Que Es La Caja de Cambios Composición, Función Y partes

Mucho se ha hablado de los componentes de cada vehículo en particular los que usan cajas automáticas y los que usan caja de cambios, esto ha dado mucho de que hablar a lo largo y ancho de la historia de los automóviles que tipo de caja es mejor y cual no lo es tanto?

En este artículo que hemos preparado para ti, abordaremos los diferentes tipos de caja de cambios que existen, sus funciones y particularidades.

🚗 ¿Qué es la caja de cambios?

La caja de cambios o caja de velocidades es un elemento mecánico, fabricado de hierro y/o aleaciones de aluminio y otros metales. Su fin es administrar la potencia venida del motor para que el vehículo pueda moverse en todas las diferentes etapas, desde parado hasta la marcha, la administración de este elemento de engranajes dependerá de las exigencias que vayan en contra del avance del vehículo, ya sea por la superficie, efectos aerodinámicos, entre otros.

🔍 ¿Cuál es la función de la caja de cambios?

El objetivo de la caja de cambios consiste en regular las revoluciones del motor según sea la necesidad de la marcha del vehículo. Para esto la caja de cambios se moverá por las diferentes relaciones de engranajes; un sistema de discos dentados con diferentes números de dientes es el encargado de disminuir y regular la velocidad angular total del motor.

Una vez es producido la energía mecánica en el motor, esta es transmitida a través de los pistones, bielas y cigüeñal hacia la rueda motriz y después hacia la caja de cambios.

El cambio entre discos sin que el cigüeñal y demás elementos mecánicos se reconfigure es posible gracias a la existencia del embrague, este elemento mediante la desconexión momentánea entre la rueda motriz y la caja de cambios permite que los engranajes de la caja de cambios puedan configurarse según la necesidad de avance del vehículo.

✅ Partes de la caja de cambios

Como ha sido comentado, la caja de velocidades está constituida por una serie de ruedas o discos dentados que se encargan de regular la potencia del motor. Éstas están dispuestas dentro de la caja de cambios en tres árboles, a continuación, comentaremos acerca de ellos.

• Árbol primario:

  Este árbol recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor, es decir gira al mismo ritmo que el cigüeñal.

• Árbol intermedio:

  Este árbol tiene la particularidad de encontrarse en contra eje. Está formado por un piñón coronaconducido que engrana con el árbol primario, y de varios piñones.

Los piñones son copartícipes con el eje y pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada. Gira en el sentido opuesto al motor. Como particularidad de éste árbol hay que comentar que no existe en las cajas transversales

• Árbol secundario:

  Este consta de varios engranajes conducidos que están montados sueltos en el árbol, pero que pueden ayudar al giro mediante un sistema de conexión. Gira en el mismo sentido que el motor en cambios longitudinales y en sentido inverso en cajas de posición transversal.

• Piñón de marcha atrás:

  Es el accionado cuando se selecciona el piñón de la marcha atrás, este se impone en el tren de engranajes con el objetivo de invertir el sentido normal al que gira el principal.

• Piñones:

  Son ruedas dentadas que corresponden a cada una de las marchas con las que cuenta una caja de cambios. Su tamaño y posición determinan la velocidad a la que girarán y el par motor (potencia con que se mueve el vehículo) que transmitirán finalmente al eje o ejes motrices del vehículo.

  

🏁 Tipos de cajas de cambios

A continuación hablaremos de los diferentes tipos de cajas de cambios.

Caja de cambios manual

La caja de cambios manual o transmisión manual en algunos países conocida como sistema sincrónico es el sistema de cambios que permite que las diferentes velocidades se hagan de manera manual.

Este mecanismo es accionado por la palanca de cambios que es accionada por el conductor y se encuentra conectada a una serie de barras de selector, en la parte superior o lateral de la caja de cambios. Las barras yacen en paralelo con los ejes que llevan los diferentes piñones.

Para el buen entendimiento del sistema de la caja de cambios tomaremos como ejemplo el sistema de cuatro velocidades tradicional.

Punto muerto

Todos los engranajes, excepto los necesarios para la marcha atrás, están constantemente engranando. Los engranajes en el eje de salida giran libremente a su alrededor, mientras que aquellos en el eje intermedio están fijos. No hay transmisión.

Primera

En primera, el engranaje más pequeño en el eje intermedio (con la menor cantidad de dientes) se bloquea, pasando la transmisión a través del engranaje más grande en el eje principal, y dando un alto par motor y una baja velocidad para un arranque desde parado, en llano o en pendiente.

Segunda

En segunda, la diferencia de diámetro de los engranajes en los dos ejes se reduce, lo que se traduce en un aumento de velocidad y en un menor incremento del par motor. La proporción es ideal para subir pendientes muy empinadas, circular a baja velocidad o detenerse (aunque al frenar totalmente las ruedas haya que poner punto muerto para que el motor no se cale).

Tercera

En tercera, un engranaje todavía más grande en el eje intermedio aumenta la velocidad aún más, aunque reduce el incremento del par motor. La tercera velocidad proporciona agilidad conduciendo en la ciudad a velocidades que rondan las máximas permitidas en esos tramos.

Cuarta

En cuarta (Por lo general la última velocidad), el eje de entrada y el eje principal se traban juntos, ofreciendo una 'transmisión directa': una revolución del eje de propulsión para cada revolución del cigüeñal. No hay un aumento en el par motor.

Marcha atrás

Este es como otra velocidad. Aquí para accionar la marcha atrás en el mecanismo un piñón se interpone entre los engranajes de los dos ejes, haciendo que el eje principal cambie al sentido contrario. Generalmente, esta marcha no está sincronizada.

Caja de cambios automática

Este tipo de cajas tradicionalmente utilizan engranajes epicicloides o planetarios y como elemento de conexión entre el motor y la propia caja utilizan un convertidor de par en vez del clásico embrague. aunque su cometido es el mismo, conectar y desconectar el movimiento del motor con la caja.

Las cajas de cambio de actual aplicación en los vehículos automóviles, además de la gestión automática en la selección de las distintas velocidades que las caracteriza permiten la posibilidad de intervenir de forma manual de forma similar a como se realiza en las cajas manuales.

Sistema de lubricación de la caja de cambios

Puede ser que se lubrique y se enfríe por la presión que generan los mismos engranajes al girar o bien la caja puede incorporar una bomba de aceite del tipo rotor, la cual puede estar montada al eje primario o bien al contraeje o secundario de la caja, ya que estos siempre están girando de acuerdo con el motor.

El aceite es aspirado a través de un colador en la parte más baja del cárter, transportando por un canal a la bomba para ser impulsado a través de otros canales a los rodamientos de agujas de las marchas desplazables y otras zonas vitales a lubricar y enfriar.

🚘 Caja De Cambios Manuales

El sistema de cambio de marchas manual ha evolucionado notablemente desde los primeros mecanismos de caja de cambios de marchas manuales sin dispositivos de sincronización, hasta las actuales caja de cambios sincronizadas de dos ejes. Independientemente de la disposición transversal o longitudinal y delantera o trasera, las actuales cajas de cambios manuales son principalmente de dos tipos:

• De tres ejes: un eje primario recibe el par del motor a través del embrague y lo transmite a un eje intermediario este a su vez lo transmite a un eje secundario de salida coaxial con el eje primario que acciona el grupo diferencial.
• De dos ejes: un eje primario recibe el par del motor y lo transmite de forma directa a uno secundario de salida de par, que acciona el grupo diferencial.

En ambos tipos de cajas manuales los piñones utilizados actualmente en los ejes son de dentado helicoidal el cual presenta la ventaja de que la transmisión de par, se realiza a través de dos dientes simultáneamente en lugar de uno como ocurre con el dentado recto tradicional, siendo además la longitud de engrane y la capacidad de carga mayor esta mayor suavidad.

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Transmisión

La transmisión de esfuerzo entre piñones se traduce en un menor ruido global de la caja de cambios para la marcha atrás se pueden utilizar; Piñones de dentado recto ya que a pesar de soportar peor la carga, su utilización es menor y además, tienen un coste más reducido en la actualidad.

El engrane de las distintas marchas se realiza mediante dispositivos de sincronización o "sincronizadores"; que igualan la velocidad periférica de los ejes con la velocidad interna de los piñones.

De forma que se consiga un perfecto engrane de la marcha sin ruido y sin peligro de posibles roturas de dentado, es decir, las ruedas o piñones están permanentemente engranadas entre sí, de forma que una gira loca sobre uno de los ejes que es el que tiene que engranar y la otra es solidaria en su movimiento al otro eje el sincronizador tiene, por tanto.

Embrague

La función de un embrague de fricción progresivo entre el eje y el piñón que gira libremente sobre él, los sincronizadores suelen ir dispuestos en cualquiera de los ejes de forma que el volumen total ocupado por la caja de cambios sea el más reducido posible existen varios tipos de sincronizadores de los cuales destacan: sincronizadores con cono y esfera de sincronización; Sincronizadores con: cono y cerrojo de sincronismo con anillo elástico, etc.

Sincronizadores

El accionamiento de los sincronizadores se efectúa mediante un varillaje de cambio que actúa mediante horquillas sobre los sincronizadores desplazándolos axialmente a través del eje y embragando en cada momento la marcha correspondiente, los dispositivos de accionamiento de las distintas marchas dependen del tipo de cambio y de la ubicación de la palanca de cambio.

A continuación se van a estudiar los dos tipos de cajas de cambios; la primera caja de cambios: es una caja manual de tres ejes con disposición longitudinal de un vehículo de propulsión trasera la segunda es una caja manual de dos ejes con disposición transversal de un vehículo con tracción delantera con tracción delantera por lo que el grupo cónico-diferencial va acoplado en la salida de la propia caja de cambios.

La situación de la caja de cambios en el vehículo dependerá de la colocación del motor y del tipo de transmisión ya sea está delantera o trasera.

Estas dos disposiciones de la caja de cambios en el vehículo son las mas utilizadas aunque existe alguna más como la de motor delantero longitudinal y tracción a las ruedas delanteras

🚗 Caja De Cambios Manual De Tres Ejes

Este tipo de cajas es el más tradicional de los usados en los vehículos actuales y tiene la ventaja principal de que al transmitir el par a través de tres ejes, los esfuerzos en los piñones son menores por lo que el diseño de éstos puede realizarse en materiales de calidad media.

En la figura inferior se muestra un corte longitudinal de una caja de cambios manual de cuatro velocidades dispuesta longitudinalmente, el par motor se transmite desde el cigüeñal del motor hasta la caja de cambios a través del embrague a la salida del embrague va conectado el eje primario girando ambos de forma solidaria, de forma coaxial al eje primario.

Apoyándose en éste a través de rodamiento de agujas, gira el eje secundario transmitiendo el par desmultiplicado hacia el grupo cónico diferencial; La transmisión y desmultiplicación del par se realiza entre ambos ejes a través del eje intermediario.

El eje primario del que forma parte el piñón de arrastre que engrana en toma constante con el piñón del árbol intermediario en el que están labrados, además, los piñones que por ello son solidarios del árbol intermediario con estos piñones, engranan los piñones montados locos sobre el árbol secundario con interposición de cojinetes de agujas, de manera que giran libremente sobre el eje arrastrados por los respectivos pares del tren intermediario.

El Eje

El eje primario recibe movimiento del motor con interposición del embrague y el secundario da movimiento a la transmisión diferencial y, por tanto, a las ruedas; todos los ejes se apoyan en la carcasa del cambio por medio de cojinetes de bola haciéndolo la punta del eje secundario en el interior del piñón del primario, con interposición de un cojinete de agujas.

Para transmitir el movimiento que llega desde el primario al árbol secundario es necesario, hacer solidario de este eje a cualquiera de los piñones montados locos sobre él, de esta manera, el giro se transmite desde el primario hasta el tren fijo o intermediario, por medio de los piñones de toma constante, obteniéndose el arrastre de los piñones del secundario engranados con ellos que giran locos sobre este eje, si cualquiera de ellos se hace solidario del eje se obtendrá el giro de éste.

La toma de velocidad se consigue por medio de sincronizadores compuestos esencialmente por un conjunto montado, en un estriado sobre el eje secundario; pudiéndose desplazar lateralmente un cierto recorrido en este desplazamiento sobre el estriado el sincronizador se acopla con los piñones que giran locos sobre el árbol secundario.

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Funcionamiento De La Caja De Cambios

Constituida una caja de cambios como se ha explicado las distintas relaciones se obtienen por la combinación de los diferentes piñones en consecuencia con sus dimensiones. En las cajas de cambio de tres ejes, el sistema de engranajes de doble reducción es el utilizado generalmente en las cajas de cambio pues resulta mas compacto y presenta la ventaja sustancial de tener alineados entre si, los ejes de entrada y salida.

Para la obtención de las distintas relaciones o velocidades el conductor acciona una palanca de cambios mediante la cual se produce el desplazamiento de los distintos cubos de sincronización (sincronizadores) que engranan con los piñones que transmiten el movimiento.

Funciones y Sincronizadores de La Caja De Cambios

Las cajas de cambio desde hace muchos años. Utilizan para seleccionar las distintas velocidades. Unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno. Ha de engranar con el piñón loco del eje secundario.

Correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente. Se comprende que es necesario. Igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador). Y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario. Que gira a su vez movido por el motor desde el primario.

Cuando El Vehículo Está En Movimiento 

Con el vehículo en movimiento al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando quedando la caja en posición de punto muerto, esta operación es sencilla de lograr.

Puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador con el que se produce el desengrane del piñón sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje); es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario se producirían golpes en el dentado que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra.

El Eje Secundario

Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague mediante el cual, el eje primario queda en libertad, sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado, con el del eje secundario, por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada.

Maniobrando...

Para realizar una maniobra de cambio de velocidad el conductor lleva la palanca a la posición deseada y, con esta acción. Se produce el desplazamiento del manguito deslizante que por medio del fiador de bola.

Desplaza consigo el cubo deslizante cuya superficie cónica interna empieza a frotar contra el cono del piñón loco que, debido a ello, tiende a igualar su velocidad de giro con la del cubo sincronizador (que gira solidario con el eje secundario) instantes después, al continuar desplazándose el manguito deslizante Venciendo la acción del fiador.

¿Qué Produce Esto?

Se produce el engrane de la misma con el dentado auxiliar del piñón loco sin ocasionar golpes ni ruidos en esta operación dado que las velocidades de ambas piezas ya están sincronizadas en estas condiciones, el piñón loco queda solidario del eje secundario; por lo que al producirse la acción de embragado, será arrastrado por el giro del motor con la relación seleccionada.

La caja de cambios es un punto importante dentro del funcionamiento de nuestros vehículos. Todos nuestros autos dependen de un motor para que sea posible el transitar por las calles. Los motores desde su principio de transformación de energía térmica en mecánica hacen posible que los autos puedan cobrar vida y rugir sobre la selva de cemento.

Por otro lado, hay elementos dentro del funcionamiento del motor que hacen posible que la energía ya transformada en mecánica pueda en última instancia mover las ruedas. Allí entran las los pistones, bielas y cigüeñal como los elementos responsables de tomar la energía mecánica que se produce en el motor para hacer posible el andar.

Sin embargo, ese movimiento o recorrido no es siempre igual, porque en las calles y vías hay irregularidades, en pendientes, baches, etc. El motor no tiene la capacidad de hacer transmitir diferentes niveles de fuerza mecánica al funcionamiento del vehículo según sea la necesidad, lo que sí puede es dar diferentes rpm según sea la exigencia del conductor, pero con ayuda.

Imagine el caso en que tenemos nuestro vehículo estacionado, iniciamos el motor y las rpm se van integras a las ruedas desde ese momento. ¿Qué pasaría?, en ese momento sería bueno no contar con una pared de frente, ¿no creen? Aquí entra el efecto de la existencia de la caja de cambios, la cual en primera instancia regulará las revoluciones transmitidas por el vehículo según sea la necesidad del conductor.

📙 Inicios de la caja de cambios

Se dice que Leonardo Da Vinci construyo lo que pudo ser la primera caja de cambios del mundo y lo hizo de alguna manera apasionado por el avance tecnológico de su época. Da Vinci invento un cambio de velocidad compuesto por dos piezas, una cilíndrica y otra cónica que mediante una serie de engranajes convertía el mecanismo en un cambio de velocidades. Definitivamente algo muy ingenioso para la época del célebre y polifacético personaje.

En el año de 1889, un hombre muy famoso por sus contribuciones a la industria automotriz y al campo de la aeronáutica, Fred Lanchester, inicio una investigación sobre un tema muy interesante, "engranajes epicíclicos" y luego, una vez dominado el tema pudo utilizar este sistema porque encontró muchas ventajas con respecto al tipo de cambios convencional.

Lanchester concluyó que la transmisión del par motor podía continuar su movimiento durante el cambio de piñón, ya que los dientes quedaban distribuidos sobre varios piñones y no solamente sobre un par.

Al cabo de cierto tiempo la idea de Fred Lanchester fue aceptada y probada por otros grandes de la industria automotriz, como el propio Henry Ford. La automotriz americana utilizó la idea de la caja de Fred en su famoso modelo T, el cual tenía dos cambios o dos velocidades y la marcha atrás o el retroceso. El resultado de tal inversión fue todo un éxito, ya que más de 15 millones de unidades fueron vendidas con este mecanismo.

📘 Función del lubricante en la caja de cambios

Este debe cumplir ciertos requisitos de calidad y certificación de acuerdo a normas internacionales, normalmente estos aceites se caracterizan por tener menos aditivo extrema presión en comparación a un aceite de eje trasero diferencial.

Los aceites que más se usan en este tipo de aplicaciones son aquellos que cumplen con la indicación del fabricante API G L 4, grado 80 w o similar. También puede usarse un aceite de motor, de preferencia monogrado SAE 40 o SAE 50, según indicación del fabricante de la caja de cambios.

Un aceite muy viscoso dificulta la operación de apegarse de los conos de sincronización, este aceite no se desplaza, crea dificultades a los cambios de marcha, aumenta la fricción entre los conos, la temperatura de los mecanismos se eleva producto del roce, oxidando el aceite y provocando daños a las piezas de sincronización.

Un aceite viscoso circula más lento entre los cojinetes, se ponen más pesados para girar, creando resistencia al giro del motor, esto lo lleva a gastar más combustible. El requisito indispensable que debe cumplir el aceite de caja de cambios, cuando se aproximan los conos de sincronización, tiene que desplazarse rápidamente para que los discos se frenen y enganchen sus dientes.

Si el paquete de aditivo es demasiado fuerte, este mantiene la protección y no permite el contacto firme entre superficies diseñadas para apegarse y frenar, limitando la sincronización, quemando los sincronizadores y recalentando al aceite.

📚 Funcionamiento de los dispositivos de sincronización

Para entender por qué fallan prematuramente. Los dispositivos de sincronización giran siempre a la misma velocidad que el eje principal (secundario), ya que la rotación es transmitida a través de las piezas de arrastre provistas de estrías. La misión del dispositivo de sincronización es llevar rápidamente los engranajes desplazables a la misma velocidad que el eje principal al cambiar de marcha.

Existe una diferencia de velocidad entre el cono exterior y el interior, además se interpone una película de aceite que debe ser desplazada. El cono interior gira por medio de la fricción con respecto del cono exterior, la corona desplazable al ser empujada por la horquilla bloquea su movimiento axial quedando trabada, pero como la horquilla quiere todavía desplazar más la corona, aumenta la fricción entre el cono interior y el exterior, de esa manera se obliga al engranaje desplazable a alcanzar la misma velocidad que el eje principal (secundario).

Cuando los conos de sincronización interior y exterior giran a la misma velocidad, se alivia la presión entre el disco de la corona desplazable y la ranura en el tope del cambio, ahora la corona puede desplazarse un poco más en el sentido axial permitiendo el engrane con los dientes del engranaje desplazable.

El mecanismo del cambio consiste básicamente en una “palanca” de cambios de la cual tira el conductor, esta palanca esta dimensionada por el fabricante del vehículo para que el conductor encuentre cierta dificultad al efectuar la operación del cambio de marcha, para permitir cierta demora en los movimientos internos que faciliten que se produzcan los engranes de modo correcto sin dañar los conos de sincronización.

Esta acción se transmite desde la palanca de cambios a un transbulador, luego mediante árbol cardanico o transmisión por cable de acero, este movimiento rectilíneo/circular llega a la tapa de la caja de cambios donde es recepcionado por las barras correderas que normalmente son tres, estas a su vez comandan las horquillas que seleccionan las marchas.

✅ ¿Cómo aumentar la vida útil de la caja de cambios?

Para aumentar la vida útil de la caja de cambios de nuestros vehículos es importante tener en cuenta los siguientes pasos y cumplirlos.

1. Mantener limpia la carcasa de la caja de cambios, ya que esta constituye el radiador de refrigeración del aceite de lubricación, el aceite debe mantener una temperatura constante entre 60º a 80º C., preferentemente.
2. Cambiar el aceite según la frecuencia determinada de común acuerdo con el fabricante del aceite y el respaldo de su laboratorio.
3. Tomar varias muestras de aceite, hacerlas analizar, por lo menos una tres veces por año.
4. En la estación de invierno acortar la frecuencia cambio de aceite, este mecanismo a modo natural admite agua por respiraderos y sellos defectuosos en la época fría y húmeda.
5. Mantener limpio y hermético el racor de salida del tubo elástico de respiración de la caja de cambios, si es necesario alejarlo lo más que se pueda de cualquier fuente de riesgo de ingreso de contaminantes.

Si es posible y la condición operativa así lo recomienda, rediseñar el respiradero, una manguera larga curvada, en esta se puede montar un pequeño filtro humedecido en aceite (como los que se ponían a los carburadores antiguos en la línea de abastecimiento de gasolina). Medida 100% efectiva en las maquinas con motor trasero.

6. Mantener bien ajustado los mecanismos de selección de los cambios, una buena disposición de ellos, evitara la descoordinación del conductor al seleccionar una marcha.

Hemos detallado tópicos relacionados acerca de la caja de cambios, sus inicios, concepto, funcionamiento, partes, tipos, su sistema de lubricación, entre otros. Todos nuestros autos utilizan una caja de cambios, ya sea automática o manual es por ello que el conocimiento acerca de este sistema es tan importante.

Saber por qué suceden ciertos mecanismos dentro de nuestro vehículo nos abrirá más la mente en cuanto a saber cuidarlo y escucharlo, sí escucharlo. Porque, aunque usted no lo crea los vehículos sí hablan y es tarea de nosotros aprender a escucharlos.

Ponerte En Marcha...

Ahora a cuidar nuestras caja de cambios para que  nos perdure y tenga mayor tiempo de vida; no olvidemos que la caja de cambios es la vida de tu vehículo, te proporciona la estabilidad y la seguridad que necesitas a la hora de ponerte en marcha.

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