CAJA DE CAMBIOS

En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (también llamada simplemente caja) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al avance, fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso.


Constitución de la caja de cambios





La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles.
Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente lleva un único piñón conductor en las cajas longitudinales para tracción trasera o delantera. En las transversales lleva varios piñones conductores. Gira en el mismo sentido que el motor.
Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contraeje. Consta de un piñón corona conducido que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) y que son solidarios al eje que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.Gira en el sentido opuesto al motor.

En las cajas transversales este eje no existe.
Árbol secundario. Consta de varios engranajes conducidos que están montados sueltos en el árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de desplazables. Gira en el mismo sentido que el motor(cambios longitudinales), y en sentido inverso en las cajas transversales. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje.

La posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas desde la palanca de cambios y determina qué pareja de piñones engranan entre el secundario y el intermediario. , o entre primario y secundario según sea cambio longitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial. Esto es lo que ocurre en las cajas manuales actuales. Las ruedas dentadas están fijas en el eje y montadas sobre un cojinete, de manera que pueden moverse a distinta velocidad que él. Estas ruedas están engranadas permanentemente con las del eje intermedio, y cuando se cambia de marcha uno de los desplazables hace solidario el movimiento de la rueda con el del eje, produciéndose lo que se denomina sincronización. Por esta razón, el eje secundario lleva un estriado entre cada pareja de ruedas.

En las cajas transversales, la reducción o desmultiplicación final eje secundario/corona del diferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentido que el motor.

Eje de marcha atrás . Lleva un piñón que se interpone entre los árboles intermediario y secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal) para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. En el engranaje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal, más sencillo de fabricar. Asimismo, cuando el piñón se interpone, cierra dos contactos eléctricos de un conmutador que permite lucir la luz o luces de marcha atrás, y al soltarlo, vuelve a abrir dichos contactos.


Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axiales, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris,(ya en desuso) aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase.

En varios vehículos como algunos camiones, vehículos agrícolas o automóviles todoterreno, se dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación.

La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas:
 
Por barboteo.
Mixto.
A presión.
A presión total.
Por cárter seco.

Clasificación de las cajas de cambio
 
Manuales, mecánicas o sincrónicas

Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementos estructurales (y funcionales), rodamientos, etc. de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio, la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado.

Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes, sincronizadores, o selectores están lubricados mediante baño de aceite (específico para engranajes) en el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la estanqueidad.

Los acoplamientos en el interior se realizan mediante mecanismos compuestos de balancines y ejes guiados por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de la caja -y que debería accionar un eventual conductor- se realizan mediante cables flexibles no alargables o varillas rígidas.

Las distintas velocidades de que consta la caja están sincronizadas. Esto quiere decir que disponen de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos ejes de que consta la caja durante el cambio de una a otra.

La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague.

Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizada de doble embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen y la caja de cambios automática de doble embrague en seco DDCT -en inglés Dual Dry Cluth Transmision- de Fiat Group Automobiles, las cuales permiten el funcionamiento en modo manual o automático, además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con la presencia de dos embragues, uno encargado de las marchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás).
 

Automáticas o hidromáticas

Las cajas de cambio automáticas se prescinde del embrague que se usa en las manuales, y su función la realiza ahora un convertidor hidráulico. De este modo, como se verá, el conductor no se encarga de embragar o desembragar como sucede en los cambios manuales.

La idea de funcionamiento de un convertidor hidráulico se entiende muy bien si nos imaginamos dos ventiladores enfrentados, si conectamos uno de ellos, produce viento que actúa sobre las palas del segundo ventilador y lo hace girar según el sentido de inclinación de sus palas. En este caso se ha producido un acoplamiento fluido entre los dos ventiladores y el fluido utilizado es el aire.

Si reducimos la distancia entre los dos elementos y los ponemos herméticamente cerrados o muy juntos mejoramos la eficiencia de este tipo de acoplamiento.

Basándonos en esta idea cogemos dos elementos, como medias “rosquillas huecas” partidas por la mitad, en cuyo interior haya unas aletas con la inclinación adecuada.

Las enfrentamos una con otra de forma que “hagan una rosquilla” y llenamos su interior de aceite, al hacer girar una de las dos mitades, el aceite también gira transportado por las aletas y al describir este movimiento de rotación, el aceite, por causa de la fuerza se va hacia el exterior lejos del eje, es decir que el aceite se mueve según una banda circular, como se ve en las flechas del dibujo.

De esta manera el aceite que está siendo arrastrado junto con el elemento motriz , penetra en el elemento conducido, (la media rosquilla que tiene en frente) con un ángulo que depende de la inclinación de las paletas, y de este modo el aceite al chocar contra las aletas del conducido con un cierto ángulo de incidencia, le transmite un par.






1 conjunto regulador

2 plato regulador almenado de bloqueo

3 embrague de una vía

4 freno de cinta anterior

5 embrague anterior

6 embrague posterior y toma directa

7 freno de cinta posterior

8 convertidor ( formado por Impulsor (o bomba), reactor y turbina)

9 bomba hidráulica

10 servo del freno de cinta posterior

11 caja comandada (válvulas limitadoras de presión, electroválvula de modulación, válvula manual, válvula de progresividad, válvulas de secuencia, válvula de corte)

12 membrana de presión

13 servo del freno anterior

El principio en que se basa la caja de cambios automática para obtener diferentes relaciones de transmisión es un sistema planetario de engranajes.

Este sistema consiste en una corona exterior, 3 piñones satélites cuyos ejes van montados en un soporte, y un engranaje planetario central. Se le da este nombre de sistema planetario por su similitud con los planetas del sistema solar que tienen un movimiento de rotación y otro de traslación alrededor del Sol.