Teoría de Funcionamiento
¿Por qué se necesita una caja de cambios Bueno, la caja de cambios se hace necesaria porque un motor por sí solo no basta. El trabajo que se realiza con la maquinaria de construcción requiere tanto velocidades altas como bajas, pero en cada velocidad el par motor tiene que ser suficiente.
El problema está en que un motor sólo da realmente potencia en una gama determinada de revoluciones por minuto (r.p.m)
Si el motor funciona por debajo de dicha gama no tendrá la potencia necesaria. Se podría construir un motor con un par enorme en una gama amplia de r.p.m. pero tendría que ser tan grande ....
...que se necesitaría un KingKong para operarlo. Por esta razón, se utiliza una caja de cambios con la que se mantiene el motor a las r.pa.m. apropiadas, realizando así un trabajo que de otra manera sería o demasiado lento o demasiado rápido para ese motor. La caja de cambios es lo que da la flexibilidad necesaria para trabajar a diversas velocidades. Entonces, ¿qué es una caja de cambios?
Es un conjunto de engranajes y ejes que transmiten la energía del motor a las ruedas de tracción de la maquinaria.
Y esta caja de cambios ofrece tres grandes ventajas.
En primer lugar, no hay que tener trabajando constantemente la máquina mientras el motor esté funcionando. Basta poner la caja de cambios en punto muerto para que el motor siga girando aunque la maquinaria esté totalmente parada.
En segundo lugar, cuando son grandes la potencia y el par motor que se necesitan, como por ejemplo, para subir algo pesado, se tiene una relación de desmultiplicación elevada en la caja de cambios. Esta elevada relación de desmultiplicación es lo que se denomina, comúnmente, primera velocidad.
Y, finalmente, cuando se necesita velocidad se tiene una relación de desmultiplicación baja o marcha directa.
Hay todo tipo de cajas de cambio. Existen los tipos de engranajes de desplazamiento sincronizado, en los que estos engranajes son deslizantes y el embrague es mecánico de fricción.
Las cajas de cambio “PowerShift” son parecidas a una caja de cambios automática, en cuanto que los engranajes están constantemente engranados y la potencia procede de un convertidor de par. Pero en lugar de cintas de embrague de este tipo, lleva discos de embrague que acoplan las velocidades, y estos embragues hidráulicos no se activan como ningún tipo de regulador mecánico, sino que son accionados por el propio conductor.
De aquí se deduce que, si se entienden estos embragues hidráulicos de disco, se tendrá un conocimiento bastante bueno de lo que es, en general, una transmisión “Power shift”.
Tenemos también la caja de cambios automática, que utiliza un fluido hidráulico para accionar las cintas de embragado. En este tipo de caja de cambios, los engranajes no deslizan, sino que están siempre engranados. Un regulador controla la velocidad y la carga y dirige el aceite hidráulico a aquellas cintas de embrague que proporcionan la mejor relación de desmultiplicación para el trabajo que se está realizando. Para suavizar el proceso, este tipo de transmisión toma su potencia de un acoplamiento hidráulico.
Divisor de par: El divisor de par es casi idéntico al convertidor de par. La diferencia es que el divisor de par tiene un juego de engranajes planetario que multiplica aún más el par cuando la demanda lo requiere. Este es un juego de engranajes planetarios. El portaengranajes va conectado al eje de salida del convertidor de par. Cuando la máquina tiene carga, el portaengranajes y el eje de salida reducen su velocidad. Esto da comienzo al movimiento relativo de los engranajes del juego de engranajes planetarios.
Cuanto mayor sea la carga impuesta sobre la máquina, mayor será el movimiento relativo del juego de engranajes planetarios correspondiente al divisor de par. Esto aumenta cada vez más la ventaja mecánica. Comprenderá mejor esto después de leer la próxima sección, Servotransmisiones Planetarias. El divisor de par se utiliza sólo en las máquinas más grandes porque éstas requieren mayor par para operar. Esto se debe a que el divisor de par puede proporcionar impulsión de convertidor de par cuando se necesita, y conexión mecánica adicional cuando la operación lo
Tomemos como ejemplo un tractor grande de cadenas que cargue por empuje una traílla de gran capacidad, en donde un aumento rápido de par facilitaría la carga en el momento en que la traílla entra en el corte. Otro ejemplo es un tractor grande de cadenas en una aplicación de desgarramiento de roca, en donde se requiere también un aumento en la multiplicación de par.
Durante la marcha a velocidad de trabajo el impulsor solo gira un poco más que la turbina. Sin embargo, debe girar más rápidamente a fin de que continúe descargando aceite y aplique el par a los alabes de la turbina. Esta diferencia de velocidad, o de rpm, representa una pérdida de potencia. Por esta razón se están introduciendo algunas cajas de cambios que tienen un convertidor de par con enclavamiento. Es decir, cuando el equipo alcanza la velocidad de trabajo, el convertidor se enclava. De esto resulta mayor economía de combustible. Además el aceite de la caja de cambios no se calienta en este modo de enclavamiento.
El embrague de traba se conecta a aproximadamente 7,2 km/h (4,5 mph) (Dependiendo del modelo). Durante los cambios el embrague de traba se suelta rápidamente y vuelve a conectarse para reducir las cargas de torsión del tren de fuerza. Dicha operación hace posibles cambios más suaves, prolonga la duración de los componentes y brinda más comodidad al operador.
El avance, el retroceso y los cambios de velocidad se obtienen engranando mecánicamente diferentes “trenes” de engranajes en ejes paralelos. Los engranajes transmiten y modifican la fuerza de impulsión. Un tren de engranajes consta de una serie de engranajes que van conectados o engranados.
El engranaje impulsado hace girar un eje impulsado (conocido como el eje de salida). El engranaje impulsado lo hace girar el engranaje impulsor del tren de fuerza. Como puede ver, el engranaje impulsor y el engranaje impulsado giran en dirección opuesta.
Un tren de engranajes consta de un engranaje impulsor, el engranaje más pequeño a la izquierda, el cual lo hace girar un eje impulsor (conocido como eje de entrada). El engranaje impulsor hace girar el tren de engranajes en el que se encuentra. En algunos casos, un engranaje impulsor y un engranaje impulsado están demasiado separados para engranar. En otros, el engranaje impulsor y el engranaje impulsado deben girar en la misma dirección. En estos casos se coloca una rueda guía entre el engranaje impulsor y el engranaje impulsado. Se usa una rueda guía para cambiar la dirección de rotación del eje impulsado (o de salida).
Esta es la forma en que puede usarse un tren de engranajes para hacer cambios de velocidad. El engranaje impulsor (el engranaje más pequeño a la izquierda) tiene doce dientes. El engranaje impulsor engrana con un engranaje impulsado (el engranaje más grande a la derecha) de veinticuatro dientes. Si el engranaje impulsor gira una rotación completa, cada uno de los doce dientes engrana y hace girar doce dientes del engranaje impulsado.
Si el engranaje impulsor gira una vez (hace un giro completo), los doce dientes de este engranaje empujan doce dientes del engranaje impulsado. Esto hace que el engranaje impulsado haga un medio giro. Por lo tanto, el engranaje impulsor de doce dientes debe girar dos veces para que el engranaje impulsado más grande de veinticuatro dientes haga un giro completo. El engranaje impulsor gira dos veces más rápido que el engranaje impulsado. Dicho de otra forma, el engranaje impulsado de veinticuatro dientes gira más lentamente que el engranaje impulsor de doce dientes. Por esto, este tren de engranajes se lo llama tren de engranajes reductor de velocidad.
Por otra parte, supongamos que el engranaje más grande de veinticuatro dientes se torna en engranaje impulsor (ilustración anterior). Mientras el engranaje grande gira una vez, el engranaje pequeño de doce dientes (que ahora es el engranaje impulsado gira dos veces. Este tren de engranajes es ahora un tren de engranajes de aumento de velocidad.
Principios de cambios de sentido de marcha: El cambio de neutral a avance requiere el engrane de un tren de engranajes doble - un engranaje impulsor y uno impulsado. El engranaje impulsor estriado engrana con el ese de entrada. El eje de entrada gira siempre en la misma dirección que el volante del motor. Como queremos avanzar, querernos que el eje de entrada y el eje de salida giren en dirección opuesta. Como puede verse en la ilustración anterior, el engranaje impulsor (en el eje de entrada) y el engranaje impulsado (en el eje de salida) giran en dirección opuesta.
Ahora, el cambio de neutral a retroceso requiere el engrane de un tren de engranajes de tres engranajes - el engranaje impulsor (nuevamente en el eje de entrada), el engranaje de la rueda guía y el engranaje impulsado (nuevamente en el eje de salida) Recuerde, utilizamos el engranaje de la rueda guía para cambiar la dirección de rotación del eje de salida. . Como queremos retroceder, queremos que el eje de salida, al cual el manguito del engranaje impulsado engrana con estrías, gire en la misma dirección que gira el eje de entrada. En la ilustración anterior, puede ver el engranaje impulsor (en el eje de entrada) y el engranaje impulsado (en el eje de salida) girando en la misma dirección.
Hablemos ahora de las servotransmisiones planetarias. Principios de los engranajes planetarios: El juego básico de engranajes estándar consta de un engranaje y un piñón. Sin embargo, se requiere menos espacio en una transmisión si se utilizan engranajes de dientes internos o engranajes planetarios, en vez de engranajes de dientes externos. Esto se debe a que el piñón puede estar dentro del engranaje planetario. Además, al conectar un portador al juego de engranajes planetarios, conecta estos a un eje. Para cambiar la dirección de rotación, colocamos una rueda guía entre el piñón y el engranaje. Esto se puede explicarse mejor si nos referimos a nuestro sistema solar. Como usted sabe, los planetas giran alrededor del sol. Un sistema de engranajes planetarios opera de la misma forma, pero cambiando los términos.
El piñón es el sol (el engranaje central en la ilustración anterior). El engranaje de la rueda guía es el engranaje planetario (en este caso, se ven cuatro engranajes de rueda guía que se mueven alrededor del centro, o sol). Y, el portador es el portasatélites.
Cada servotransmisión planetaria tiene juegos de engranajes planetarios. Esta es la manera en que se obtienen las diferentes combinaciones de velocidad, par y sentido de marcha.
Los engranajes planetarios y/o los portasatélites de estos juegos de engranajes planetarios están fijados (o sujetos) por embragues hidráulicos. A continuación se explica el procedimiento específico:
Las válvulas de control hidráulico de la transmisión dirigen el aceite bajo presión en una cavidad (1) detrás de la cara de un plato de presión (2). En realidad, este plato de presión es un pistón circular. La presión del aceite es lo suficientemente alta para mover el pistón, forzar los discos de fricción a que se junten con los platos del embrague, vencer la fuerza de los resortes y trabar los platos del embrague con los discos de fricción (3). Los discos estriados engranan con el engranaje planetario (4). Al activarse el embrague hidráulico, éste junta los platos del embrague (5) con los discos. Esto evita que giren los discos.
Note que los platos del embrague están sujetados por pasadores de reacción. Los platos del embrague nunca giran. Cuando se juntan estos platos, se detienen los engranajes planetarios.
Para desengranar el embrague, hay que interrumpir el flujo de aceite a presión al pistón. Esto hace que el pistón se retraiga. Cuando esto sucede, los discos de fricción ya no están trabados con los platos del embrague. Los discos girarán ahora independientemente de los platos.
Esto es lo que sucede cuando un operador hace cambios de velocidad y de sentido de marcha en una máquina durante la operación. Como indicamos anteriormente, el operador conecta y desconecta los embragues para obtener las diversas combinaciones de velocidad, par y sentido de marcha.
Piezas que se desgastan con mayor rapidez y se reemplazan con mayor frecuencia: Las piezas que se desgastan con mayor rapidez en cualquier servotransmisión son los cojinetes y los sellos. Además...
Los discos de fricción del embrague (a la izquierda), así como los platos de presión del embrague (los platos de acero a la derecha) también se desgastan. Algunos discos de sentido de marcha del embrague se fabrican de un compuesto de goma, como el de la izquierda en la ilustración. Este material tiene cualidades superiores de absorción de calor y energía. Otros discos de embrague utilizan discos de bronce sinterizado, y otros son de celulosa. Todos estos materiales se desgastan. Los platos de presión del embrague también se desgastan. En algunos casos, estos se puede pulir. Pero, si el desgaste ha sido demasiado, habrá que reemplazarlos. Uno de los principales factores que acelera el desgaste es la contaminación. Examinemos el desgaste que causa la contaminación.
Toda clase de contaminación taponará con el tiempo los orificios del sistema hidráulico y reducirá la presión de engrane del embrague. En este momento, debido a la baja presión de aceite, el pistón ya no ejerce suficiente fuerza para superar la inercia de los discos y de los platos, y la presión de los resortes para mantener juntos los discos y los platos.
• El resultado es calor y fricción causados por el patinaje de los discos y platos. • La fricción hace que los platos se calienten y se alabeen. Esto hace que los platos y los discos hagan contacto sólo en los puntos más altos. • En estos puntos altos, el material de fricción se desprende de los discos y contamina aún más el sistema. Se acelera el desgaste. • La contaminación causará el desgaste de los cojinetes. Esto puede dar lugar a que se desgasten los juegos de engranajes planetarios y, finalmente, los costosos
Una caja de cambios Power shift no es más que una serie de estos embragues que blocan entre sí engranajes y ejes para seleccionar diferentes relaciones de desmultiplicación o el punto muerto. Esta caja de cambios Power shift tiene un embrague para cada una de las velocidades, más otro para marcha adelante y un último para marcha atrás. Es decir, una caja de cambios de seis velocidades tiene un total de ocho embragues hidráulicos. En cualquier momento en que el vehículo se esté moviendo estarán acoplados dos de los embragues: el embrague de marcha adelante o el embrague de marcha atrás, y uno de los embragues de las seis velocidades.
Estos embragues se accionan mediante un dispositivo denominado válvula de mando de la caja de cambios, la cual va montada en la parte superior del cárter de la caja de cambios. Esta válvula de mando realiza dos funciones controla la presión del aceite sobre los embragues y permite o impide que el aceite fluya hacia los diferentes embragues...
...como si fuera un policía de tráfico que dirige el aceite por un camino y detiene el paso del que quiere ir por otro camino. Empecemos por explicar cómo la válvula regula la presión.
El aceite se bombea hacia la válvula mediante una bomba de engranajes, algunas veces denominada bomba de carga del convertidor. Pero los embragues sólo trabajan correctamente cuando lo hacen dentro de un margen limitado de presión.
La válvula reguladora de presión consiste en una corredera de acero templado que se desplaza muy ajustada en un orificio. El aceite que entra en la caja de cambios procedente de la bomba de carga tiene que pasar por la válvula reguladora. Después de salir de esta válvula, el aceite accionará un embrague de velocidad y ahí se para. Al detenerse en el embrague el flujo del aceite aumenta la presión y el aceite fluye por un conducto que hay detrás de la corredera, obligando a ésta a moverse contra el muelle.
A medida que la corredera se desplaza, va abriendo una lumbrera que permite que el exceso de aceite cargue al convertidor de par. Todo esto ocurre en una fracción de segundo.
El muelle que mantiene la tensión contra la corredera es lo que regula la presión del embrague en la caja de cambios.
Para accionar los diferentes embragues se utilizan elementos muy similares.
Después de haber pasado el aceite por la corredera del regulador de presión, se dirige hacia la corredera de marcha adelante/marcha atrás. Cuando la corredera se encuentra en la posición que muestra la figura, se acciona el embrague de marcha adelante.
Y en esta posición acciona el de marcha atrás.
Esta posición corresponde al punto muerto.
Inmediatamente al lado se encuentra la corredera que determina la primera, segunda, tercera, y siguientes velocidades.
Primera...
Segunda...
Tercera...
...o cuarta. Y similarmente para las otras velocidades. Y como la corredera de marcha adelante/marcha atrás es independiente de la corredera de selección de velocidad, se puede tener cualquiera de estas velocidades, tanto en marcha atrás como en marcha adelante.
Observamos, por tanto, que en una válvula de mando de caja de cambios intervienen, básicamente, tres correderas.
En primer lugar, la corredera que regula la presión.
Después la que nos determina la marcha adelante o la marcha atrás.
Y, por último, la que selecciona la velocidad. En los manuales de taller hay diagramas más detallados en los que se explican los circuitos de potencia de las distintas transmisiones Power shift.
El diagrama ilustra el aumento gradual de la presión de la transmisión modulada. Y la figura, la valvula moduladora.
Bueno, esto es todo. Una transmisión Power shift no es otra cosa que una serie de embragues que blocan entre sí, engranajes y ejes para seleccionar diferentes relaciones de desmultiplicación y las marchas adelante y atrás.
Y esta selección se lleva a cabo por medio de la válvula de mando de la caja de cambios que dirige el aceite a cualquiera de los embragues que seleccione el conductor.
