Cajas de cambio. Tipos y funcionamiento.

Gearboxes. Types of gearboxes. PDF english version —> click here

La caja de cambios es un elemento mecánico que transforma el par motor y las revoluciones desarrolladas por el motor para adaptar  la fuerza a las condiciones de conducción sobre el terreno.

La caja de cambios no actúa sobre la potencia del motor, está permanece invariable, lo que si hace es actuar sobre el par motor, aumentando o reduciendo el mismo según las condiciones de terreno.

Las revoluciones y la potencia que en sí desarrolla un motor no pueden ser atendidas por el mismo motor en sí. En diferentes situaciones es imprescindible la actuación de la caja de cambios para aumentar o disminuir el par desarrollado por el motor. Esta situación se ve expresada en la siguiente ecuación.

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

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. Es por esto que cuando aumenta la fuerza resistente, la caja de cambios aumenta el par sin necesidad que el motor aumente su potencia de forma exagerada.

En el siguiente link, observamos gráficamente el funcionamiento de una caja de cambios manual (también válido para manual pilotada en cuanto a mecanismo).

En este otro enlace observamos el funcionamiento en modo animación de una caja de cambios. En este caso pertenece a una caja de cambios para propulsión trasera o de toma constánte.

Tipos de cajas de cambio:

-          Manuales: necesitan la intervención del conductor en todo momento para cambiar de marcha. El conductor controla todos los elementos; embrague y caja de cambios.

-          Automáticas: No precisan de la intervención del conductor, salvo en un primer momento inicial para seleccionar si desea ir hacia delante o hacia detrás. Los vehículos con caja de cambios automática no poseen embrague convencional, sino que poseen convertidor de par; símil del embrague en las cajas de cambio manuales. En las cajas de cambio CVT (continua variable) no se dispone ni de embrague ni de convertidor de par. La caja de cambios CVT posee en su interior dos embragues multidisco bañados en aceite dentro de la caja de cambios, uno para su funcionamiento en marcha normal y otro para la marcha  atrás

-          Manuales pilotadas: estas se confunden con las automáticas. Son cajas de cambio que funcionan como una manual, pero el embrague y el cambio de marchas es realizado por elementos actuadores que cambian de marcha. Estas cajas de cambio tienen un modo manual en el cual el conductor puede actuar sobre el cambio accionando unas levas en el volante o con un toque hacia arriba o hacia abajo en la palanca de cambios. Además estas cajas de cambio poseen un modo automático en el cual el conductor no tiene que intervenir en absolutamente nada. El sistema de transmisión, mediante sus actuadores, acciona el embrague y la transmisión de forma totalmente automática.

La diferencia entre manual y automática es por la construcción interna de la caja de cambios, que como veremos es totalmente diferente. En cambio una manual pilotada es por dentro exactamente igual que una manual, pero accionada automáticamente por sus actuadores.

Actualmente, tanto en vehículos industriales como en turismo, la tendencia está a montar cajas de cambio manual pilotada cuando el comprador desea un cambio “automático”, esto es debido a que con la gestión electrónica del cambio y tener características de una caja manual se reduce mucho el consumo y se optimiza la conducción.

Cajas de cambio manuales.

Cajas de cambio de toma directa (2 ejes):

Son las utilizadas en vehículos de tracción delantera. Su construcción es simple y compacta, ya que tienen que compartir espacio con el motor en la parte delantera del vehículo además de alojar el grupo diferencial en su interior.

Estas cajas de cambio poseen dos ejes, uno por el cual llega la transmisión del motor, también llamado primario y el secundario, por el cual, a través de los piñoes seleccionados se transmite la fuerza hacia el grupo cónico diferencial, que a su vez, mediante los palieres lanza la transmisión mecánica de giro a las ruedas.

El eje primario puede ser fijo o no, al igual que el secundario que puede ser fijo o no. Hay cajas de cambio que va mitad y mitad, todo depende de la arquitectura adoptada y del diseño del fabricante. No obstante, eso no es determinante para el rendimiento, ya que funcionan todas exactamente igual.

En el dibujo de la parte superior vemos como llega la transmisión del motor al eje primario, se transmite al secundario a través de los piñoes de la marcha engranada y de éste al diferencial para trasmitir la fuerza mecánica de giro a las ruedas.

Cajas de cambio de toma constante (3 ejes):

Estas cajas de cambio están diseñadas para vehículos de propulsión trasera y poseen 3 ejes, aunque visualmente parece que tengan solamente dos. Se reconocen fácilmente ya que poseen un tamaño muy alargado y voluminoso y se sitúan en la parte central del vehículo, sobre su eje longitudinal. El motor adopta de este modo una configuración longitudinal.

Estas cajas de cambio también se conocen con el nombre de cajas de cambio de toma constante, ya que posee dos piñones que permanecen siempre engranados, los cuales transmiten la fuerza al eje intermediario (que suele ser fijo) y a través de los sincronizadores, situados en el tercer eje, se engrana la marcha. La fuerza mecánica resultante abandona la caja de cambios por su parte posterior hacia el grupo diferencial, situado en el eje trasero del vehículo.

En la imágen de la parte superior observamos representada una caja de cambios de toma constante. Podemos ver como el primario (color verde) está engranado continuamente con el rojo (eje intermedio). Los sinctonizadores situados en eltercer eje engranan el piñón correspondiente con el eje intermediario y a través del eje terciario (amarillo) transmitimos el movimiento al grupo cónico diferencial.

Esta caja de cambios es de 6 velocidades. La 6 velocidad se engrana mediante un sincronizador (no representado) que une directamente el primario con el terciario (sin pasar por el intermediario) transmitiendo íntegramente las revoluciones del motor al eje terciario y por tanto, al grupo diferencial.

En la representación gráfica de la parte superior observamos una caja de cambios de toma constante de 4 velocidades. La cuarta velocidad es engranada mediante el sincronizador más cercano al embrague que une el eje 1 y 3 de forma directa.

Cajas de cambio automáticas.

En el cambio manual las marchas se engranan intercalando un juego de piñones pero en un cambio automático esto se consigue de forma totalmente diferente;  con un juego de planetarios.

Un engranaje planetario consta de tres elementos básicamente: un engranaje planeta en la parte interior, los satélites (3) que giran alrededor del planeta y una corona alrededor de los satélites. Con un solo juego de planetarios logramos hasta 4 velocidades, 3 hacia delante y 1 hacia atrás.

En la relación más corta la potencia del motor entra por el planeta y de ahí sale por los satélites.

En la relación intermedia el planeta no gira y el par se obtiene por la corona entrando la potencia por el satélite.

En la relación más larga la potencia del motor entra por la corona, y a través de los satélites la potencia sale por el planeta.

En la marcha atrás la potencia entra por el planeta, el porta-satélite se bloquea (pero los satélites no, actuando de piñón intermedio) y la corona entonces gira al revés invirtiendo el giro.

Las cajas de cambio automáticas no constan de un solo juego de planetarios, ya que solo lograríamos 3 velocidades y con relaciones muy largas si queremos obtener las prestaciones normales de un turismo que posee 5 o 6 velocidades. Las cajas de cambio automáticas poseen 2 ó 3 (o incluso más en las más sofisticadas) juegos de planetarios, con diferentes relaciones entre uno y otro, que intercalándolos se consiguen cambios automáticos de 6 ó más velocidades.

Este tipo de caja de cambios fue las que primero se montaban en los vehículos turismos de propulsión trasera (antes de que saliesen al mercado las cajas pilotadas de doble embrague) y se siguen montando en grandes berlinas y turismos de alta gama de propulsión trasera enfocados al confort. Las cajas de cambio que utilizan hoy y día estos turismos poseen hasta 8 velocidades.

Para conseguir intercalar en estas cajas de cambio los diferentes conjuntos planetarios, la caja posee en su interior una serie de frenos y embragues que ayuda a frenar o a obligar a girar loco a los diferentes conjuntos para lograr la relación deseada. En los siguientes videos podemos hacernos una idea del funcionamiento de estas cajas de cambio y su construcción interna.

-          Caja de cambios Continua Variable CVT.

Estas cajas de cambio son completamente diferentes a las cajas de cambio automáticas mediante planetarios a pesar de ser automáticas. Estas cajas de cambio están enfocadas para montarse en vehículos automáticos de tracción delantera, donde el espacio es muy reducido.

Estas cajas de cambio han experimentado un gran auge y una gran evolución gracias a que son utilizadas actualmente en los vehículos híbridos de tracción delantera.

Por fuera la caja de cambios CVT es muy similar a una caja de cambios manual y está ubicada en el mismo sitio, pero hay notables diferencias.

Para empezar este cambio no lleva convertidor de par, la potencia del motor pasa directamente al eje primario que la transmite a un solo planetario, de aquí salen solo dos marchas para adelante y para atrás. También posee solo dos embragues hidráulicos, uno para la marcha adelante y otro para la marcha atrás.

El secundario del  planetario y los embragues hacen mover una polea especial la cual porta una correa de acero que mueve otra polea. En función del número de las r.p.m. los diámetros de estas poleas van variando consiguiendo infinitas relaciones de transmisión (hasta un tope lógicamente). En la marcha atrás el sistema emplea una transmisión fija.

En el siguiente video podemos ver como funciona una caja de cambios CVT de forma gráfica.

-          El convertidor de par.

Para más información sobre el convertidor de par accede desde este enlace hacia el post dedicado exclusivamente a él.

Caja de cambio automática. Funcionamiento.

Funcionamiento de la caja de cambios ZF.

Animacines de una caja de cambios automática

Cajas de cambio Manual Pilotada.

La característica principal de estas cajas de cambio es que incorporan un doble eje secundario para ganar rapidez en el cambio y que se haga de forma prácticamente instantánea. Las que no poseen doble eje secundario poseen un doble embrague que sincroniza un doble eje primario (dividido en su interior) que aparentemente es un solo eje primario. En el caso del doble embrague el eje secundario es fijo. En las cajas de cambio de doble secundario el primario es el tren fijo.

En este tipo de cambios lo que ocurre es que se engranan dos marchas a la vez, una par, otra impar y viceversa, haciendo que una transmita el movimiento al grupo y la otra permanece en espera para ser engranada por el otro embrague, haciendo que el cambio sea realmente rápido y suave.

En función de nuestra conducción el cambio va sincronizando las marchas para alcanzar mayor velocidad (aceleración) o bien para reducir marchas (deceleración, pedal del acelerador totalmente levantado).

-          Cambio PDK de Porche:

Este cambio es especialmente llamativo por su construcción, la caja de cambios parece de 3 ejes, pero en su interior se encuentra una caja de dos ejes con doble embrague que logra unos resultados fantásticos en cuanto a respuesta del cambio. El diseño es así ya que en la mayoría de los vehículos porche el motor está ubicado en la parte posterior así como la caja de cambios y la propulsión es trasera.

Aquí encontramos físicamente la caja de cambios PDK de Porche. Estos vehículos incorporan el motor en la parte trasera, con propulsión trasera, es por eso que el grupo va instalado en la misma caja de cambios, en la parte delantera de la misma para proporcionar tracción a las ruedas traseras.

En esta imágen observamos con el eje primario queda dividido en dos secciones (roja y verde) correspondiente a marchas pares e impares. En el eje primario se engranan consecutivamente dos marchas, una par y otra impar (la que está engranada con la que próximamente engranará) intercambiando en el momento del cambio sólamente los embragues y obteniendo el resultado en centésimas de segundo, con suavidad y continuidad asegurada.

-          Cambio DSG del grupo VAG.

Esta caja de cambios es similar a la Powershift de Ford con doble embrague. Uno de los secundarios posee las marchas pares y el otro las marchas impares con los sincronizadores comandados por válvulas electrohidráulicas situados en los secundarios. Ambos secundarios poseen un piñón de ataque que va a parar a la corona, es como una caja de cambios de dos ejes, pero con el doble de componentes.

Como podemos apreciar en la imágen superior, los dos secundarios quedan conectados a la corona, pero solo mediante los embragues dejamos actuar a uno u otro (marcha par o impar) manteniendo dos marchas engranadas pero solo actúa una. Este cambio es de diseño compacto, como ya se ha dicho antes, para vehículos de tracción delantera. El diseño como el PDK de porche se aplica para vehículos de propulsión trasera.

En el siguiente video podemos apreciar de forma rápida el diseño y cosntrucción de una caja de cambios DSG.

-          Cambio TCT del grupo Fiat.

Este cambio es similar al PDK de porche, con doble embrague, pero con un diseño similar a la caja de cambio DSG. En este caso posee el primario dividido en dos y los ejes secundarios no son fijos. Es un diseño alternativo con un sistema alternativo para incorporar un cambio de doble embrague a vehículos de tracción delantera con un embrague a cada lado del volante motor. Este sistema permite ahorrar espacio ya que la caja de cambios no es tan larga como las otras.

En el siguiente vídeo podemos observar visualmente como funciona esta caja de cambios.

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9 Respuestas a “Cajas de cambio. Tipos y funcionamiento.

  1. leodan angulo vigo 15/05/2013 en 01:13

    execelente manual estupendo…

  2. Alejandro 12/09/2013 en 01:16

    Muy buen post la verdad me agrado mucho.
    Mira tengo un 128 tengo el problema que se siente que el motor genera grandes rmp si lo acelero pero no llega velocidad a las rudas (no lo que debería) no llega ni a 60 en 4ta. En donde esta el problema (de todas formas lo desarme y cambie crapodina y embrague que estaban destruidos) en caso de que el problema no este en el embrague ¿Donde puede estar? si revise la caja de cambios y esta todo en condiciones al igual que el diferencial.

    • electromecanicafacil 12/09/2013 en 15:37

      Si la caja de cambios está en condiciones lo más probable es que patinase el embrague.

      Gracias por comentar.

      Saludos.

  3. nelson 25/09/2013 en 17:15

    tengo una caja m78 automatica de 6 velocidades dual y se neutaliza, por cual caja la puedo cambiar carro ssanyong

    • electromecanicafacil 05/10/2013 en 14:58

      No tengo conocimientos sobre las compatibilidades de ese fabricante. Debes consultar con ellos directamente. Gracias.

  4. shorty 11/10/2013 en 17:38

    muy buen blog!!
    ahora.. tengo un problema con una caja automatica de una pontiac trans sport 95 los cambios no responden adecuadamente al acelerar….. saludos

  5. Uziel 04/03/2014 en 09:11

    La caja de velocidades que tiene la camioneta es que en primera no desarrolla más de 5 K/h me dicen que es una caja para carga o de alta para que desarrolle más velocidad que puedo hacer es una ford f100del 69 con motor 302

  6. diego bombelli 21/04/2014 en 00:45

    hola tengo una peugeot partner 1.4 nafta modelo 2014 y quiero saber si se puede cambiar algun engranaje de relacion en la 5° marcha para que viaje mas alivianada o sea con menos vueltas en 5° ya que a 120 km el motor va a 4100 rpm…

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