Caja de cambios: funcionamiento, partes y clasificación

En los vehículos, la caja de cambios o reductora (también llamada simplemente caja de cambios) es el elemento encargado de obtener el par motor en las ruedas, suficiente para poner en marcha el vehículo, y una vez en movimiento obtener el par motor suficiente en ellas para vencer la resistencia al avance.

Funcionamiento de la caja de cambios

El motor de combustión interna alternativo necesita un régimen de giro suficiente (entre el 30% y el 40% de las revoluciones máximas) para proporcionar la capacidad de iniciar el movimiento del vehículo, pero también necesita una cierta cantidad de par motor (10 veces el proporcionado por el motor). Esto garantiza que, aunque tenga menos potencia de la necesaria, pueda mover el vehículo.

Esto se consigue mediante las diferentes relaciones de transmisión obtenidas en la caja de cambios y también a través del grupo de salida en el diferencial. El sistema de transmisión proporciona estas diferentes relaciones, de modo que una misma velocidad de rotación del cigüeñal puede convertirse en diferentes velocidades de rotación de las ruedas. Esto se entenderá mejor expresando la potencia en un eje de transmisión como P:

P = V*C*G

La caja de cambios desempeña un papel importante en la capacidad de rotación del motor. Es responsable de invertir el sentido de giro de las ruedas y, por tanto, de ayudar a impulsarlas hacia delante o hacia atrás. Además, puede estar conectada a otras partes del sistema de transmisión para que pueda trabajar conjuntamente con el fin de proporcionar potencia a su coche.

Las curvas de par, potencia y rendimiento (relación entre la potencia obtenida en la combustión y la potencia útil entregada a la salida) tienen esta forma:

Es posible que el motor no sea capaz de proporcionar suficiente par para seguir acelerando el vehículo aunque cambie de marcha. Esto podría acarrear muchos inconvenientes, como un gran desgaste y ruido. También es posible que el motor tenga problemas en otras áreas, como cuando intenta acelerar rápidamente pero no tiene suficiente potencia o cuando funciona lentamente pero da demasiado ruido.

En lugar de modificar la velocidad del vehículo en función de las necesidades específicas del motor, se instala una caja de cambios que permite realizar modificaciones en relación con las velocidades de giro (rpm indicadas por los tacómetros de los vehículos) y la rotación del cigüeñal. Esta relación lineal entre las marchas crea estabilidad incluso cuando se superan determinados umbrales de rpm.

Si tiene una caja de cambios que obedece al gráfico siguiente, cambiará entre la velocidad del vehículo y la del motor de acuerdo con la relación seleccionada por el usuario. En rojo está la zona de máxima eficiencia cuando se circula a 20 km/h, mientras que en azul está cuando el motor empieza a funcionar fuera de esta zona (es decir, cuando se cambia a 2ª velocidad). El área dentro de esta zona roja representa la eficiencia de la caja de cambios en estas condiciones específicas. Cuando se alcanzan los 50 km/h o los 100 km/h, por ejemplo, se utilizaría la 3ª o la 4ª marcha en lugar de la 1ª o la 2ª, respectivamente.

 

Partes de la caja de cambios

La caja de cambios está formada por una serie de piñones dispuestos sobre tres ejes. El eje primario es el que recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor, suele tener un solo piñón de arrastre en las cajas de cambios longitudinales para la tracción trasera o delantera. En las cajas de cambios transversales tiene varios piñones motrices.

Árbol intermedio o intermediario. Es el eje opuesto o contraeje. Se compone de un piñón de corona conducido que engrana con el eje primario, y de varios piñones (normalmente tallados en el mismo eje) y que se acoplan al eje que puede engranar con el eje secundario en función de la marcha seleccionada.

Los ejes secundarios son dispositivos que giran en el mismo sentido o en sentido contrario al del motor. Se utilizan en las motocicletas y en los coches y camiones más antiguos, donde los engranajes funcionan completamente en el eje.

Las cajas de cambios manuales actuales utilizan el acoplamiento tangencial, que puede liberarse en función de la posición axial de los engranajes y de su fijación al eje. Este es el caso de las cajas de cambios manuales actuales. Los engranajes pueden moverse a diferentes velocidades que el eje, por lo que todos los movimientos de las ruedas son sincrónicos entre sí, produciendo lo que se denomina sincronización.

En las cajas de cambios transversales, la reducción final o el engranaje reductor de la corona del eje secundario/diferencial invierte la rotación de nuevo, de modo que la corona gira en una dirección diferente a la del motor.

Invertir un eje es una tarea común que hay que hacer para cambiar el sentido de giro. En este caso, hay un eje intermedio o secundario y se utiliza un engranaje recto en lugar de uno helicoidal. Este tipo de engranaje puede ser más fácil de fabricar porque no requiere ningún paso de montaje. Además, cuando el piñón interviene, cierra dos contactos eléctricos que permiten que la(s) luz(es) de un lado del interruptor se ilumine(n) y cuando se libera(n) abre(n) estos contactos.

Los engranajes, los dispositivos de transmisión y el diferencial de un coche suelen estar apoyados en cojinetes axiales. Esto se debe a que estas piezas se utilizan conjuntamente para mover el coche. También puede haber otros tipos de rodamientos, pero éste es el más común.

Hay dos cajas de cambios en un vehículo que se utiliza para fines agrícolas o todoterreno. La primera caja de cambios tiene unas cuantas marchas hacia delante y una marcha atrás, pero suele funcionar con 2 en lugar de 4. De este modo, el conductor puede utilizar el lado izquierdo del volante para cambiar a segunda o tercera cuando viaja en sentido inverso.

Clasificación de las cajas de cambio

Existen varios tipos de cajas de cambios, que pueden clasificarse según su accionamiento. Las cajas de cambios con posibilidad de funcionamiento automatizado (por ejemplo, Alfa Romeo) se clasifican como cajas de cambios manuales, mientras que las que tienen la posibilidad de intervención manual (por ejemplo, Audi S4) se clasifican como cajas de cambios automáticas.

Caja de cambios Manuales mecánicas

Las cajas de cambios manuales son las que utilizan elementos estructurales y funcionales, rodamientos, etc. para accionar los engranajes. La selección de las distintas velocidades se realiza mediante control humano.

Los elementos sometidos a fricción -ejes, engranajes, sincronizadores o selectores- se lubrican mediante un baño de aceite (específico para los engranajes) en el cárter, aislado del exterior por juntas que garantizan la estanqueidad.

Los acoplamientos interiores se componen de balancines y ejes, que se guían por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos procede de cables o varillas flexibles y no extensibles.

La caja de cambios dispone de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos ejes al cambiar de uno a otro.

El DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- caja de cambios manual automatizada de doble embrague del Grupo Volkswagen y el DDCT -en inglés Dual Dry Clutch Transmission- del Grupo Fiat Automóviles, que permiten el funcionamiento en modo manual o automático, además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas mucho mayor debido a la presencia de dos embragues, uno para cada lado.

Caja de cambios Automáticas o hidromáticas

La caja de cambios automática es un sistema que determina de forma autónoma la mejor relación entre diferentes elementos, como la potencia del motor, la velocidad del vehículo, la presión del acelerador y la resistencia a la conducción, entre otros. Es un dispositivo electrohidráulico que determina los cambios de velocidad; en el caso de las cajas de cambios de última generación, el control se realiza mediante un calculador electrónico.

Leonardo da Vinci y su caja de cambios

En su época, Leonardo da Vinci diseñó un engranaje compuesto por dos partes, una cilíndrica y otra cónica. Este engranaje se utilizó para convertir un mecanismo en una caja de cambios.