Sincronizadores múltiples

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Video resumen Sincronizadores múltiples

El motor térmico de explosión (gasolina, gas, hidrógeno…) y combustión (diésel) necesita poder desconectarse de las ruedas motrices, pues ha de poder estar en marcha, aunque esté parado el automóvil, es la función del embrague.

Además, el par motor que permite el desplazamiento es insuficiente a bajas RPM, lo que implica que se ha de multiplicar cuando se exigen más esfuerzos de lo que el par motor permite.

Para multiplicar el par motor se incorpora la caja de cambios, que comenzó exigiendo habilidad a quién conduce el vehículo lo que limitaba su utilización.

Con el tiempo llegaron los sincronizadores que facilitaron en gran manera la conducción, y a continuación los sincronizadores múltiples que añaden mejoras en confort y agilidad de funcionamiento, es de lo que vamos a hablar.

Antes de explicarlo, como es habitual en el blog, hacemos una introducción para ir avanzando progresivamente en la causas y soluciones que han llevado a la inclusión de los sincronizadores, simples primero y múltiples después.

El motor térmico necesita el embrague y también la caja de cambios

Vamos a ver los pasos iniciales del automóvil relacionados con la caja de cambios, ya consolidado como sistema de transporte eficiente, para poder adaptarse a las diferentes situaciones de circulación:

Este automóvil tiene un motor longitudinal delantero de ocho cilindros en línea y son motrices las ruedas traseras
Se pone en marcha el motor y se va acelerando a la vez que vemos la generación la curva de par
A ralentí el llenado de los cilindros es escaso y el valor del par también
Según se sube de RPM el motor va mejorando progresivamente el llenado lo que incrementa el par motor
Al llegar a medias RPM es cuando en un automóvil de turismo se llega al par máximo
Al seguir subiendo de RPM el par disminuye hasta que llega a una bajada casi vertical, corresponde a la potencia máxima que no se ha representado, pues lo que nos interesa es el par
Para poder iniciar la marcha y estar parado el automóvil con el motor funcionando se ha de poder conectar y desconectar de las ruedas motrices; es la misión del embrague que controla el conductor con su pedal y se representa en la imagen:
- El disco de embrague se acopla al volante motor por el empuje del plato de presión pasando el par a las ruedas motrices, es la posición de embragado con el pedal suelto
- Al pisar el pedal de embrague, el sistema de accionamiento hace que el plato de presión libere el acoplamiento del disco sobre el volante motor impidiendo el paso del par a las ruedas motrices, es la posición de desembragado
- El embrague también va a ser necesario para pasar de una a otra relación de caja de cambios
Para poder iniciar la marcha, incluso cuesta arriba, subir pendientes, llevar más peso y otras situaciones que requieren más par motor que el que este aporta es necesario multiplicarle, además ha de ser posible circular marcha atrás
Estas son las funciones que realiza la caja de cambios
Se incorpora a este automóvil, tras el embrague, la caja de cambios, que en este caso es de tres marchas hacia adelante más marcha atrás
Se representan las relaciones; punto muerto N, marcha atrás R, primera 1ª, segunda 2ª y tercera 3ª
Se ve cada una de estas posiciones a continuación
Los piñones de las relaciones solamente se engranan al seleccionar su relación, de no ser así están separados, los piñones son desplazables
Esta caja de cambios tiene la particularidad de que la última relación, 3ª, se obtiene conectando directamente el árbol de salida a las ruedas motrices con el que viene del disco de embrague, es la directa
Más adelante se explica esta caja de cambios en lo referente al desplazamiento de los piñones y se verá mejor el concepto anticipado de directa, aunque no es el objetivo de este artículo

Esta caja de cambios de solamente tres relaciones de avance, limita la capacidad de respuesta del automóvil al caer mucho de RPM el motor entre los cambios, lo que disminuye sus prestaciones y aumenta el consumo.

Con el tiempo el número de marchas ha ido aumentado, siendo habitual con caja manual que sean seis actualmente, más puede complicar la conducción pues requiere saber cuál es la más adecuada en cada situación.

Con cajas de cambios en las que el paso entre las relaciones se puede hacer sin que intervenga el conductor ya se ha llegado a 10, por no hablar de las cajas de cambios de variación continua CVT con infinitas relaciones.

Hay varios tipos de caja de cambios, en este artículo nos centramos en los sincronizadores de las cajas manuales.

Caja de cambios con piñones desplazables

Empezamos a ver los piñones desplazables en la caja del video anterior con más detalle, tiene tres velocidades hacia delante y marcha atrás, con la particularidad ya comentada de que la 3ª relación es “directa”:

El árbol primario trae el par motor del disco de embrague, en su extremo dentro de la caja hay un piñón
Este piñón del árbol primario engrana con otro que mueve al árbol intermediario, que contiene una parte de los engranajes de las relaciones
Los demás engranajes están en el árbol secundario
En el árbol secundario, que va al diferencial y ruedas motrices, está la otra parte de los piñones de las relaciones que al insertar las marchas engranarán con los correspondientes piñones del árbol intermediario
Los piñones del árbol secundario son desplazables longitudinalmente
Se observa que el árbol intermediario y su piñón no comunican con el árbol secundario, de momento
Para multiplicar el par motor, los piñones que lo transmiten, árbol intermediario, tienen menos diámetro o número de dientes que los piñones que van al diferencial y ruedas, árbol secundario
La multiplicación del par se obtiene de dividir el número de dientes del piñón que va a las ruedas (árbol secundario), entre los del que viene del motor de la misma relación (árbol primario)
Para invertir el sentido de marcha se intercala un piñón entre los correspondientes a esta relación del árbol intermediario (motor) y secundario (ruedas)
Conjuntos desplazables, en esta caja hay dos; el de la derecha Dd está formado por el desplazable y un piñón a cada lado
El de la izquierda Di tiene un desplazable, un piñón a la derecha y un acoplamiento en el lado izquierdo
Los desplazables giran conjuntamente con el árbol secundario y pueden moverse longitudinalmente sobre este, se desplazan
Las horquillas, en esta caja hay dos, asientan sobre cada uno de los desplazables y los mueven hacia adelante o atrás por el sistema de mando
Sistema de mando; es para mover las horquillas desde la palanca de cambios, directamente si está la caja cerca del puesto del conductor o mediante elementos intermedios
Hay diferentes sistemas de accionamiento para hacerlo

Ahora se van insertando las relaciones, pisando el pedal de embrague en cada cambio:

Se parte de la posición de punto muerto en la que ninguno de los piñones de movimiento está engranado (de los árboles intermediario y secundario)
Solamente engranan los piñones del árbol primario e intermediario, a la izquierda, sin que se transmita giro al árbol secundario
Marcha atrás R; el desplazable de la izquierda Di se mueve hacia la derecha por el empuje de su horquilla haciendo que el piñón de gran diámetro del secundario engrane con el de pequeño diámetro del intermediario a través de un tercer piñón que cambia el sentido de giro
La multiplicación del par es la relación entre los diámetros de los piñones del secundario e intermediario, no interviene en este caso el que está intercalado
Si el piñón grande tiene 48 dientes y el pequeño 12, se multiplica el par por 4 y la velocidad se divide por este valor
Primera 1ª; el desplazable de la izquierda Di pasa a la posición de punto muerto y el sistema de mando cambia de horquilla, moviendo el desplazable de la derecha Dd hacia ese lado, engranando el piñón grande el secundario con el pequeño del intermediario, multiplicando el par y disminuyendo la velocidad en la misma proporción, circulando hacía adelante
Segunda 2ª; el desplazable de la derecha Dd se mueve ahora hacia la izquierda, pasa por punto muerto y sigue hasta que engranan dos piñones, uno del secundario con otro del intermediario, la diferencia de diámetros es menor que en 1ª por lo que se multiplica por menos el par y desmultiplica la velocidad
Tercera 3ª; el sistema de mando hace que la horquilla del desplazable de la derecha Dd le haga pasar a punto muerto, cambia de horquilla, y mueve el desplazable de la izquierda Di hacia ese lado hasta que acopla el árbol secundario con el primario, girando ambos a la misma velocidad
No hay variación de par ni de velocidad, es una relación 1 y como la conexión es directa desde el motor se denomina así, “directa”
Con el motor en marcha y el automóvil parado, al pasar a 1ª o marcha atrás no hay problema pues está el automóvil detenido, no gira el árbol secundario ni sus piñones, y el primario e intermediario tampoco giran al estar pisado el embrague y no llegar par motor desde el disco de embrague, se insertan las relaciones engrando los respectivos piñones
Pero al pasar a 2ª o 3ª los árboles giran a velocidades diferentes lo que dificulta que engranen girando los piñones, se pueden producir rasquidos que dañan los dentados de los engranajes
Para evitarlo se ha de cambiar de marcha rápidamente tratando de percibir cuando se puede hacer, requiere habilidad, experiencia y tacto, lo que limita quienes pueden conducir este automóvil

Hay diferentes sistemas de adaptar el par motor en la caja de cambios manual, hemos visto uno y veremos otros en los que no hay árbol intermediario y una de las marchas tiene relación 1, se hace mediante dos piñones, y se suele llamar directa, pero en realidad técnicamente no lo es.

En este enlace que explica el “overdrive” en caja de cambios manual lo podrás consultar si te interesa.

Caja de cambios y piñones desplazables de cinco relaciones y marcha atrás, ¿rasca al cambiar de marcha?

Esta caja de cambios manual, como hemos anunciado, es técnicamente distinta a la que hemos visto, pero los piñones siguen siendo desplazables, engranan al insertar las relaciones:

Árbol secundario; va al diferencial y ruedas motrices, y gira conjuntamente a los piñones de salida de las relaciones, que engranarán con los del árbol primario
Árbol primario; es estriado y viene del disco de embrague con el par motor
Tiene los conjuntos desplazables conformados cada uno por el desplazable y dos piñones, uno a cada lado
El desplazable de la derecha d puede insertar dos relaciones, 1ª hacia la derecha y 2ª a la izquierda
El desplazable central c inserta a la derecha 3ª y a la izquierda 4ª
El desplazable de la izquierda i inserta a la derecha 5ª y a la izquierda marcha atrás R
Cada conjunto desplazable tiene su horquilla que se mueve según lo haga el sistema de mando

Obtención de las relaciones, pisando el pedal de embrague durante cada uno de los cambios:

El sistema de mando selecciona la horquilla del desplazable de la derecha y vemos como insertan 1ª y 2ª en dos movimientos longitudinales
El sistema de mando pasa a otra horquilla y controla el desplazable central, que al desplazarse inserta en dos movimientos longitudinales 3ª y 4ª
Pasa el sistema de mando a la otra horquilla y hace moverse al desplazable de la izquierda i hacia la derecha, insertando 5ª
La 1ª relación se inserta sin problema pues está el coche parado y el embrague pisado, pero las demás relaciones hacia adelante 2ª, 3ª, 4ª y 5ª, tanto al subir como bajar de marcha tienden a rascar sus dentados al girar a velocidades diferentes los piñones que han de engranar
Ya sabemos que un conductor experimentado podrá hacer los cambios de relación evitando que se produzcan rasquidos… pero se ha de saber hacer
El sistema de mando pasa a punto muerto, y con el automóvil parado sigue en la misma horquilla y el desplazable de la izquierda i, al moverle hacia la izquierda se inserta la marcha atrás R con el piñón de cambio de sentido entre los del primario y secundario
Hay un muelle que implica cierta dureza adicional para avisar al conductor que está pasando a R y evitar que lo haga por error
Se ven dos piñones con dientes rectos que se engranan entre sí representando la dificultad para evitar que rasquen durante el proceso

Se aprecia como los piñones del árbol primario (motor) van aumentando de diámetro (de 1ª a 5ª) a la vez que los del secundario (ruedas) lo reducen.

El par motor se multiplica en las relaciones cortas y se desmultiplica en la misma proporción la velocidad.

Los piñones de 4ª en el primario y secundario tienen el mismo diámetro, por lo que no se modifica el par ni la velocidad, es una relación 1, pero no es directa al no haber conexión directa entre motor y ruedas motrices.

El piñón de 5ª del primario es de mayor diámetro que el del secundario, lo que implica que se desmultiplica el par y multiplica la velocidad, permite circular en llano a menos RPM del motor, es una relación más larga.

En este enlace se explican los desarrollos de transmisión relacionados con estos comentarios.

Concepto de sincronizador

Para facilitar la utilización del automóvil se han ido integrando sistemas que lo hacen más accesible a quienes lo han de conducir, sin exigir grandes esfuerzos ni habilidades especiales.

Hay ejemplos en diferentes sistemas del automóvil; servodirección, servofreno, caja de cambios automática o automatizada… nos quedamos con nuestro tema de hoy, por lo que empezamos con esta pregunta: ¿cómo facilitar a quién conduce el automóvil la inserción de las diferentes relaciones en la caja de cambios manual?

La respuesta es el sincronizador:

Se ve un piñón en el que además del dentado de la relación hay a un lado una superficie cónica y otro dentado
Este piñón gira libre sobre el eje o árbol
El árbol sigue, y ahora está estriado
Vemos el sincronizador, que tiene dos superficies cónicas, exterior e interior, está última asentará sobre la superficie cónica del piñón cuando se vaya a insertar la relación
Este sincronizador tiene además un dentado por el lado donde está el piñón
Sigue al sincronizador el desplazable que gira conjuntamente con el árbol estriado y se puede mover longitudinalmente sobre este
En su interior hay superficies cónicas que asentarán con la exterior de los sincronizadores, vemos solamente uno
También en el interior del desplazable hay unos dentados que engranarán con los del sincronizador y lateral del piñón al quedar insertada la relación
En el desplazable se representa la horquilla que determina el sentido de movimiento, es accionada por el sistema de mando desde la palanca de cambios

Así se produce la inserción de la relación:

Quién conduce el automóvil mueve la palanca de cambios haciendo que el desplazable vaya hacia la izquierda…
… la superficie cónica interior del desplazable acopla con la exterior del sincronizador, y la interior de este con la exterior lateral del piñón
… este proceso de fricción va igualando las velocidades del árbol estriado – desplazable y piñón, sincronizando
… a continuación se sigue moviendo hacia la izquierda el desplazable hasta que su dentado interior engrana con el lateral del piñón, quedando insertada o enclavada la relación

Se repite el proceso viendo los elementos que intervienen en vista lateral y lo repasamos:

La palanca de cambios por el sistema de mando y accionamiento empuja a la horquilla, esta mueve longitudinalmente al desplazable … que empuja al sincronizador girando conjuntamente por el contacto de sus superficies cónicas, es similar a un embrague en baño de aceite
La superficie cónica interior del sincronizador contacta con la lateral del piñón, igualando las velocidades de giro del conjunto
Sigue moviéndose el desplazable y llega a engranar su dentado interno con el lateral del piñón, quedando la relación insertada

Durante el proceso de paso de una a otra relación quién conduce el automóvil nota primero una cierta dureza, y a continuación un movimiento más rápido, corresponden a la sincronización y enclavamiento.

Antes de iniciar el movimiento de la palanca de cambios para pasar a otra relación se pisa el pedal de embrague, y se suelta cuando ya se ha insertado la marcha seleccionada.

Caja de cambios sincronizada; cinco relaciones y marcha atrás con dentado helicoidal en toma constante

Con el sincronizador y su funcionamiento ya explicado, pasamos a integrarlo en la caja de cambios, en este caso en todas las relaciones incluida marcha atrás:

La imagen de partida es la caja de cambios ya conocida con piñones desplazables que no están engranados, solamente lo hacen cuando se inserta cada relación
En la caja que aparece a continuación están engranados todos los piñones de las cinco relaciones hacia adelante y marcha atrás
Entre los desplazables y los piñones de las relaciones, con la superficie cónica y dentado lateral, están los sincronizadores, que pueden tener dentado o no, y sin este se representan en esta caja de cambios
Los piñones tienen dentado helicoidal, permite reducir sensiblemente el ruido de sirena que se produce con dientes rectos, necesarios cuando los piñones son desplazables y han de engranar en marcha
Los piñones giran libres sobre el árbol y los desplazables giran acoplados al árbol por sus estrías, pudiendo moverse longitudinalmente

Inserción de las relaciones:

Se ve la inserción de las relaciones desde 1ª a 5ª; durante los procesos se van produciendo las sincronizaciones de velocidad entre cada desplazable – árbol y el piñón correspondiente mediante su sincronizador, a continuación, los dentados interiores de cada desplazable y lateral de su piñón engranan quedando insertadas las relaciones
La marcha atrás R se inserta desde parado, y aun así en este caso también está sincronizada siguiéndose el proceso que ya conocemos
Se representa la dureza adicional del muelle para informar a quién conduce que va a insertar la marcha atrás
Los sincronizadores tienen estrías de cierta profundidad en las superficies cónicas de fricción, para evacuar el aceite que lubrica la caja de cambios (de alta viscosidad habitualmente de 75 a 90 SAE), y así poder igualar velocidades más rápidamente
Al irse reduciendo la profundidad de las estrías por desgaste la sincronización es menos eficiente, llegando a rascar una o más relaciones, que se produce entre los dentados interiores de los desplazables y laterales de los piñones

La sincronización tardó algo en llegar a la primera relación, pues al insertarse desde parado parecía no ser necesario, pero si era preciso recurrir a primera con el automóvil en movimiento se producían rasquidos, por lo que se implantaron sincronizadores en todas las relaciones de avance, incluida 1ª.

La marcha atrás sincronizada llegó bastante después, en este enlace tienes información.

Con la caja de cambios sincronizada el automóvil es más fácil de conducir.

Si se quiere reducir la dureza que se aprecia al cambiar de marcha y también hacerlo más rápido se ha de buscar alguna forma de lograrlo, va a ser con más de un sincronizador para la misma relación, veámoslo:

Partimos de la imagen de un desplazable con dos conjuntos de piñones de relaciones, uno a cada lado
En el lado izquierdo del desplazable hay dos sincronizadores, es doble
En el lado derecho del desplazable vemos tres sincronizadores, es triple
Se inserta la relación de la derecha, más corta, sería 1ª; el desplazable empuja a los sincronizadores progresivamente, que se reparten el trabajo de igualar la velocidad del desplazable – árbol con la del piñón
Al ser tres se distribuyen el esfuerzo
Seguidamente se enclava la relación al engranar el dentado interior del desplazable con el lateral del piñón
Ahora se va a insertar la relación de la izquierda que sería 2ª; el desplazable empuja a dos sincronizadores que arrastran a su velocidad al piñón con menos esfuerzo y a continuación se enclava la relación con el acoplamiento de los dentados interior del desplazable y lateral del piñón
Se han repartido el esfuerzo de sincronización entre dos
La marcha más corta, 1ª en este caso, necesita más ayuda si se recurre a esta en marcha, por eso tiene tres sincronizadores
La 2ª relación se suele utilizar a más velocidad por lo que será suficiente con dos sincronizadores
Las ventajas de contar con sincronizadores múltiples, ya comentadas son; más rapidez en los cambios de marcha, más suavidad de accionamiento y menos fatiga de los sincronizadores, lo que aporta más fiabilidad y duración

De los elementos de la caja de cambios manual, los sincronizadores son los más sensibles.

Como se ha comentado, el desgaste de las superficies de fricción reduce la profundidad de las estrías lo que aumenta la dureza de accionamiento, incluso llegando a rascar al insertar algunas relaciones.

Con sincronizadores múltiples hay menos desgates al repartirse el trabajo.

Detalles de sincronizadores dobles y triples

Vemos en perspectiva y con más detalle los sincronizadores dobles y triples que se han presentado:

Piñón de relación con superficie cónica y dentado a un lado
Un sincronizador con dentado exterior
Otro sincronizador, este sin dentado
El desplazable con superficies cónicas y dentados en su interior, se representa en los dos lados, aunque vamos a ver actuar uno de ellos nada más
Otro piñón de relación con dentado a un lado y la superficie cónica
Un sincronizador con dentado exterior
Otro sincronizador sin dentado
Un tercer sincronizador también sin dentado
Sigue el desplazable con superficies cónicas y dentados en su interior, vemos los dos lados, solo se va a ver actuar uno de estos
Se insertan las dos relaciones; los desplazables movidos por las horquillas empujan a los sincronizadores, que van progresivamente igualando las velocidades entre el árbol – desplazable y cada piñón
Los sincronizadores dobles y triples se reparten la fricción, lo que agiliza la inserción de las relaciones con menos esfuerzo sobre la palanca de cambios

Ya se ha dicho que estos sincronizadores múltiples son más útiles cuando la diferencia de velocidades de los elementos a sincronizar es más alta, y también si han de trabajar más veces; estos dos efectos son mayores en las relaciones cortas, 1ª, 2ª… 3ª

Caja de cambios con sincronizadores simples y múltiples

Veamos la implantación de sincronizadores en esta caja de cambios manual de cinco velocidades y marcha atrás, todas sincronizadas; son simples, dobles y triples:

Se representan las imágenes de los sincronizadores tal y como se ven en la caja de cambios; simple, doble y triple
Se resaltan los desplazables y sincronizadores en cada relación de la caja de cambios
En 1ª y 2ª hay tres sincronizadores en cada relación, son triples
En 3ª el sincronizador es doble y simple en 4ª
Tanto en 5ª como marcha atrás R hay un sincronizador para cada una, son simples
Los sincronizadores simples se utilizan en las relaciones más largas, la diferencia de velocidades a sincronizar es menor, y además no se insertan con tanta frecuencia
En esta caja de cambios, como hemos visto, están en 4ª, 5ª y R
Los sincronizadores múltiples se implantan en las relaciones que más se utilizan y que han de sincronizar velocidades entre desplazables – árbol y piñones más diferenciadas
En la caja representada hay sincronizadores múltiples, tal como se ha expuesto, en 3ª (doble) y en 1ª y 2ª (triples)

Hay otras formas de acoplar los piñones a los ejes o árboles, una de estas se utiliza en algunas cajas de cambio de automóviles híbridos serie o paralelo, en estos sobre todo si también pueden funcionar en serie.

Se hace el acoplamiento sin sincronizadores, directamente con engranajes laterales en los desplazables y piñones, se basa en sincronizar las velocidades de los elementos que han de acoplarse ajustando sus velocidades mediante alguno de los motores eléctricos del sistema híbrido.

Esto es evidentemente otra historia, que comentaremos en un nuevo artículo.

Otros enlaces

Mecánica básica: ¿cómo funciona la caja de cambios?