1.17.1. Caja de cambios y transmisión

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Video resumen 1.17.1. Caja de cambios y transmisión

El embrague recibe el par motor que ha de llegar a las ruedas motrices, pero en determinadas circunstancias el valor de este par es insuficiente para desplazar el automóvil y ha de ser multiplicado según las necesidades de circulación.

La caja de cambios tiene la función de multiplicar o transformar el par motor antes de continuar hacia las ruedas motrices pasando por el diferencial.

Hay cuatro tipos genéricos de caja de cambios en el automóvil, en este módulo se presentan y se explicarán en los siguientes, son estas; caja de cambios manual en “H”, caja pilotada (o robotizada), caja automática y caja o transmisión de variación continua.

Los cuatro tipos de caja de cambios

Función de la caja de cambios

Hay determinadas situaciones de utilización del automóvil en las que es necesario un elevado par motor, que no hará falta circulando en llano a velocidad mantenida:

Al iniciar la marcha se ha de superar la inercia del peso del automóvil lo que requiere valores altos de par, sería necesario un motor de gran tamaño para proporcionarlo
Cuando durante el recorrido se han de subir pendientes hace falta que se cuente con bastante par motor, por lo que haría falta un motor de alta cilindrada
Si se transporta peso en el automóvil, plena ocupación y maletero lleno, será necesario disponer de buenos valores de par motor en todas las circunstancias, más en las dos anteriores; iniciar la marcha y subir pendientes
Para estas situaciones el motor ha de tener una elevada cilindrada que aporte el par motor necesario, que en circulación a velocidad mantenida no hace falta y supondría mucho consumo, peso, espacio y contaminación
Hay otra solución; el par motor sale de este por el embrague…
… y ha de multiplicarse antes de llegar a las ruedas motrices
Esta es la función de la caja de cambios que está a continuación del embrague
Con la palanca de cambios se selecciona la multiplicación para disponer del par motor en las ruedas motrices que sea necesario
La función de la caja de cambios es multiplicar o trasformar el par motor antes de llegar a las ruedas motrices

La multiplicación del par motor en la caja de cambios se hace en varias fases como se ve seguidamente.

Relaciones de caja de cambios

Para adaptar el par que reciben las ruedas motrices a las diferentes situaciones y condiciones de circulación, se dispone en la caja de cambios de varias posibilidades de multiplicación del par motor, además de poder invertir la marcha:

Se ve en este automóvil una caja de cambios con cinco distintas multiplicaciones de par hacia adelante y una hacia atrás, es decir es una caja de cambios con 5 relaciones y marcha atrás
Se ven en el detalle las relaciones de multiplicación de par de esta caja de cambios:
- En 1ª multiplica el par por 5, en 2ª por 4, en 3ª por 3, en 4ª por 2 y en 5ª por 1, o sea no se multiplica el par en esta relación
- La marcha atrás hace dos cosas; invertir el sentido de la marcha del automóvil y multiplicar el par, pues es como la 1ª a la inversa y ha de vencer la inercia al iniciar el movimiento, que además puede ser en subida
En el módulo 1.17.2 se explicará cómo se logra multiplicar el par y sus consecuencias, como introducción se anticipa este detalle; el par se multiplica en la caja de cambios haciendo que un piñón pequeño engrane con otro de mayor tamaño haciéndolo girar, el par de salida en el piñón grande se multiplica por la diferencia de diámetro de los dos piñones, más par en rueda, pero esta gira a menos velocidad en la misma relación en que se multiplica el par
Se representa en el interior de la caja de cambios el conjunto de piñones de esta caja de cambios con 5 relaciones y marcha atrás
Se logra invertir el giro intercalando un piñón intermediario entre el que viene del motor y el que va a las ruedas para la marcha atrás

En el módulo siguiente, 1.17.2, se verá con detalle cómo se obtienen las diferentes relaciones de caja de cambios; relación entre las RPM del motor y velocidad del automóvil en las diferentes marchas de caja de cambios, así como las distintas elecciones posibles según el tipo de motor y vehículo.

Manual en “H”

Es la caja de cambios con la que se inició el automóvil:

Se explica sobre este automóvil con motor delantero longitudinal y propulsión o tracción trasera
El embrague se acciona mediante el correspondiente pedal
Se ve el panel de las diferentes posiciones de la palanca de cambios para insertar las relaciones de caja de cambios; son 5 marchas y marcha atrás
Se representan los movimientos de la palanca para cada una de estas relaciones
Se identifican el embrague, accionado desde el pedal, la caja de cambios y la palanca de selección de las relaciones
Embrague; es accionado por el conductor mediante su pedal
Caja de cambios manual:
- Los movimientos para insertar las relaciones son en forma de “H»
- Número de relaciones; han ido aumentando con la evolución del automóvil para poder ofrecer la mejor adaptación a cada situación de circulación, actualmente lo más habitual es 5 o 6 relaciones y 7 en algunos automóviles prestacionales

En principio cuantas más relaciones mejor, pero exige al conductor frecuentes cambios de marcha para aprovechar el par motor disponible, lo que puede implicar cambios frecuentes de relación lo que resta confort de conducción, además se ha de saber elegir la relación más adecuada en cada momento.

La inserción de las relaciones en la caja manual se hace acoplando los engranajes mediante sincronizadores que seleccionan cada una de las marchas.

Pilotada (o robotizada)

Esta caja de cambios parte de la caja manual pero con actuación automatizada desde posiciones específicas de la palanca de cambios, la tecnología interna de la caja pilotada es la mismo de la manual para la inserción de las relaciones mediante sincronizadores:

La caja pilotada tiene un embrague como conexión entre la caja y el motor, pero no hay pedal de embrague, y el pedal de freno es de mayor tamaño
El automóvil utilizado en este caso tiene motor longitudinal central y propulsión o tracción trasera
Un calculador electrónico va a controlar el funcionamiento de la caja de cambios pilotada
Recibe informaciones, entre otras, de los pedales de acelerador, freno y de la palanca de cambios
Las posiciones genéricas de la palanca de cambios son estas; P, R, N, D, y + S –, más adelante se explican estas posiciones
Se identifican; embrague pilotado sin pedal, caja de cambios pilotada, palanca de cambios y calculador electrónico
Embrague sin pedal; el accionamiento es pilotado controlado por el calculador
Caja de cambios pilotada, estas son las posiciones de la palanca:
- P (“parking”) aparcamiento; quedan bloqueadas las ruedas motrices desde la caja de cambios
- R (“reverse”) marcha atrás
- N (“neutral”) punto muerto
- D (“drive”) automático; en esta posición el conductor no ha de cambiar de marcha, el calculador va seleccionando las relaciones subiendo y bajando según las necesidades
- + S – accionamiento secuencial; con la palanca en el carril S el conductor puede subir + o bajar – de relación manualmente, la palanca retorna al punto medio del carril S
- Estas posiciones se pueden complementar con mandos en el volante para las mismas funciones
- Si se para el automóvil manteniendo la selección secuencial, la caja pasa automáticamente a 1ª con velocidad 0 km/h
- Número de marchas; actualmente suelen ser 6 o 7, con la ventaja de que en la posición automática D no es preciso que el conductor sepa o deba seleccionar la relación más adecuada, lo hace con eficacia el control electrónico
Los mecanismos de inserción de las relaciones en el interior de la caja pilotada son como los de la manual mediante sincronizadores, pero el accionamiento externo es electrónico, se irá explicando en los siguientes módulos

La caja de cambios pilotada se diseñó para competición por la rapidez de inserción de las marchas del sistema secuencial.

Al pasar a automóviles de calle y aprovechando el control electrónico se añadió la posición automática D, que aporta confort de circulación, por esta razón y compartir tecnología interna con la caja manual su denominación es caja pilotada o robotizada y no automática, aunque disponga de este programa de funcionamiento.

Automática con convertidor de par

La caja de cambios que se diseñó para funcionar como automática es la que se va a explicar.

Entre el motor y caja de cambios se sustituye el embrague por un convertidor de par:

Sin embrague ni pedal, la función de transmitir el par desde el motor a la caja de cambios lo hace el convertidor de par, de hecho a bajas RPM multiplica el par que llega a la caja de cambios, de donde parte su denominación de convertidor de par
En el módulo 1.18 se explicará el funcionamiento del convertidor
Se presenta la caja de cambios automática con convertidor de par en este automóvil, con motor delantero longitudinal y transmisión integral 4×4
Calculador electrónico con informaciones del acelerador, freno y palanca de cambios entre otras para gestionar la caja automática.
Posiciones de la palanca; P, R, N, D, + S –
Se identifica el convertidor de par, la caja de cambios automática y la palanca de cambios
Convertidor de par; de forma resumida consiste en dos turbinas (ventiladores) muy próximas enfrentadas dentro de una cámara con aceite a presión, al girar la turbina del motor arrastra por el torbellino de aceite a la de la caja de cambios que también gira sin que haya entre ambas turbinas contacto mecánico
Con la palanca de cambios en cualquier posición de movimiento se produce el efecto arrastre que tiende a desplazar el automóvil, se evita pisando el pedal de freno
Caja de cambios automática:
- P (“parking”) aparcamiento; quedan bloqueadas las ruedas motrices desde la caja de cambios
- R (“reverse”) marcha atrás, con efecto arrastre
- N (“neutral”) punto muerto
- D (“drive”) automático; las relaciones se van seleccionando automáticamente sin intervención del conductor. Con efecto arrastre
- + S – accionamiento secuencial; el + sube y el – baja de relación manualmente, la palanca retorna al punto medio del carril S
- Puede haber mandos en el volante para las mismas funciones
- En estas posiciones hay efecto arrastre si se detiene el automóvil con el motor en marcha
- Aunque se haya seleccionado otra relación manualmente al llegar a velocidad 0 km/h se inserta automáticamente 1ª o 2ª
- Número de marchas; han ido aumentando proporcionalmente a la evolución del control electrónico, actualmente hay cajas automáticas de 9 relaciones
Los mecanismos de inserción de las relaciones en la caja automática con convertidor son diferentes a los de la caja manual y pilotada, no hay sincronizadores
Se hace la inserción de las relaciones con discos en baño de aceite que acoplan o desacoplan los engranajes, que también están dispuestos de distinta forma, son epicicloidales, unos engranajes dentro de otros
La caja de cambios automática con convertidor se diseñó específicamente para que no tuviese el conductor que insertar las marchas, es la caja automática original
Palanca de “corredera” de caja de cambios automática; antes de contar con el carril de manejo manual secuencial las posiciones de la palanca eran diferentes, veamos estas con caja de cambios automática de 5 relaciones y marcha atrás; P R N D 4 3 2 1:
- P, R, N y D son las que se han explicado. Circulando en D habitualmente se cuenta con una relación más que el número más alto, en este caso son 5 relaciones
- 4, 3, 2 y 1; indican hasta que relación puede llegar la caja automática, en posición 3 será automática hasta 3ª y en 1 solamente se circulará en 1ª

La principal razón de contar con la posibilidad de bajar de marchas con la caja automática es para poder ayudar con la retención del motor a los frenos en descensos prolongados.

La caja automática con convertidor de par se diseñó para automóviles con motores de gran cilindrada y elevados valores de par, lo que supone mucho consumo de combustible, incrementado por el deslizamiento del convertidor.

Con las evoluciones técnicas se ha logrado reducir drásticamente el consumo llegando incluso a mejorar el de una caja manual equivalente.

CVT; de variación continua

Esta caja de cambios es bastante peculiar y ha tenido muchas evoluciones con el paso del tiempo y las aportaciones técnicas.

Su principal atractivo es que tiene infinitas relaciones y que la variación entre estas es continua, sin saltos como en las cajas de cambios que se han explicado.

Así funciona:

Sin pedal de embrague
La implantación del automóvil con el que se presenta la caja CVT es motor longitudinal delantero por delante del eje y tracción (delantera)
Calculador electrónico, con las informaciones del acelerador, freno y palanca de cambios gestiona la caja CVT
Las posiciones de la palanca son P, R, N, D, + S –
Se identifican el convertidor de par o embrague pilotado como conexión con el motor, caja CVT y calculador electrónico
Las posiciones de la palanca de cambios son; P, R, N, D, + S –
Conexión con el motor, puede ser genéricamente de estas dos formas:
- Convertidor de par, con el consiguiente efecto arrastre con la palanca de cambios en posición de movimiento
- O embrague pilotado; en este caso no ha de haber efecto arrastre
Caja CVT (transmisión de variación continua):
- P aparcamiento, R marcha atrás, N punto muerto
- D automático; se dispone de infinitas relaciones de transmisión sin que haya saltos, de forma continua van variando
- + S –; para aumentar la versatilidad de uso de la caja CVT se ha incorporado el control manual secuencial, que permite seleccionar posiciones prefijadas del sistema de variación de relación que simula el comportamiento de una caja con saltos de marcha, las posiciones suelen ser al menos 6
La relación varia en continuo mediante poleas cónicas desplazables unidas por correa o cadena, al variar los diámetros de las poleas lo hace la relación de caja de cambios; se reproduce el funcionamiento.

La caja de cambios de variación continua CVT tiene un comportamiento peculiar al conducir, pues parece que patina el embrague en ocasiones al no haber relación directa entre las RPM del motor y velocidad del automóvil.

Resumen de este módulo

Caja de cambios manual

Se representan tres automóviles con caja manual y distintas implantaciones técnicas:

Imagen superior izquierda; motor delantero longitudinal y propulsión (tracción trasera). El diferencial está al final del árbol de transmisión entre las ruedas motrices:
- Palanca de cambios junto al volante; 4 relaciones y marcha atrás con sincronizadores
- El embrague funciona en seco, como se ha explicado en el módulo anterior, y se controla con su pedal
Imagen superior derecha; motor delantero longitudinal por delante del eje y tracción (delantera). El diferencial está integrado en la caja de cambios:
- Palanca de cambios en el piso; 5 relaciones y marcha atrás con sincronizadores
- El embrague en seco se controla con su pedal
Imagen inferior; motor delantero transversal y tracción (delantera). El diferencial está dentro de la caja de cambios:
- Palanca de cambios en el piso; 4 relaciones y marcha atrás, con sincronizadores
- Embrague en seco accionado por su pedal

Caja de cambios pilotada

Se va a ver este tipo de caja de cambios en tres automóviles con diferentes soluciones:

Imagen inferior; motor delantero transversal y tracción (delantera). El diferencial forma parte de la caja de cambios:
- Las posiciones de la palanca de cambios son las habituales en estas cajas; P R N D + S –. Se insertan las relaciones con sincronizadores
- Tiene un embrague pilotado en seco, sin pedal
Imagen superior izquierda; motor delantero transversal y tracción (delantera). La caja de cambios contiene el diferencial:
- Posiciones de la palanca P R N D + S –. Se insertan las relaciones con sincronizadores
- Son dos embragues pilotados en seco; uno para las relaciones impares y otro para las pares, no hay pedal de embrague
Imagen superior derecha; motor longitudinal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera). El diferencial se integra en la caja de cambios:
- Posiciones de la palanca P R N D – S +. No hay acuerdo en si + y – están hacia delante o detrás, en este automóvil se reduce hacia delante y se sube de marcha hacia atrás. Se insertan las relaciones con sincronizadores
- Hay dos embragues en baño de aceite, uno para las relaciones impares y otro para las pares, sin pedal de embrague

La tecnología de inserción de las relaciones en el interior de la caja de cambios pilotada es como en la manual con sincronizadores, pero el control del accionamiento exterior es electrónico o electrohidráulico

Caja de cambios automática

Aunque la caja de cambios pilotada tenga programa automático, las cajas automáticas que se han diseñado para funcionar de esta forma son las que se repasan a continuación:

Imagen superior, este automóvil tiene caja automática con convertidor de par; motor delantero longitudinal con la caja de cambios y el diferencial agrupados detrás y separados del motor por el árbol de transmisión, propulsión (tracción trasera)
Esta implantación, que se denomina transaxle, y el objetivo es distribuir lo más equilibradamente posible el peso entre los dos ejes:
- Las posiciones de la palanca son las habituales; P, R, N, D, + S –
- El convertidor de par está en la entrada de la caja de cambios automática después del árbol de transmisión
- La tecnología de inserción de las relaciones dentro de la caja de cambios automática con convertidor es con discos en aceite, entre otras diferencias más con respecto a la manual y pilotada.
Imagen inferior, automóvil con caja CVT; motor delantero transversal y tracción (delantera). Está el diferencial en la caja de cambios:
- Posiciones de la palanca; P, R, N, D, + S –
- La conexión entre el motor y la caja CVT puede ser mediante convertidor de par, como en este automóvil, o embrague pilotado
- Las relaciones de variación continua se obtienen por poleas cónicas desplazables y correa o cadena de transmisión.