Conceptos básicos de la caja de cambios: fuerzas, engranajes y tipos de transmisión

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA CAJA DE CAMBIOS

1. FUERZA

P = m x g

1.1 Fuerza de la inercia

– Propiedad de los cuerpos a resistirse al cambio de estado en el que se encuentran (al aumentar o disminuir su velocidad).

F = m x a

1.2 Resistencia a la rodadura

– Resistencia que se origina con el rozamiento con el terreno.

F fricción total = μ x F vehículo

1.3 Resistencia del aire

1.4 Pendientes de la calzada

1.5 Resistencia por rozamiento mecánica

2. TRABAJO

W = F x s

3. POTENCIA

P = W / t

4. EFECTO DE LAS PALANCAS

M = F x r

5. POTENCIA Y GIRO

P1 = M x 2 x π x n

CAJA DE CAMBIOS MANUALES

• Elemento de transmisión entre motor y ruedas.
• Modifica las rpm del motor para dar par según la necesidad.
• Invierte el sentido de giro para dar marcha atrás.
• Se hace mediante un sistema de engranajes.
• 2 reducciones:
  • 1ª en la caja de cambios, dependiendo de la marcha engranada.
  • 2ª es fija para todas las marchas, en el grupo reductor del diferencial.

6.1 Engranajes

• Para las marchas normales: engranajes con dientes helicoidales (pesan menos y son más silenciosos).
• Para la marcha atrás: engranajes con dientes rectos.
• La fuerza transmitida es inversamente proporcional a la velocidad de giro.

Relación de transmisión (Rt o i)

• Rt > 1 — Desmultiplicación: rueda motriz más pequeña que la rueda impulsada (más par de giro, pero menos rpm).
• Rt < 1 — Multiplicación: rueda motriz más grande que la rueda impulsada (menos par de giro, pero más rpm).
• Rt = N piñón conductor / N piñón conducido
• Rt = Z piñón conducido / Z piñón conductor (Z = nº de dientes)

• Para que 2 piñones engranen entre sí, los módulos deben ser iguales.

m = Dp (diámetro primitivo) / Z (nº de dientes)

El Dp no se puede calcular, así que se aplica:

m = De (diámetro exterior) / (Z (nº de dientes) + 2)

6.2 Trenes de engranajes

• El eje nº 1 es el del árbol primario.
  • Recibe el movimiento del motor a través del embrague y lo transmite a la caja por medio de un piñón.
• El eje nº 2 es el del árbol intermedio o tren fijo.
  • Recibe el movimiento del piñón del eje primario.
  • Está compuesto por unos piñones solidarios al eje (giran todos al mismo tiempo).
• El eje nº 3 es el del árbol secundario.
  • Están permanentemente engranados con los del intermedio.
  • Se denominan «locos» porque no transmiten el movimiento recibido al eje secundario, sino que giran sobre él hasta que se activa su sincronizador.
  • Tiene unos carretes que giran a la vez que el secundario y se pueden desplazar de forma axial (corona desplazable).

+ Corona desplazable:

• Sirve para acoplar el piñón loco al secundario, haciéndolas solidarias.
• La corona la desplaza el conductor al meter una marcha.

6.3 Árbol primario

• Recibe el movimiento del disco de embrague y lo transmite al intermedio (unidos por un pasador).

6.4 Árbol intermedio

• Compuesto por piñones solidarios (forman una única pieza).

6.5 Árbol secundario

• Es el eje que recibe el movimiento del intermedio o del primario y lo transmite al diferencial.

+ Cubo dentado:

• Manguito metálico anclado al secundario (giran a la vez).

+ Piñones locos:

• Engranajes que giran libres sobre el secundario.
• Hay tantos como marchas.
• Engranados siempre con el intermedio.
• En su interior cada uno tiene un rodamiento para girar sobre el eje.
• Tienen un cono o dentado de acoplamiento que forma el conjunto sincronizador.

+ Corona desplazable:

• Es la que ancla el cubo dentado al piñón loco correspondiente.
• Se desplaza axialmente uniéndolos en la dirección que la horquilla mande.

+ Conjunto de sincronización:

• El sincronizador evita que las marchas «rasquen» al cambiar de una a otra.
• Tiene como misión acoplar los engranajes cuando estén a las mismas revoluciones.
• Es un elemento de fricción entre el piñón que gira loco (secundario) y la corona, que igualan sus velocidades progresivamente.
• Tipos:
  • Simple antiguo: un cono mecanizado en el interior de la corona, igual que el del piñón loco, para que la corona engrane al ser desplazada.
  • Simple: se incorpora un muelle al piñón loco y unas superficies de rozamiento (anillos sincronizadores). Los muelles mantienen el cono en el extremo dentado y, al conectar la marcha, roza el anillo, permitiendo que el dentado interior de la corona engrane con el piñón loco completamente. Cuanta más superficie de rozamiento, más suave y progresivo es el acoplamiento.
  • Doble: tiene 2 anillos sincronizadores, entre los que se pone un anillo intermedio para aumentar la superficie.
  • Triple: similar al doble, pero añade un nuevo cono en el piñón loco para aumentar aún más la superficie.

6.6 Sistema de mando

• Horquilla:
  • Está unida a la barra desplazable y se encaja en la acanaladura que lleva la corona desplazable.
  • Sirve para desplazar la corona para que engrane con el piñón loco a través del sincronizador.
• Barra desplazable:
  • Unida a la horquilla con un pasador.
  • En su extremo tiene una escotadura por donde se desplaza el dedo selector.
  • Cada barra sujeta una horquilla.
• Dedo selector: desplaza la barra según la posición de la palanca que mueve el conductor.
• Palanca de cambios y varillaje: por cable Bowden o varillas.
• Sistema de enclavamiento y seguridad:
  • Evita que la marcha se salga por las vibraciones.
  • Se suele hacer con un muelle y una bola que encaja en la barra desplazable y la inmoviliza.
  • También puede ser con unas acanaladuras en el cubo dentado y en la corona que alojan una lámina de presión o un muelle.
  • Para no insertar 2 marchas a la vez, se evita que se muevan 2 barras desplazables a la vez.

6.7 Eje de marcha atrás

• Hay que insertar un tercer piñón entre el intermedio y el secundario para invertir el sentido de giro del secundario.
• No tiene sincronizador, por eso hay que meterla en parado.
• Engranajes rectos.
• En la palanca se monta un dispositivo para no meterla por error (tirador, apretar hacia abajo…).

6.8 Cajas de cambios con 2 secundarios

• Sirven para reducir la longitud de la caja de cambios.
• Suelen ser:
  • Secundario 1: 1ª, 2ª, 3ª y 4ª.
  • Secundario 2: 5ª, 6ª y marcha atrás.
• Ambos ejes están engranados permanentemente con el diferencial y se transmite el movimiento con sincronizadores.

6.9 Retenes, rodamientos y carcasas

• Carcasa:
  • Sostiene todos los elementos anteriores.
  • Su interior sirve de depósito de aceite de lubricación.
  • Su llenado y vaciado se hace con 2 tornillos diferentes y a diferentes alturas.
• Retenes: evitan la pérdida de aceite.
• Rodamientos: permiten el giro entre las distintas piezas móviles, disminuyendo el rozamiento y el ruido.

6.10 Grupo multiplicador y divisor

• Multiplicador: elemento que se instala a la salida del árbol secundario.
• Divisor: elemento que se instala a la entrada del árbol primario.
• Son engranajes planetarios para ampliar las relaciones de las marchas en todo terreno y agrícolas.

6.11 Diagnóstico de averías en cajas de cambios

• Ruido general en la caja de cambios:
  • Falta de aceite.
  • Rodamientos defectuosos.
• Ruido solo al conectar una marcha determinada:
  • Engranajes o conjunto sincronizador defectuoso de esa marcha.
• Todas las marchas entran con dificultad:
  • Varillaje o cable Bowden con holguras.
  • Palanca desalineada.
• Una determinada marcha entra mal y raspa:
  • Elemento del sincronizador de esa marcha.
• Las marchas se salen:
  • Holguras en las varillas de mando.
  • Enclavamiento mal ajustado.

CAJAS DE CAMBIOS AUTOMÁTICAS EPICICLOIDALES Y CAMBIOS AUTOMÁTICOS VARIABLES

– Caja de cambios que pasa de una marcha a otra sin la intervención directa del conductor.

7. Caja de cambios automática epicicloidal con convertidor de par

• Grupo de piñones que conforman el «tren epicicloidal» al que llega el movimiento del motor.
• Se transmite a la caja por medio de 2 turbinas con aceite entre ellas (convertidor de par normal).
• Partes:

7.1 Tren de engranajes planetarios sencillo (tren epicicloidal)

• Adapta el nº de rpm y el par de giro a las necesidades del momento.
• Compuesto por:
  • Planetario central.
  • Porta-satélites.
  • Satélites.
  • Corona de dentado interior.
• Para conseguir las distintas «desmultiplicaciones» se frenan y se mueven unos u otros componentes del sistema:

7.2 Elementos de mando

• Suministro de aceite:
  • El tipo de aceite suele ser ATF.
  • Funciones:
    • Transmitir la fuerza de bomba a turbina.
    • Disipar calor a través del aceite.
    • Lubricar.
    • Transportar los residuos de los forros de embragues y frenos y del roce de engranajes (el aceite pasa por un filtro y/o por imanes).
    • Ejecución del cambio de marchas: transmite la presión a los elementos de mando.
  • Características: coeficiente de fricción, lubricación, estabilidad térmica, estabilidad química.
  • Circuito: depósito → succionado por la bomba a través de un filtro → unidad de control (regula su presión y destino a válvulas, embragues y frenos) → radiador → lubricar el cambio → retorno al depósito.
• Bomba:
  • Montada detrás del convertidor para girar a las mismas rpm que el motor.
  • Suele ser de tipo «hoz de guía».
  • Funciona como cualquier bomba de engranajes.
• Frenos:
  • Sirven para retener las piezas de la transmisión indicadas para hacerlas solidarias unas a otras.
  • Formados por discos (interiores y exteriores), portadiscos (interiores y exteriores) y un émbolo de presión.
  • Dependiendo de si hay presión de aceite (se aprietan los discos por acción del émbolo) o no la hay (émbolo sin acción).
• Embragues:
  • Sirven para unir dos elementos que están en rotación.
  • Su funcionamiento es igual que el de los frenos.
• Rueda libre.

7.3 Bloqueo de estacionamiento

• Seguro adicional al freno de mano.
• Es una rueda dentada que está en el árbol secundario y una palanca con un trinquete, que se encaja en la rueda en «P«.

7.4 Palanca selectora

• Encargada de transmitir la opción elegida por el conductor.
• Por varilla o Bowden (antiguo) o por impulsos eléctricos de una centralita (nuevo).
• Posiciones:
  • P — Parking.
  • R — Marcha atrás.
  • N — Punto muerto.
  • D — Drive (modo automático). D+ aumenta una marcha al recibir un toque; D− disminuye una marcha al recibir un toque.
  • C — Confort (empieza a andar en 2ª y sube de marcha a baja velocidad para más confort).
  • S — Sport (empieza a andar en 1ª y sube de marcha a alta velocidad para más agresividad).
  • M — Manual.

7.5 Control electrohidráulico de la caja de cambios

• Válvulas electromecánicas de mando: válvulas electromagnéticas que dejan pasar o no la presión de aceite (una bola y una bobina).
• Válvulas electromecánicas de regulación: llaves de paso comandadas electrónicamente, que limitan y mantienen una determinada presión.
• Correderas de mando y regulación: según les entre presión de mando, la corredera se mueve y comunica o no diferentes conductos.
  • La presión llega limitada a la corredera tras pasar por la válvula reguladora, pero sin presión de mando el émbolo (la corredera) impide su paso.
  • Al recibir una presión de mando, el émbolo se desplaza dejando pasar la presión de la bomba.
  • Si se corta la presión de mando, se cierra el émbolo y se corta el paso de presión de la bomba.
• Corredera selectora de gama de marchas:
  • Tiene tantas posiciones como la palanca selectora (P, R, D, N…).
  • Activa las funciones básicas en la posición seleccionada.
  • Por varillas, Bowden o electromecánica (servomotor).

7.6 Gestión electrónica del cambio (entradas y salidas de señales)

• Palanca selectora.
• Cuadro de instrumentos.
• Pedal del acelerador.
• ECU.
• ESP / ABS.
• Sensor de contacto / bloqueo de arranque.
• Sensor de temperatura de aceite.
• Sensor de rpm.

7.7 Caja de cambios variable continua CVT (Mercedes)

• Tipo de caja con infinitas relaciones de cambio.
• Siempre trabaja a las rpm ideales del motor.
• Consumo muy bajo.
• Sin escalonamientos (sin tirones).

Poleas:

• Compuesta por 2 poleas unidas por una correa.
• 1ª polea unida al motor (conductora).
• 2ª polea unida al eje impulsor (conducida).
• Las poleas están constituidas por 2 platos cónicos móviles que abren o cierran variando la distancia entre ellos, y por tanto su diámetro, variando así su desmultiplicación (relación de transmisión).
• Para la marcha atrás se utiliza un tren planetario simple.

Sistema Extroid:

• En vez de usar polea o cadena, este sistema abre y cierra los platos cónicos por medio de unos rodillos.

Funcionamiento:

1. El movimiento se transmite al convertidor y de ahí al primario, donde está la 1ª polea del variador (conductora).
2. En el secundario está la 2ª polea del variador (conducida).
3. En el extremo del secundario hay un árbol planetario que transmite al árbol de salida (dentro del secundario).
4. El intermedio comunica el árbol de salida con el diferencial y de este a las ruedas.

• Todos los cambios de relación se realizan de forma hidráulica, con una bomba de aletas.
• El circuito de aceite tiene 2 filtros (uno no se cambia excepto avería, y otro sí, con el mantenimiento).
• Tiene 2 radiadores (uno de líquido refrigerante y otro de aire).

CAJAS DE CAMBIOS AUTOMATIZADAS Y CAMBIOS DSG

Cajas de cambios manuales automatizadas (pilotada o robotizada)

• Caja de cambios manual que no tiene pedal de embrague y no requiere del conductor para cambiar.
• La palanca tiene 5 posiciones:
  • + conecta marchas de forma secuencial ascendente.
  • − conecta marchas de forma secuencial descendente.
  • R conecta la marcha atrás.
  • A conecta marchas de forma automática.
  • N posición de parada y bloqueo.

Componentes mecánicos de una Sequentronic de Mercedes

• Horquillas de mando: mueven los sincronizadores y engranan las marchas.
• Dedo de mando: enlaza con la horquilla adecuada al cambio de marcha.
• Árbol de mando central: da movimiento al dedo de mando.
• Actuador de mando: transmite el movimiento del árbol de mando central al perno guía.
• Perno guía: se desplaza con el casquillo guía de colisa.
• Casquillo guía de colisa: casquillo con ranuras a 2 niveles. Si se encuentra frenado, obliga a girar al perno; si no está frenado, le permite el movimiento transversal.

Paso de 1ª-2ª-3ª mecánicamente

• 1ª: el dedo de mando mueve la horquilla de la 1ª y 2ª marcha. La guía de colisa NO está frenada, así que permite el movimiento transversal del perno guía. El aceite llega al actuador de mando por la IZQUIERDA, que impulsa al árbol central hacia la DERECHA y la horquilla engrana la primera marcha.
• 2ª: el dedo de mando sigue en la horquilla de la 1ª y 2ª marcha. La guía de colisa NO está frenada, así que permite el movimiento transversal del perno guía. El aceite llega al actuador de mando por la DERECHA, que impulsa al árbol central hacia la IZQUIERDA y la horquilla engrana la segunda.
• 3ª: se frena la guía de colisa. El aceite entra al actuador por la IZQUIERDA, que impulsa al árbol central hacia la IZQUIERDA, pero está FRENADO, así que se gira. El giro hace que el dedo de mando, con la horquilla de 3ª y 4ª, arrastre el árbol de mando central y engrane la 3ª.

El proceso siempre es igual para las siguientes marchas.

Componentes hidráulicos de una Sequentronic de Mercedes

• Depósito de aceite: almacena el aceite del circuito.
• Bomba de aceite: da presión y caudal al circuito.
• Acumulador: almacena aceite a la presión de trabajo para evitar caídas de presión al cambiar de marcha.
• Unidad de control hidráulico: 4 electroválvulas que accionan el embrague, el freno de colisa y los cambios de marchas.
• Cojinete de desembrague: acciona el plato de presión para desembragar y embragar.
• Actuador de mando:
  • Émbolo doble que puede provocar un movimiento transversal en el árbol de mando central.
  • Casquillo guía de colisa.
  • Perno guía que se desplaza por la guía de colisa.
  • Freno del casquillo.
  • Muelle recuperador del freno.

Componentes eléctricos/electrónicos de una Sequentronic de Mercedes

• Palanca de cambios: comunica su posición.
• Sensor de presión: informa de la presión del circuito.
• Sensor de recorrido del embrague: indica la posición y desplazamiento del embrague.
• Sensor de pasillo de marcha: comunica la posición del árbol central y sus movimientos transversales y de giro.
• Interruptor de puerta: ceba la bomba cuando se cierran las puertas (se prepara para la marcha).

Paso de 1ª-2ª-3ª hidráulicamente

• 1ª: vehículo en marcha. Presión de aceite a todas las electroválvulas, pero no reciben señal. El actuador de mando está en la 1ª marcha.
• 2ª: el conductor pone la palanca en 2ª. La electroválvula del embrague recibe señal y se activa, dejando pasar presión hacia el embrague, provocando que se desembrague. Casi a la vez, la electroválvula que permite entrar aceite al lado derecho del émbolo recibe señal y deja pasar presión, desplazando el árbol de mando central a la izquierda. No está frenada la guía de colisa, así que solo se desplaza de forma transversal. Se engrana la 2ª y se corta la señal a la electroválvula del émbolo; el aceite vuelve por el retorno y el émbolo queda en el lado izquierdo. La electroválvula de embrague empieza a cortar su señal de forma intermitente, generando un acople del embrague lento y progresivo. Se corta la señal y todo va al retorno.
• 3ª: igual que la 2ª, pero en este caso se activa la electroválvula que frena la guía de colisa para que gire el perno guía y se engrane mecánicamente la horquilla de la 3ª-4ª.

Cajas de cambios de doble embrague DSG (cambio directo automatizado)

• Utiliza 2 embragues, uno para marchas impares y otro para marchas pares (como si tuviera 2 cajas de cambios).
• Lo que provoca es que los cambios sean mucho más rápidos y suaves, porque un «lado de la caja» ya tiene una marcha metida mientras el otro ya se prepara para introducir otra, y nunca se interrumpe la fuerza de tracción.

La palanca tiene distintas posiciones:

• P — Estacionamiento (vehículo inmovilizado) (engranadas marcha atrás y 2ª).
• N — Punto muerto (engranadas marcha atrás y 2ª).
• R — Conecta la marcha atrás.
• D — Conducción normal (el cambio de marchas hacia delante es automático) (engranadas 1ª y 2ª).
• S — Conducción Sport (el cambio de marchas hacia delante se hace apurando las rpm con un mapa específico) (engranadas 1ª y 2ª).
• + (Triptonic) — Cambio secuencial por parte del conductor hacia arriba, aunque con gestión de centralita que decide sí/no al cambio.
• − (Triptonic) — Cambio secuencial por parte del conductor hacia abajo, aunque con gestión de centralita que decide sí/no al cambio.

Árbol primario

• Formado por 2 árboles primarios concéntricos (uno dentro de otro).
• El primario 1 es el que está dentro del 2 y tiene 5ª (secundario 2), 1ª (secundario 1), 3ª (secundario 1) y 1ª (de izq. a der.).
• El primario 2 es el exterior y tiene 6ª (secundario 2), 4ª (secundario 1) y 2ª (secundario 1) (de izq. a der.).

Árbol secundario

• Tiene 2 árboles secundarios que ambos engranan con el diferencial.
• El secundario 1 (abajo) tiene 1ª, 3ª, 4ª y 2ª.
• El secundario 2 (arriba) tiene 5ª, 6ª y marcha atrás.
• Monta sincronizadores dobles en 1ª, 2ª, 3ª y marcha atrás.
• Monta sincronizadores simples en 4ª, 5ª y 6ª.

Árbol inversor

• Invierte el sentido de giro del secundario 2.
• Comunica la 1ª del secundario 1 con la marcha atrás del secundario 2.

Diferencial

• Igual que uno convencional, solo que recibe movimiento de los 2 secundarios.
• El bloqueo de seguridad para aparcar está en el propio diferencial.

Conexión de las marchas

• Tiene 4 horquillas accionadas por émbolos hidráulicos; dependiendo de por qué lado llegue la presión, se mueve a uno u otro lado.
• Presión gestionada por una centralita.
• Una vez desplazada la horquilla en la dirección deseada, desaparece la presión y queda conectada la horquilla.

Sistema hidráulico y unidad electrónica

• Unidad Mechatronic.