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Cajas de velocidades o cambios manual

La caja de cambios forma parte de la transmisión del automóvil, y juega un papel muy importante para establecer la fuerza de tracción apropiada en las ruedas y así adaptarse a las necesidades del camino o la carga. En general es un mecanismo que gana en torque a expensas de la disminución de la velocidad de rotación y utiliza para ello diferentes etapas de reducción con engranajes que pueden ser permutadas a voluntad del conductor o bien de manera automática. La cantidad de etapas de cambio dependerá del campo de utilización del automóvil y de la elasticidad del motor.

En el automóvil clásico la caja de cambios tiene acoplado al árbol de entrada por uno de sus extremos el motor, a través de un embrague mecánico, hidráulico, o de un convertidor de torque o convertidor de par, y acoplado al árbol de salida por el otro extremo la barra de transmisión que conduce el movimiento al resto de los elementos de la transmisión (vea los esquemas del artículo Tren de fuerza para ilustrar lo que decimos).

Existen tres tipos básicos de cajas de velocidades que se usan en los automóviles: la caja de cambios manual, la caja de cambios semi automática y la caja de cambios automática, que se diferencian en cuanto al modo de operación y en los sistemas internos. Veamos ahora una descripción de cada una.

Cajas manuales

Las cajas de velocidades manuales, también conocidas como cajas mecánicas o cajas estándar son aquellas en las que el conductor puede, a su voluntad,

Caja de cambios manual
Figura 1.


esquema neutro
Figura 2.

esquema primera
Figura 3

 esquema segunda
Figura 4

esquema directa
Figura 5

establecer la fuerza de tracción del automóvil, utilizando diferentes etapas de engranajes colocados dentro de un cuerpo o carcasa y que se permutan usando una palanca de mando al alcance del conductor. Este cuerpo o carcasa está lleno hasta determinado nivel, de aceite lubricante de mas alta viscosidad y resistencia a la presión que el lubricante del motor.

Las cajas de cambios manuales pueden utilizar diferentes esquemas de trabajo entre los engranajes, y los modos en que se acoplan para transmitir la fuerza del motor a la transmisión. El esquema de la derecha (figura 1) corresponde a la caja de cambio tradicional con collares desplazables de acoplamiento con tres velocidades. En este tipo de caja de velocidades, pueden diferenciarse dos árboles o ejes, uno de entrada (llamado árbol o eje de mando) y otro de salida (el que algunos llaman eje o árbol corredizo), el primero procedente del motor a través del embrague y el segundo acoplado a la continuación de la transmisión. Entre ambos árboles hay un cojinete  que permite el movimiento de rotación relativo entre ellos, de manera que pueden girar a diferentes velocidades.

Uno de los extremos del árbol de entrada queda fuera de la carcasa de la caja de velocidades y por él es que se acopla el movimiento procedente del motor, el otro extremo queda dento de la carcasa, y al final de este extremo interior y como parte integrante del árbol hay un engrane y un collar estriado. Este engrane está acoplado constantemente a un tren de engranes montados en un solo cuerpo rígido que gira sobre sus propios cojinetes, conocido como tren fijo. El tren fijo es arrastrado todo el tiempo por el árbol de entrada (de ahí su nombre de tren fijo).
Por su parte el árbol de salida es un árbol con estrías longitudinales y en él pueden girar libremente varios engranes, los que a su vez están acoplados al resto de los engranes del tren fijo. Estos engranes, al igual que el del árbol de entrada tienen un collar estriado exteriormente en una de sus caras. Con este esquema, siempre que gire el árbol de entrada, girará también el tren fijo y los demás engranes sobre el árbol de salida que hemos supuesto detenido (con el vehículo sin movimiento). Observe que el movimiento que entra a la caja de velocidades por el árbol de mando se transmite al tren fijo y este a su vez a los otros engranes que pueden girar libremente sobre el árbol de salida. De esta forma no hay continuación desde el motor al resto de la transmisión lo que corresponde a la posición neutral. La figura 2 muestra, usando flechas rojas, cual es el camino seguido por el movimiento procedente del motor para el estado neutral.

Veamos ahora como se produce la transmisión del movimiento.

En el árbol de salida y acoplados a sus estrías se montan, (de manera que no puede haber movimiento de rotación relativo entre ellos y el árbol), unos collares desplazables, que se llaman así, porque pueden moverse axialmente sobre el árbol de salida. Estos desplazables, además de las estrías que los acoplan al árbol de salida, tienen otras estrías interiores en ambas caras que pueden acoplarse perfectamente a los collares estriados de los engranes mencionados arriba, de manera que si se mueve alguno de estos desplazables lateralmente, puede producirse un acoplamiento rígido entre el engrane correspondiente y el  desplazable, y como el desplazable está rígidamente acoplado al árbol de salida este produce que el engrane correspondiente quede también acoplado al árbol de salida, con lo que se establece la transmisión del movimiento.

Unas horquillas solidarias a la palanca de cambios del automóvil a través de un mecanismo apropiado, realizan este desplazamiento, y con ello establecen las diferentes velocidades de acuerdo al par engranado seleccionado. Uno de los desplazables, como puede verse en la figura 1, puede acoplar directamente los dos árboles (entrada y salida).

El estado representado en la figura 3 corresponde a la primera velocidad, uno de los desplazables se ha trasladado lateralmente accionado por la horquilla correspondiente y se ha acoplado al collar estriado del engranaje de mayor diámetro, de esta forma el movimiento del árbol de entrada, se transmite al árbol de salida a través de la combinación de engranajes de mayor reducción de velocidad, y por lo tanto de mayor amplificación de la fuerza (vea las flechas rojas en la figura 3). El otro engrane montado sobre el árbol de salida sigue girando libremente sobre él.

Para el caso mostrado en la figura 4 se ha conectado la segunda velocidad, el mismo desplazable que anteriormente había establecido la primera velocidad ahora se ha movido a la izquierda, y se ha acoplado al collar estriado del engrane de segunda (de menor diámetro que el de primera), y el movimiento del árbol de entrada, se transmite por la combinación de engranajes de menor reducción de velocidad, y por lo tanto con menor amplificación de la fuerza.

La figura 5 corresponde a la directa, en la cual, el otro desplazable se ha movido a la izquierda y se ha acoplado al collar estriado del árbol de entrada, con lo que se establece la conexión directa entre ambos árboles, por lo que no hay ni cambio de velocidad ni de fuerza y el movimiento procedente del motor sigue sin alteración al resto de la transmisión.

Hemos utilizado una caja de velocidades de tres cambios a fin de simplificar el esquema y hacerlo mas comprensible, pero como ya se mencionó arriba, la cantidad de etapas de cambio puede ser, y, de hecho es muy común que sea, de mas de tres, pudiendo llegar a siete o mas etapas.

Aunque no se han representado por simplicidad, los collares desplazables presentan un conjunto de piezas que funcionan por fricción y cuyo objetivo es sincronizar la velocidad de rotación de las piezas que se acoplarán antes de que entren en contacto las estrías de unión.

Es evidente que  debe existir un mecanismo adecuado en el selector de cambios que gobierna el movimiento de las horquillas, que impida que ambos desplazables puedan acoplarse al mismo tiempo, lo que evidentemente provocaría el bloqueo total de la caja de velocidades con consecuencias desastrosas. A continuación se muestra un animado del proceso de los cambios.

Caja de cambios animada

Cajas semi automáticas y automáticas

Para no hacer demasiado extensas estas lineas, las cajas semi automáticas y automáticas de han tratado en artículo aparte, de modo que si quiere continuar en el tema de las cajas de cambios puede llegar a él aquí.


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