explican en los módulos indicados.

Diferencial delantero y diferencial trasero (4×4)

Este automóvil tiene el motor transversal delantero seguido del embrague y la caja de cambios con el diferencial en su interior.

Desde el diferencial delantero parte un árbol de transmisión hacia el diferencial trasero pues es un automóvil 4×4:

  • Se amplía la imagen de la caja de cambios resaltando el diferencial delantero integrado y también se resalta el diferencial trasero
  • La lubricación es conjunta para la caja de cambios y el diferencial delantero
  • El diferencial trasero tiene lubricación independiente
  • La transmisión 4×4 tiene un sistema de acoplamiento automático del eje trasero cuando deslizan las ruedas delanteras
  • Como se ha comentado se explican estos detalles de 4×4 en siguientes módulos (1.22.1 y 2.22.1)
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Desde la palanca de cambios se trasmiten los movimientos en “H” a la caja por el sistema de mando.

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