UNIDAD 1 Caja de Cabios

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DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES

DEL VEHÍCULO (Caja de Cambios)

UNIDAD 1

La caja de cambios, hace parte indispensable de los componentes del vehículo. En la primera

unidad, se analizara de manera general el estudio básico de los engranes, los elementos que se

deben tener en cuenta para su diseño y construcción, los tipos de piñones y sus características.

Final mente abordaremos la conformación básica de una caja de cambios en lo que corresponde a

los ejes principales que la Conforman.


TABLA DE CONTENIDO

ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA .......................................................................................... 3

TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES .................................................................................................... 3

ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES ............................................................................................................... 4

ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS .............................................................................................. 5

ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES .................................................................................... 5

DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN ........................................................................................................... 6

LA CAJA DE CAMBIOS .............................................................................................................................. 7

EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA ................................................................................................................ 8

EJE INTERMEDIO O EJE MASA.......................................................................................................................... 9

PIÑONES Y EJE DE SALIDA .............................................................................................................................. 10

ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE ................................................................... 11

PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR ..................................................... 12

CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES ......................................................................... 13

CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES ............................................................................ 14

CIBERGRAFÍA ........................................................................................................................................ 15

IMÁGENES ............................................................................................................................................ 15

CRÉDITOS ............................................................................................................................................. 16


ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA

El embrague es el mecanismo encargado de conectar y desconectar este movimiento, pero

necesitamos otro mecanismo capaz de permitir al vehículo cambiar de velocidad, de acuerdo a las

necesidades. Como el motor está variando constantemente en su número de revoluciones, por lo que

se hace necesario aprovechar su mayor Torque en todas las condiciones de marcha, es decir

necesitaremos transmitir este mejor torque hasta las ruedas motrices del automóvil. Para ello se

utiliza una caja de cambios, para enviar la mayor fuerza posible hasta las ruedas, ya que durante el

arranque o inicio de marcha del vehículo se requerirá mayor torque, independiente de la carga y de

la aceleración y se deberá mantener una velocidad uniforme acorde al camino. También la caja de

cambios deberá permitir seleccionar una marcha en sentido opuesto, para que el vehículo pueda

conducirse hacia atrás.

.

TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES

El procedimiento más utilizado para transmitir la

fuerza del motor y el trabajo de la caja de cambios

manual son los piñones. Por ejemplo piñón amarillo

de 12 dientes conduce al piñón verde de 20 dientes.

Esta última gira a menor número de revoluciones pero

con mayor fuerza, de acuerdo a la siguiente fórmula:

N1 * Z1 = N2 * Z2

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Imagen 1


En donde:

N1 es el número de revoluciones del piñón conductor,

Z1 el número de dientes del conductor,

N2 el número de revoluciones del piñón conducido,

Z2 el número de dientes del conducido.

Obtendremos que por cada giro que realiza el piñón conductor (piñón amarillo), el piñón conducido

(piñón verde) gira 0.6 partes de vuelta pero como se indico esa porción de revolución la realiza con

mucha mas fuerza

ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES

La forma de los piñones o su diseño realmente no interfieren en la transmisión de la fuerza del uno

hasta el otro. Podemos observar en la imagen una corona dentada, cuyos dientes están dirigidos

hacia su parte interna, mientras que el piñón interno lo impulsa; En este caso se pueden dar dos tipos

de relación de movimiento.

CUANDO EL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O IMPULSA AL PIÑÓN

DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES:

Es el piñón pequeño impulsor, requerirá de

más vueltas para obligar a girar una vuelta al

piñón grande, pero la fuerza que se obtiene en

el piñón grande será mucho mayor, aunque su

giro sea más lento y esta relación está dada

exclusivamente por la relación o división

entre el número de dientes del piñón

conducido y el número de dientes del piñón

conductor.

CUANDO EL PIÑÓN DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O

IMPULSA AL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES:

Sera el piñón grande impulsa al piñón pequeño, se obtendrá mayor velocidad en el pequeño, pero

con menor fuerza, en la misma relación de la velocidad, entre ellos, como lo habíamos mencionado.

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Imagen 2


ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS

El piñón es rueda dentada, cuyos dientes pueden

engranar con los dientes de otro piñón, de menor o

mayor diámetro y número de dientes que el

primero, para transmitir un movimiento.

Este diseño, aunque teóricamente el más apropiado,

debido a que no tiene un mayor porcentaje de

"desperdicio" de transmisión de fuerza, producirá

ruido durante la transmisión del movimiento.

ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES

En el caso de este tipo de piñones,

lamentablemente la reducción del ruido durante

la transmisión de fuerzas ocasiona una pequeña

pero significativa reducción de la fuerza y del

torque transmitido, debido a que parte de la

fuerza que transmite el piñón conductor se dirige

de forma axial y no directamente hacia el piñón

conducido, ya que la forma de los dientes genera

estas fuerzas laterales, además de la fuerza radial.

Este factor de "desperdicio o reducción" de la

fuerza conductora realmente es un valor

despreciable, considerando las ventajas que

ofrece, es decir nivelar casi imperceptibles de

ruido y mayor número de superficie de los dientes en contacto durante la transmisión de fuerzas,

tema este último tal vez más importante que el factor anterior anotado.

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Imagen 3

Imagen 4


DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN

El diseño de los piñones modernos de una caja de cambios mecánica permite un trabajo suave y

eficiente, e intenta mantener un nivel de ruido muy bajo.

Para lograrlo, el diseño de los dientes de un piñón ha sido cuidadosamente estudiado, para que la

transmisión de la fuerza motriz hacia el resto de engranajes se produzca sin ruido, con el mayor

torque posible y se produzca un trabajo esforzado de cada piñón sin que se produzcan desgastes.

En el gráfico podemos apreciar el corte de un piñón, en el cual notaremos que este diseño de los

dientes permite que la superficie de contacto entre ellos sea la mayor posible; esto se debe a que un

diente está en contacto con el diente del otro piñón, pero además otros dientes también tienen una

gran parte de sus superficies en contacto, ya que al tener esta inclinación unos estarán iniciando su

contacto, mientras otros estarán finalizando. De esta manera se pueden transmitir grandes torques

entre engranajes, con suavidad y gran eficiencia, y sobre todo con un mínimo de desperdicio en

fuerzas laterales.

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Imagen 5


LA CAJA DE CAMBIOS

La caja de cambios inicialmente fue diseñada con mecanismos de cambio de tres velocidades. Con

el pasar de los años se diseñaron cajas de cuatro y cinco velocidades y en algunos vehículos

deportivos hasta de seis velocidades.

La caja de cambios está conformada básicamente por tres ejes de piñones, a pesar de que este diseño

inicial, que en algunos vehículos se lo mantiene actualmente, se ha cambiado con otro diseño,

especialmente debido a las características propias de cada diseño que realizan los distintos

fabricantes y a la forma de transmitir esta fuerza hasta las ruedas motrices, ya sea delanteras o

traseras.

El Motor transmite su fuerza hasta el disco de embrague, el mismo que envía esta fuerza por medio

de una manzana estriada hasta el eje "motriz" de la caja. Este eje está engranado con un piñón que

forma parte de un conjunto de piñones llamados eje intermedio o "masa", debido a que son varios

piñones trabajados en un solo conjunto y que giran transmitiendo este movimiento recibido a varios

piñones de forma simultánea.

Cada piñón de la respectiva marcha recibe el movimiento de un piñón del eje intermedio. De

acuerdo a la selección de la velocidad requerida, estos piñones se volverán sólidos al eje de salida o

eje estriado, cuyo movimiento se enviará al diferencial y ruedas a través del eje cardán o propulsor.

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Imagen 6


EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA

Nos hemos referido al eje Motriz como el eje que, recibiendo el impulso del motor a través del

sistema de embrague y precisamente del disco, es el eje que comanda el giro y movimiento de los

piñones de la caja de cambios mecánica.

El extremo inicial del eje motriz está apoyado y girando dentro de un buje o rodamiento dentro del

mismo cigüeñal y en su otro extremo dispone del piñón de mando y un dentado para en engrane del

collarín, al cual nos referiremos más tarde.

Antes del dentado dispone de una superficie cilíndrica, sobre la cual se inserta el rodamiento que se

aloja en el cuerpo de la caja internamente (del lado del piñón), el eje motriz dispone de un

rodamiento de palillos, sobre el cual se apoyará e insertará la punta del eje de salida o eje estriado.

El eje motriz está sujetado por una tapa, en la cual se ha instalado un tubo guía, que sirve de pista de

deslizamiento del rodamiento del embrague.

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Imagen 7

Imagen 8


EJE INTERMEDIO O EJE MASA

Como habíamos dicho anteriormente, el movimiento del eje motriz se transmite hasta el piñón de

entrada del eje intermedio, llamado comúnmente "masa", ya que lo conforman varios piñones en un

solo cuerpo, o masa de varios piñones, como lo podemos observar en la figura.

Como este eje intermedio es un conjunto sólido de varios piñones, giran sobre un eje con

rodamientos generalmente de palillos, para recibir el impulso del eje motriz.

La relación de transmisión entre el piñón del eje motriz y el piñón del eje intermedio puede ser,

dependiendo del vehículo y del diseño, alrededor de tres vueltas a una, relación que la analizaremos

adelante, cuando realicemos los cálculos de relaciones de transmisión de la caja mecánica.

Al girar el eje intermedio, cada piñón deberá impulsar a otro piñón del eje de salida o eje estriado,

con diferentes relaciones de transmisión, es decir, cada vez con mayor velocidad pero menor fuerza

a la salida del eje estriado.

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Imagen 9

Imagen 10


PIÑONES Y EJE DE SALIDA

Al girar en su eje, el conjunto de piñones intermedios engranan con los piñones individuales de cada

marcha, los mismos que están girando sobre rodamientos en el eje de salida o eje estriado, sin

transmitir al eje estriado la fuerza y el giro recibido del piñón masa (piñones no solidarios).

Realmente esta es la diferencia de las primeras cajas de cambio con la caja mecánica moderna, ya

que en las primeras se obligaba al piñón de cada marcha a engranarse con el piñón del eje de salida

para transmitir su movimiento, deslizándola sobre el eje estudiado.

En el caso de las cajas modernas, la transmisión del movimiento de cada par de piñones de la

marcha respectiva se logra, ya que ellos están engranados de forma constante (toma constante),

cuando se convierte al piñón individual solidario al eje estriado. De este trabajo se encarga el

Collarín con el sistema de sincronización, tema que lo analizaremos adelante y en el momento

oportuno.

Por el momento mencionemos que la velocidad en el eje de salida dependerá del número de dientes

de los piñones del eje intermedio que engranen con el piñón de cada marcha y su número de dientes.

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Imagen 11


ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE

Para seleccionar una marcha, se ha obligado al piñón respectivo a desplazarse o deslizarse en el eje

estriado hasta engranar con el piñón del eje intermedio, el mismo que está recibiendo la fuerza y el

giro del eje motriz. En la primera velocidad se engrana el piñón grande, saliendo al eje estriado

mayor fuerza, pero menos velocidad; en la segunda velocidad se engrana el piñón más pequeño,

saliendo al eje estriado una mayor velocidad pero con menor fuerza que en el caso anterior.

Finalmente en la tercera velocidad se engrana directamente el eje estriado con el piñón motriz,

saliendo la fuerza de forma directa desde el eje motriz hacia el eje de salida.

En cambio, para engranar la marcha, se puede utilizar el sistema de engrane con "Dogs" o garras de

engrane, este sistema no dispone de un método de sincronización o frenado de los piñones que

deben engranar, ya que es el collarín con unas garras en sus paredes laterales, quien se engrana en

unas ranuras de la misma forma trabajadas en las paredes laterales de cada piñón. Esto suele ser muy

brusco, ya que al estar girando el collarín a un diferente número de revoluciones que el piñón con el

cual debe engranar, se producirán choques que no permitirán un fácil engrane. Este sistema es muy

utilizado especialmente en los autos de competencia.

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Imagen 12


PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR

Para poder seleccionar una marcha o velocidad en la caja mecánica se debe previamente presionar el

pedal del embrague, para que la fuerza del motor hacia el eje motriz se interrumpa, ya que en este

momento el volante de inercia, el disco y el plato están obligando a girar al eje motriz junto al giro

del eje cigueñal del motor.

Al presionar el pedal del embrague, el cilindro principal envía presión hidráulica al cilindro

secundario y el pistón de este segundo cilindro empuja a la horquilla.

Este empuje se transmite hasta el rodamiento o rulemán de embrague, el mismo que empuja a las

patas o cremallera del plato de presión.

En este momento el plato de fricción se retira, liberando al disco de embrague, dejándose en este

momento de transmitir la fuerza del motor hacia el eje motriz de la caja; Justamente esta

desconexión de la fuerza permite seleccionar cada velocidad.

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Imagen 13


CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES

Para explicar de mejor manera la forma de seleccionar las diferentes velocidades o marchas de una

caja mecánica podemos observar los gráficos, presionando sobre el botón de la marcha que

deseamos seleccionar.

De esta manera podemos ver al collarín durante su desplazamiento, engranando con el sector

dentado de cada piñón. De esta forma el piñón se convierte sólido al eje estriado y las revoluciones

de giro del eje de salida dependerán de la relación entre el número de dientes del piñón conducido y

el piñón conductor.

Podemos notar que en el caso de la selección de la marcha atrás, el mismo collarín de la primera y

segunda velocidades tiene un piñón, para que un piñón adicional, llamado comúnmente piñón loco,

ya que gira en su propio eje, se desplaza y engrana entre los dos piñones, cambiando de esta forma

el sentido de giro.

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Imagen 14


CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES

Ahora que ya hemos conocido y relacionado la estructura de una caja de cambios tradicional de

cuatro velocidades, revisemos la estructura, tal vez un poco más compleja de una caja de cinco

velocidades.

Esta caja difiere de la estructura anterior básicamente en que el eje intermedio (masa) dispone de un

piñón adicional, así como el eje estriado o eje de salida. Estos dos piñones permiten seleccionar una

quinta velocidad, aumentando la velocidad del eje de salida y por lo tanto la velocidad final del

vehículo, inclusive girando el eje de salida a mayor número de revoluciones del motor (sobre

marcha).

Adicionalmente podemos observar que el piñón de marcha atrás ya no se desplaza para engranar con

el piñón de cambio de giro (piñón loco), sino que el piñón de esta marcha está también en toma

constante como el resto de piñones de las marchas hacia adelante.

También podemos notar que en este caso la marcha atrás también dispone de un elemento

sincronizador.

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CIBERGRAFÍA

Diseño de Engranes: Soft, Coyote. "Diseño Mecánico I." . Pontificia Universidad Católica de

Chile, 18 1999. Web. 15 Oct 2012.

<http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/engrana/disenoa.html>.

Cálculo Piñones: Saranet, Soluciones. "Cálculo de los Diámetros de los Piñones." . Sistemas

Mecánicos Gaes, 14 2012. Web. 13 Oct 2012.

<http://www.gaessa.com/GAES/Castellano/Productos/Transmisiones/Cadena/DATOS_TEC

NICOS/CALCULO_DIAMETRO.shtml>.

Cajas de cambios mecánicas: Inostroza, Darwin. "“Caja de Cambios Mecánica y sus

componentes más Críticos." . mantenimiento Mundial, 10 2007. Web. 05 Oct 2012.

<www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/Caja.pdf>.

Caja de Cambios: Darry, Meganeboy. “Cajas de Cambio”. Aficionados a la Mecánica, n.d.

Web 15 Oct 2012 http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm.

Transmisión de fuerza: USA, Cars. "How Cars Work." . USA American Cars, n.d. Web. 14

Nov 2012. <http://3carsz.com/transmission/how-manual-transmission-work_1114>.

IMÁGENES

Imagen 1: © Sena 2012







Imagen 8: Dany, Meganeboy."Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15

Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>.


Imagen 10: Dany, Meganeboy. "Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15

Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>.





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http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm


CRÉDITOS

Experto Temático:

Carlos Edwin Abello Rubiano

Asesor Pedagógico:

Luisa Fernanda González Guarnizo

Guionista:

Alexandra Johanna Bazurto Galvis

Equipo de Diseño:

Lina Marcela García López

Dalys Ortegón Caicedo

Nazly María Victoria Díaz Vera

Equipo de Programación:

Charles Richard Torres Moreno

Luis Fernando Amórtegui Garcia

Líder de Línea

Julian Andres Mora Gómez

Líderes de Proyecto:

Carlos Fernando Cometa Hortua

Juan Pablo Vale Echeverry

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