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Caja de cambios mecánica

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INDICE

1. 2. 3. 4. 5.

6.

7.

8. 9.

10.

11. 12. 13. 14.

Introducción ....................................................................................... 3 Objetivos ............................................................................................. 3 Definición - Información general..................................................... 3 Tipos de cajas de cambios................................................................. 4 Funciones de la caja de cambios mecánica..................................... 5 5.1. Relación de Transmisión...................................................... 5 5.2. Tren de engranajes epicicloidales....................................... 7 Caja de cambios manual: Componentes principales .................... 9 6.1. Cárter de embrague.............................................................. 9 6.2. Caja de cambios básica: árbol primario y árbol secundario............................................................................ 10 6.3. Caja de cambios básica: árbol intermediario y árbol de marcha atrás ................................................................... 11 6.4. Caja de cambios básica: horquillas de selección y bomba de aceite................................................................... 12 Mecanismo de alcances................................................................... 13 7.1. Gama alta (A) ...................................................................... 14 7.2. Gama baja (B) ...................................................................... 14 Funcionamiento del mecanismo de alcances............................... 15 Reductora o “splitter” ..................................................................... 16 9.1. Funcionamiento de la reductora....................................... 17 9.1.1. Reductora: Gama Alta........................................... 18 9.1.2. Reductora: Gama Baja........................................... 20 Caja de cambios manual: sincronización de componentes........ 22 10.1. Funcionamiento de la sincronización .............................. 23 10.2. Funcionamiento de los dispositivos de sincronización ..................................................................... 24 Componentes externos de la caja de cambios.............................. 24 Caja de cambios manual ................................................................. 25 Otros tipos de sincronización......................................................... 26 Caja de cambios de engranajes deslizantes.................................. 28 14.1. Introducción ........................................................................ 28 14.2. Objetivos .............................................................................. 28 14.3. Mecanismos de Accionamiento ........................................ 31

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1. Introducción En esta lección se describen los conceptos básicos, funcionamiento y características que poseen las cajas de cambio mecánicas en la maquinaria fuera de carretera. 2. Objetivos Al terminar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: 1. Describir el funcionamiento de una caja de cambios mecánica. 2. Identificar los componentes principales que forman parte de una caja de cambios mecánica. 3. Determinar los parámetros de montaje de una caja mecánica siguiendo las recomendaciones del Manual de Servicio del componente. 3. Definición - Información general La caja de cambio es el componente de la transmisión que se ocupa de la regulación de los cambios de par del vehículo. El par de torsión se modifica de acuerdo con la marcha seleccionada en la caja de cambios. Si el vehículo no dispusiera de caja de cambios, es decir, si el motor estuviera directamente conectado a las ruedas conducidas, la velocidad del vehículo no sobrepasaría los 8 km/h. Esto se debe a que las variaciones de par serían insignificantes. En Resumen La caja de cambios regula las relaciones de par motor del vehículo. A un par alto le corresponde una marcha corta. A mayor velocidad, más larga debe ser la marcha.

Figura 1

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4. Tipos de cajas de cambios En los últimos años, el desarrollo de la transmisión se ha concentrado en la caja de cambios. El objetivo es mejorar las características de conducción del vehículo y simplificar la labor del conductor. Se ha desarrollado una serie de modelos de caja de cambios construidas para vehículos específicos en función de las tareas que debe ejecutar el vehículo. Las cajas de cambios se dividen en tres grupos fundamentales: •

Cajas de cambios manuales (1): los cambios de marcha los efectúa el conductor.

•

Cajas de cambios automáticas (2): los cambios de marcha son completamente automáticos con ayuda de la información obtenida por los sensores y otras unidades de mando del vehículo.

•

Cajas de cambio semiautomáticas (3): el conductor selecciona las marchas y un sistema electrónico controla los cambios.

Figura 2

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5. Funciones de la caja de cambios mecánica El par generado por el motor diesel no puede estar conectado directamente a las ruedas del equipo. Esto se debe a que el motor trabaja a su máxima eficiencia en un corto rango de revoluciones, sin embargo en la operación del equipo se requiere de una amplia gama de velocidades. Otro inconveniente se genera debido a que el motor solo tiene un sentido de giro, si el acople fuera directo el equipo se desplazaría también en un solo sentido. Estos inconvenientes se superan instalando la caja de cambios en el sistema de transmisión del equipo. La función de la caja de cambios es de proporcionar una amplia gama de velocidades y de invertir el sentido de giro del eje de transmisión. Al realizar la transformación de la velocidad también se transforma el torque generado por el motor. Esta transformación del torque se realiza por medio de engranajes, aplicando el concepto de Relación de Transmisión.

Figura 3

5.1.

Relación de Transmisión Realicemos un análisis del conjunto de engranajes mostrado en la figura.

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Figura 4

T1 y n1 son el torque y las revoluciones del eje conductor o eje motriz. T2 y n2 son el torque y las revoluciones del eje conducido. Para este conjunto de engranajes se observa el cambio en el sentido de giro, además de un aumento de las rpm debido a la diferencia de tamaño de los engranajes o lo que es lo mismo, a la diferencia en el número de dientes entre los engranajes. Despreciando las pérdidas generadas en la transmisión se tiene que para una misma potencia:

T1 × n1 = T2 × n2 ⇒

T1 n2 = = Rt T2 n1

Donde Rt es la relación de transmisión. Se observa que los pares de transmisión son inversamente proporcionales al número de revoluciones. Los engranajes utilizados en una caja de transmisión, son engranajes de acero al carbono y poseen un tratamiento térmico de temple y cementación para obtener la máxima dureza y resistencia al desgaste.

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Figura 5

5.2.

Tren de engranajes epicicloidales Un tren epicicloidal es un mecanismo ingenioso que permite obtener diferentes relaciones de transmisión bloqueando uno de sus componentes.

Figura 6

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Los tres componentes del tren epicicloidal – planetario, satélites y corona – pueden moverse libremente sin transmitir movimiento alguno pero al bloquearse uno de los componentes, los restantes pueden girar, transmitiéndose el movimiento con una relación de transmisión diferente dependiendo de que componente haya sido bloqueado. Para calcular las relaciones de transmisión que pueden obtenerse en un tren epicicloidal, se recurre a las fórmulas de Willis a través de la siguiente ecuación:

n2 = n1 n2 n3 z1 y z3

= = = =

1 (z3 × n3 + z1 × n1 ) z3 + z1

rpm del engranaje planetario rpm del eje portasatélites rpm de la corona número de dientes del planetario y corona respectivamente.

Figura 7

•

Caso corona bloqueada El caso particular de corona bloqueada en el tren epicicloidal es usado tanto en la caja de transmisión mecánica como en los mandos finales de la maquinaria pesada. Al encontrarse la corona bloqueada la velocidad n3 = 0, por lo tanto:

n2 =

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z1 × n1 z3 + z1


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6. Caja de cambios manual: Componentes principales Los componentes descritos forman parte de una caja de cambios básica, sin embargo existen componentes y mecanismos adicionales que proporcionan una mayor gama de velocidades a la transmisión. La caja de cambios está dividida fundamentalmente en cuatro partes:

Figura 8

Cárter del embrague (C) – este cárter une la caja de cambios al motor y protege el embrague. Reductora (S) – la reductora proporciona a los piñones dos gamas, permitiendo la utilización de velocidades de gama alta y gama baja. Caja de cambios básica (B) – La caja de cambios básica contiene los piñones básicos, un piñón de marcha ultralenta y piñones de marcha atrás. Mecanismo de alcances (R) – el mecanismo de alcances consiste en un engranaje planetario que dobla el número de velocidades operativas de la caja de cambios básica (B). 6.1.

Cárter de embrague El cárter de embrague conecta la caja de cambios al motor. También protege el embrague.

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Figura 9

6.2.

Caja de cambios básica: árbol primario y árbol secundario Árbol primario (1) También llamado árbol de entrada, el primario se encarga de transmitir el par motor a la caja de cambios. El par se transmite a través del disco de embrague. Este árbol va apoyado en cojinetes instalados en el cárter de embrague. Árbol principal (2) El árbol principal lleva los cinco piñones de cambios sincronizados. Estos piñones giran locos sobre cojinetes de agujas y cojinetes de rodillos. Este árbol va apoyado en el primario y en cojinetes de rodillos instalados en el cárter de la caja de cambios básica.

Figura 10

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6.3.

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Caja de cambios básica: árbol intermediario y árbol de marcha atrás Árbol intermediario (1) El árbol intermediario sólo lleva piñones fijos, es decir, piñones que se han instalado a presión en el árbol y que siempre giran a la misma velocidad que el árbol. El intermediario recibe el par transmitido por el primario y va apoyado en el interior del cárter del embrague y el cárter trasero de la caja de cambios.

Árbol de marcha atrás (2) El piñón de marcha atrás va instalado en el árbol de marcha atrás. El piñón de marcha atrás está ubicado entre el piñón conductor, situado en el árbol principal, y el piñón de toma de fuerza, instalado en el intermediario. La función del piñón de marcha atrás es cambiar el sentido de giro del árbol principal y el árbol de salida o secundario. Cuando el piñón de marcha atrás cambia el sentido de giro del árbol principal, el movimiento inverso se transmite a través del secundario a las ruedas motrices y el vehículo retrocede.

Figura 11

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6.4.

Caja de cambios básica: horquillas de selección y bomba de aceite Aparte de árboles y engranajes, la caja de cambios básica incluye horquillas de selección y la bomba de aceite. Horquillas de selección (1) Las horquillas de selección regulan el movimiento de los manguitos de acoplamiento del eje principal para engranar las diferentes velocidades. Las horquillas selectoras reciben el movimiento selector de los ejes selectores. Están instalados con fiadores formando juntos la unidad de selección. Bomba de aceite (2) Las cajas de cambios de mayor tamaño se engrasan mediante bombas de aceite que envía el aceite a todos los puntos de engrase de la caja. La bomba de aceite va sujeta en el interior de la caja de cambios. La acciona un piñón conectado al intermediario, a través del piñón de marcha atrás.

Figura 12

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7. Mecanismo de alcances La caja de cambios va apoyada por un mecanismo de alcances de doblamiento de las velocidades: • •

Gama alta Gama baja

El uso del mecanismo de alcances dobla el número de velocidades de la caja de cambios básica, tal como se requiere para los camiones modernos. El mecanismo de alcances consiste en un engranaje planetario que transmite directamente el par motor desde el eje principal a los piñones conductores: 1. 2. 3. 4. 5.

Satélite Corona Anillo de acoplamiento Piñón central Portasatélites

De los cambios de velocidades del mecanismo de alcances se ocupa un cilindro neumático (6).

Figura 13

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Figura 14

7.1.

Gama alta (A) Cuando la corona (1) queda bloqueada al portasatélites por medio de un anillo de acoplamiento (2), gira toda la unidad trasera de satélites. El par motor transmitido por la caja de cambios básica atraviesa directamente el engranaje planetario. De este modo, la caja de cambios funciona con la gama alta de las velocidades.

7.2.

Gama baja (B) La corona (3) queda bloqueada al cárter de la caja de cambios provocando el giro de los satélites situados entre la corona (3) y el piñón central. Los portasatélites (5) giran en el mismo sentido que el piñón central pero a una velocidad más lenta. De este modo, el par motor transmitido por la caja de cambios debe pasar por los satélites activándose la gama baja de las velocidades.

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Figura 15

8. Funcionamiento del mecanismo de alcances Un interruptor situado en el pomo de la palanca sirve para accionar el mecanismo de alcances. Para seleccionar la gama baja, empuje el interruptor hacia abajo (1). Actúa sobre el primer y el tercer piñón. Para seleccionar la gama alta, levante el interruptor (1). Actúa sobre el cuarto y el sexto piñón.

Corona bloqueada al cárter de la caja. Gama baja.

Corona bloqueada al eje del portasatélites. Gama alta. Figura 16

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Al accionar el interruptor hacia abajo se desacoplan la caja y el eje portasatélites y se acopla la corona al cárter de la caja girando los satélites alrededor de sus ejes. De esta manera se produce la reducción de las velocidades.

Circuito neumático de caja de cambios y embrague

Figura 17

9. Reductora o “splitter” El propósito de la reductora es “seccionar” las velocidades de la caja de cambios para proporcionar una gama alta y una gama baja asociada a cada uno de los piñones. CONCLUSIÓN Las cajas de cambios que disponen tanto de una reductora y de un mecanismo de alcances como las SR y VT de Volvo, presentan 12 velocidades de cambios sincronizados, dos de marcha ultralenta y cuatro de marcha atrás sin cambios sincronizados.

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Figura 18

9.1.

Funcionamiento de la reductora Como en el mecanismo de alcances, hay un interruptor situado en el pomo de la palanca que activa o desactiva la reductora. Nota: El interruptor de la reductora no es el mismo que el del mecanismo de alcances. Para seleccionar la gama alta de los piñones, coloque el interruptor en H (Alta). Para seleccionar la gama baja de los piñones, coloque el interruptor en L (Baja). Para el accionamiento del mecanismo reductor, se dispone en el puño de la palanca de cambios de un interruptor que acopla o desacopla el mecanismo por medio de aire comprimido.

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9.1.1.

Reductora: Gama Alta Al poner el interruptor del pomo de la palanca en H (Alta), se activa una válvula de relé (2). La válvula de relé (2) está ubicada de manera que permite el paso de aire comprimido al cilindro neumático (3).

Figura 19

Figura 20

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Al pisar el pedal del embrague, la válvula de mando de la reductora (1) envía el aire al cilindro neumático (2). El aire desplaza el pistón del cilindro para activar la gama alta de los piñones. A continuación, la válvula de mando de la reductora (1) activa un interruptor y enciende un testigo en el panel de instrumentos que indica al conductor que se ha seleccionado la gama alta de los piñones.

Figura 21

Al pisar el pedal del embrague, la válvula de mando de la reductora (1) envía el aire al cilindro neumático (2). El aire desplaza el pistón del cilindro para activar la gama baja de los piñones.

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9.1.2.

Reductora: Gama Baja Al poner el interruptor del pomo de la palanca en L (Baja), se activa una válvula de relé (2). La válvula de relé (2) está ubicada de manera que permite el paso de aire comprimido al cilindro neumático (3).

Figura 22

Al pisar el pedal del embrague, la válvula de mando de la reductora (1) envía el aire al cilindro neumático (2). El aire desplaza el pistón del cilindro para activar la gama baja de los piñones. Este mecanismo acciona las dos gamas de velocidades: Baja (Low) y alta (High). En la figura mostrada se tiene 1°, 2° y 3° con el interruptor accionado en la posición “L” y 4°, 5° y 6° con el interruptor accionado en la posición “H”.

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Figura 23

Resumen: Al acoplar o desacoplar un manguito se cambia la relación de transmisión entre el árbol primario y el intermedio.

Figura 24

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Alta

Baja Figura 25

10. Caja de cambios manual: sincronización de componentes El objetivo de la sincronización es simplificar los cambios de marcha ajustando la diferencia de velocidad entre el árbol principal y el intermediario durante los cambios. La caja de cambios está equipada con muchos dispositivos de sincronización: 1. 2. 3. 4. 5.

Manguito de acoplamiento Anillo de acoplamiento Piñón Anillo de sincronización Cuerpo de embrague

Figura 26

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10.1.

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Funcionamiento de la sincronización El cuerpo de embrague está conectado al árbol principal por medio de ranuras. El manguito de acoplamiento rodea el cuerpo de embrague. La función de este manguito es desplazar el cuerpo de embrague hacia el anillo de sincronización y conectarlo al anillo de acoplamiento. El anillo de sincronización queda atrapado entre el cuerpo de embrague y el anillo de acoplamiento por la acción del manguito. El roce producido en el anillo de sincronización regula las velocidades del cuerpo de embrague y el manguito. Además de alcanzar la misma velocidad, el manguito engrana con el anillo de acoplamiento. En esta posición, el piñón va completamente fijo en el eje principal a través del cuerpo de embrague y puede transmitir el par motor a las ruedas motrices a través del secundario.

Figura 27

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10.2.

Funcionamiento de los dispositivos de sincronización El juego de dispositivos de sincronización funciona del siguiente modo: El anillo de sincronización (4) queda atrapado entre el cuerpo de embrague (5) y el anillo de acoplamiento (2) por la acción del manguito de acoplamiento (1). El roce producido en el anillo de sincronización regula las velocidades del cuerpo de embrague y el manguito. Además de alcanzar la misma velocidad, el manguito engrana con el anillo de acoplamiento. En esta posición, el piñón (3) va completamente fijo en el eje principal a través del cuerpo de embrague y puede transmitir el par motor a las ruedas motrices a través del secundario.

Figura 28

11. Componentes externos de la caja de cambios La caja de cambios está provisto de una serie de componentes externos para evitar que la caja de cambios resulte dañada y para simplificar los cambios de marchas. Estos componentes varían según el modelo de la caja de cambios. Las cajas de cambio constan fundamentalmente de: 1. una válvula de inhibición 2. válvulas de seguridad 3. válvulas de relé

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4. 5. 6. 7. 8.

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válvulas de solenoide una válvula inhibición conexiones eléctricas un sensor un cilindro de regulación

Figura 29

12. Caja de cambios manual La caja de cambios manual se acciona mediante una palanca de cambios (1). La palanca de cambios (1) va apoyada en un soporte guía (2). Al desplazar la palanca (1), el movimiento se transmite a la caja de selección de selección de ejes (5) mediante una barra de transmisión (3) y la palanca de mando (4). La palanca de mando va conectada al eje de regulación lateral (6) de la caja de selección (2). La caja de selección (2) acciona, a su vez, los ejes selectores de la caja de cambios.

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Figura 30

13. Otros tipos de sincronización

Figura 31

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Rueda dentada de marcha Pieza de bloqueo Anillo de sincronización Manguito de cambio Resorte y bolas de fijación Cuerpo de sincronización Anillo de sincronización Superficies cónicas de fricción Rueda dentada de marcha

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Figura 32 Sincronizador en vacío

Figura 33 Sincronizador actuando

Figura 34 Sincronizador engranado

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Anexo

Figura 35

Sincronizador de bloqueo (durante sincronización) Cuando se hace un cambio de velocidad, las planchas de cambio mueven el manguito sincronizador hacia el engranaje seleccionado. El engranaje empuja el anillo de bloqueo sobre el tope del engranaje. Las velocidades comienzan a sincronizarse. Cuando el anillo de bloqueo y el engranaje giran a la misma velocidad, el manguito sincronizador podrá deslizarse sobre los dientes del anillo de bloqueo y sobre los dientes de la maza del engranaje impulsado. Esto completa el cambio.

14. Caja de cambios de engranajes deslizantes 14.1.

Introducción En esta lección se describen los conceptos básicos, funcionamiento y características que poseen las cajas de transmisión de engranes deslizantes.

14.2.

Objetivos Al terminar esta unidad el estudiante estará en capacidad de: Describir el funcionamiento de una caja de transmisión de engranes deslizantes.

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Identificar los componentes principales que forman parte de una caja de transmisión de engrane deslizantes. Desmontar y montar una caja de transmisión siguiendo las instrucciones del fabricante.

Figura 36

•

Caja de Transmisión de engranajes deslizantes en posición neutral Donde: • a1, a2, b1, b2, c1, c2, d1, d2, e1 y e2 son los números de dientes de los respectivos engranajes.

Figura 37

•

Marcha adelante, velocidad primera.

Rt =

a2 d1 × a1 d 2

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Figura 38

•

Marcha adelante, velocidad segunda.

Rt =

a2 c1 × a1 c2

Figura 39

•

Marcha adelante, velocidad tercera.

Rt =

a2 b1 × a1 b2

Figura 40

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•

Marcha adelante, velocidad cuarta (Directa).

Rt = 1 / 1

Figura 41

•

Marcha Retroceso

Rt =

14.3.

a2 e3 e1 a2 e1 × × = × a1 e2 e3 a1 e2

Mecanismos de Accionamiento El desplazamiento de los engranajes de marchas y velocidades se realizan por medio de horquillas, las cuáles son impulsadas por una palanca de cambios.

Figura 42

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La palanca de cambios posee además una placa selectora que evita que se acoplen más de un cambio a la vez. Para evitar que el cambio acoplado se desenganche, existe un mecanismo de enclavamiento compuesto por una billa cargada con un resorte que se fija sobre unas muescas existentes en las varillas de cambio.

Figura 43

1. 2. 3. 4. 5.

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Varilla de accionamiento Alojamiento Billa de acero Resorte Muesca

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