5. La caja de cambios
Actividad
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Donde
es la velocidad angular de giro (rad/s) y - M es el momento o par motor que ejerce el motor sobre el eje de transmisión de la potencia.
- Mm.- par desarrollado por el motor
- Mr.- par resistente en las ruedas
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m.-
Velocidad del motor
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r.- Velocidad de las ruedas
Pre-conocimiento
Vídeo que muestra el despiece de una caja de cambios, duración 2' 54 s.
http://www.youtube.com/watch?v=eFEhC2T4FAg
Según esto, si en algún momento el par resistente aumentara, habría que aumentar igualmente la potencia del motor para mantener la igualdad Mm=Mr.
En tal caso, se debería contar con un motor de una potencia desproporcionada, capaz de absorber en cualquier circunstancia los diferentes regímenes de carga que se originan en el eje de rodadura, y eso es imposible.
Mecanismo
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La caja de cambios, generalmente, está constituida por pares de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles más una eje loco.
- Árbol primario, recibe el movimiento directamente del cigüeñal, habitualmente tiene un único piñón.
- Árbol intermedio, es el árbol transmisor, consta de una corona que engrana con el árbol primario, y de varios piñones unidos solidariamente al árbol, que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.
- Árbol secundario, Está formado por varias coronas con libertad de movimiento axial en el árbol, pero sin libertad de movimiento en sentido tangencial (controlado por un sistema de chaveteros o manguitos). La posición axial de cada rueda se regula por la palanca de cambios y determina qué par de ruedas engrana entre el secundario y el intermedio. Transmite el giro al diferencial.
- Eje de marcha atrás, dispone de una rueda loca que se intercala entre los árboles intermedio y secundario invirtiendo el sentido de giro habitual del árbol secundario. La marcha atrás se diferencia de cualquiera de las otras, por que es la única que tiene engranajes de dientes rectos, y siempre es necesario seleccionarla cuando el automóvil está detenido.
Todos los árboles se apoyan, a través de rodamientos en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición, aluminio o magnesio, donde van los engranajes y los dispositivos de accionamiento.
Una variación a este sistema es la caja de cambios automática. Este mecanismo de manera autónoma, determina la mejor relación entre los diferentes elementos que concurren en la marcha, como la potencia del motor, la velocidad del vehículo, la presión sobre el acelerador y la resistencia al desplazamiento. Se trata de un dispositivo electrohidráulico que determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de última generación, el control lo realiza un calculador electrónico. Mientras que la caja de cambios convencional está constituida por engranajes, la caja automática funciona con piñones, que forman el tren epicicloidal.
En las cajas automáticas se prescinde del embrague usado en las manuales, y su función la realiza un convertidor hidráulico, por lo que el conductor no tiene que embragar o desembragar como sucede en las cajas cambios manuales.
La idea de funcionamiento de un convertidor hidráulico se entiende muy bien imaginando 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, siendo el aire el fluido utilizado.
Si reducimos la distancia entre los dos elementos y los cerramos herméticamente, o muy juntos, elevamos muy significativamente la eficiencia de este tipo de acoplamiento.
Pre-conocimiento
Video de youtube que de forma muy sencilla muestra el mecanismo de una caja de cambios de cuatro marchas, más marcha atrás, duración 48 s.
Actividad
Relación de transmisión
Es la relación existente entre la velocidad del eje de salida (ruedas) y la velocidad del motor:
expresa la velocidad ángular en rad/s, n en rpm y M es el Par producido en el motor y las ruedas de salida respectivamente.
La relación de transmisión es la desmultiplicación que hay que aplicar en la caja de cambios para obtener el aumento de par necesario en las ruedas. Ésta a su vez dependerá del número de dientes de los engranajes de las distintas marchas.
Cálculo de velocidades para una caja de cambios.
Para calcular las distintas relaciones de desmultiplicación que se pueden obtener en una caja de cambios, hay que partir del par máximo transmitido por el motor, ya que dentro de este régimen es donde se obtiene la mayor fuerza de impulsión en las ruedas. Para ello se representa en un sistema de ejes coordenados las revoluciones máximas del motor, que están relacionadas directamente con la velocidad obtenida en las ruedas en función de su diámetro.
Siendo "n" el número de revoluciones máximas del motor y "n1" el numero de revoluciones al cual se obtiene el par de transmisión máximo del motor (par motor máximo), dentro de ese régimen deben establecerse las sucesivas desmultiplicaciones en la caja de cambios. Entre estos dos limites (n y n1) se obtiene el régimen máximo y mínimo en cada desmultiplicación para un funcionamiento del motor a pleno rendimiento.
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Todo quedará más claro con el siguiente ejercicio resuelto.
Ejemplo o ejercicio resuelto
- Cilindrada (cc): 1998
- Potencia (CV/rpm): 155/5600.
- Par máximo (mkgf): 19,3/3500.
- Neumáticos: 195/55 R14.
- Relación de transmisión. (i)
- i (1ª velocidad) = 13/38 = 0,342
- i (2ª velocidad) = 23/43 = 0,534
- i (3ª velocidad) = 25/32 = 0,781
- i (4ª velocidad) = 32/31 = 1.032
- i (5ª velocidad) = 37/28 = 1,321
- i (M.A: marcha atrás) = 12/40 = 0,30
- Además de la reducción provocada en la caja de cambios también tenemos que tener en cuenta que en el grupo diferencial hay una reducción, este dato también lo proporciona el fabricante.
- i (G.C: grupo piñón-corona diferencial) = 14/62 = 0,225
). Este valor es la suma del diámetro de la llanta mas el doble del perfil del neumático.
