Transmisión manual

Tradicionalmente se denominan cajas mecánicas a aquellas que se componen de elementos estructurales (y funcionales), rodamientos, etc. de tipo mecánico. En este tipo de cajas de cambio, la selección de las diferentes velocidades se realiza mediante mando mecánico, aunque éste puede estar automatizado. 

Los elementos sometidos a rozamiento ejes, engranajes, sincronizadores, o selectores están lubricados mediante baño de aceite (específico para engranajes) en el cárter aislados del exterior mediante juntas que garantizan la estanqueidad. 

Los acoplamientos en el interior se realizan mediante mecanismos compuestos de balancines y ejes guiados por cojinetes. El accionamiento de los mecanismos internos desde el exterior de la caja -y que debería accionar un eventual conductor- se realizan mediante cables flexibles no alargables o varillas rígidas. 

Las distintas velocidades de que consta la caja están sincronizadas. Esto quiere decir que disponen de mecanismos de sincronización que permiten igualar las velocidades de los distintos ejes de que consta la caja durante el cambio de una a otra. 

La conexión cinemática entre el motor y la caja de cambios se realiza mediante el embrague. 

Dentro de este grupo se encuentra la caja de cambios manual automatizada de doble embrague DSG -en alemán Direkt Schaltgetriebe- del Grupo Volkswagen y la caja de cambios automática de doble embrague en seco DDCT -en inglés Dual Dry Cluth Transmision- de Fiat Group Automobiles, las cuales permiten el funcionamiento en modo manual o automático, además de obtener una velocidad de transmisión entre marchas muy superior al contar con la presencia de dos embragues, uno encargado de las marchas pares y el otro de las impares (y marcha atrás). 

Elementos que constituyen a una TM

La caja de cambios está constituida por una serie de ruedas dentadas dispuestas en tres árboles. 

Árbol primario. Recibe el movimiento a la misma velocidad de giro que el motor. Habitualmente lleva un único piñón conductor en las cajas longitudinales para tracción trasera o delantera. En las transversales lleva varios piñones conductores. Gira en el mismo sentido que el motor. 

Árbol intermedio o intermediario. Es el árbol opuesto o contraeje. Consta de un piñón corona conducido que engrana con el árbol primario, y de varios piñones (habitualmente tallados en el mismo árbol) que pueden engranar con el árbol secundario en función de la marcha seleccionada.Gira en el sentido opuesto al motor. En las cajas transversales este eje no existe. 

Árbol secundario. Consta de varios engranajes conducidos que están montados sueltos en el árbol, pero que se pueden hacer solidarios con el mismo mediante un sistema de desplazables. Gira en el mismo sentido que el motor(cambios longitudinales), y en sentido inverso en las cajas transversales. En otros tipos de cambio, especialmente motocicletas y automóviles y camiones antiguos, los piñones se desplazan enteros sobre el eje. 

La posición axial de cada rueda es controlada por unas horquillas accionadas desde la palanca de cambios y determina qué pareja de piñones engranan entre el secundario y el intermediario. , o entre primario y secundario según sea cambio longitudinal o transversal. Cuando se utilizan sincronizadores, el acoplamiento tangencial puede liberarse en función de la posición axial de estos y las ruedas dentadas no tienen libertad de movimiento axial. En las cajas transversales, la reducción o desmultiplicación final eje secundario/corona del diferencial invierte de nuevo el giro, con lo que la corona gira en el mismo sentido que el motor. 

Eje de marcha atrás. Lleva un piñón que se interpone entre los árboles intermediario y secundario (longitudinal) o primario y secundario (transversal) para invertir el sentido de giro habitual del árbol secundario. En el engranaje de marcha atrás, normalmente se utiliza un dentado recto, en lugar de un dentado helicoidal, más sencillo de fabricar. 

Todos los árboles se apoyan, por medio de cojinetes, axiales, en la carcasa de la caja de cambios, que suele ser de fundición gris,(ya en desuso) aluminio o magnesio y sirve de alojamiento a los engranajes, dispositivos de accionamiento y en algunos casos el diferencial, así como de recipiente para el aceite de engrase. 

En varios vehículos como algunos camiones, vehículos agrícolas o automóviles todoterreno, se dispone de dos cajas de cambios acopladas en serie, mayoritariamente mediante un embrague intermedio. En la primera caja de cambios se disponen pocas relaciones de cambio hacia delante, normalmente 2, (directa y reductora); y una marcha hacia atrás, utilizando el eje de marcha atrás para invertir el sentido de rotación. 

La lubricación puede realizarse mediante uno de los siguientes sistemas: 

Por barboteo. 

Mixto. 

A presión. 

A presión total. 

Por cárter seco.

Partes de la TM

 

Funcionamiento de los cambios

El embrague

El movimiento de giro necesario para poner en movimiento el vehículo es transmitido a las ruedas por medio de un conjunto de mecanismos hasta el motor. Es imprescindible acoplar un mecanismo capaz de interrumpir o conectar suavemente la transmisión de movimiento entre el motor y las ruedas. Este mecanismo lo constituye el embrague. 

El embrague se sitúa entre el volante motor y la caja de cambios y es accionado por un pedal que maneja el conductor con su pie izquierdo (menos en los automáticos que el pedal se suprime). Con el pedal suelto el giro del motor se transmite directamente a las ruedas, es decir, el motor está embragado. Y cuando el conductor pisa el pedal de embrague el giro del motor no se transmite a las ruedas, y se dice que el motor está desembragado. 

El embrague debe tener la suficiente resistencia como para lograr transmitir todo el par motor a las ruedas y lo suficientemente rápido y seguro como para realizar el cambio de velocidad en la caja de cambios sin que la marcha del vehículo sufra un retraso apreciable. También debe ser progresivo y elástico para evitar que se produzcan tirones ni brusquedades al poner en movimiento al vehículo, partiendo

desde la situación de parado, ni tampoco cuando se varíe la velocidad del motor en las aceleraciones y retenciones. 

Existen diversos tipos de embrague, aunque todos ellos pueden agruparse es tres grandes grupos. Los de fricción basan su funcionamiento en la adherencia de dos piezas, cuyo efecto produce una unión entre ellas y equivalen a una sola. También están los hidráulicos, cuyo elemento de unión es el aceite. Y por último los embragues electromagnéticos, que son los que menos se utilizan, que basan su funcionamiento en la acción de los campos magnéticos. 

Sincronizadores

Las cajas de cambio desde hace muchos años utilizan para seleccionar las distintas velocidades unos dispositivos llamados: sincronizadores, cuya constitución hace que un dentado interno ha de engranar con el piñón loco del eje secundario correspondiente a la velocidad seleccionada. Para poder hacer el acoplamiento del sincronizador con el piñón correspondiente, se comprende que es necesario igualar las velocidades del eje secundario (con el que gira solidario el sincronizador) y del piñón a enclavar, que es arrastrado por el tren intermediario, que gira a su vez movido por el motor desde el primario. 

Con el vehículo en movimiento, al activar el conductor la palanca del cambio para seleccionar una nueva relación, se produce de inmediato el desenclavamiento del piñón correspondiente a la velocidad con que se iba circulando, quedando la caja en posición de punto muerto. Esta operación es sencilla de lograr, puesto que solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador, con el que se produce el desengrane del piñón. Sin embargo, para lograr un nuevo enclavamiento, resulta imprescindible igualar las velocidades de las piezas a engranar (piñón loco del secundario y eje), es decir, sincronizar su movimiento, pues de lo contrario, se producirían golpes en el dentado, que pueden llegar a ocasionar roturas y ruidos en la maniobra. Como el eje secundario gira arrastrado por las ruedas en la posición de punto muerto de la caja, y el piñón loco es arrastrado desde el motor a través del primario y tren intermediario, para conseguir la sincronización se hace necesario el desembrague, mediante el cual, el eje primario queda en libertad sin ser arrastrado por el motor y su giro debido a la inercia puede ser sincronizado con el del eje secundario. Por esta causa, las maniobras del cambio de velocidad deben ser realizadas desembragando el motor, para volver a embragar progresivamente una vez lograda la selección de la nueva relación deseada. 

Transmisión automática

Sistema que resuelve automáticamente las funciones del embrague y del cambio de velocidades. Consisten tales funciones en procurar un acoplamiento suave al arrancar (por medio del embrague) y en aumentar el par transmitido a las ruedas, al disminuir su número de revoluciones (por medio del cambio).

Cada motor puede girar a un régimen mínimo, por debajo del cual no puede funcionar normalmente, y a un régimen máximo, que no se puede superar. Corresponde al conductor saber elegir la combinación que transmita el mayor par a las ruedas sin rebasar regímenes perjudiciales para el motor. Por tanto, una transmisión automática, además de substituir el embrague y el cambio, debe estar dotada también de un sistema capaz de seleccionar la mejor combinación en relación con la velocidad del vehículo y con el número de revoluciones conveniente al motor.Pueden lograrse fácilmente estas condiciones conectando el dispositivo bien con las ruedas bien con el árbol motor, mediante un regulador centrífugo o una bomba de aceite. La señal que llega de las ruedas indica la velocidad del vehículo y efectúa una primera selección entre las relaciones del cambio: altas si la velocidad es elevada y bajas si es reducida. La señal procedente del motor escoge, de entre las combinaciones o relaciones posibles, la que permitirá girar el motor a un número de revoluciones ni demasiado bajo ni demasiado alto, fijado ya por el fabricante para lograr un menor consumo y una mayor duración del motor (por ejemplo, entre 2.000 y 3.000 rpm).Además, el conductor puede regular el sistema de intervención del automatismo variando la posición del acelerador. Cuando pisa el acelerador a fondo, las señales actúan de manera que los pasos de las marchas bajas a las siguientes acontecen al alcanzar el número máximo de revoluciones fijado por el fabricante. Por el contrario, con el acelerador en posición intermedia los cambios de velocidad tienen lugar a regímenes más bajos. De hecho, soltando momentáneamente el pedal durante la fase deaceleración, se puede pasar de una velocidad baja a la superior (por ejemplo de la segunda a la tercera). Además, es posible excluir el automatismo bloqueando el cambio en la marcha deseada por medio de la palanca del cambio. El conductor puede también pasar rápidamente de una velocidad a la inferior apretando a fondo el acelerador para soltar un mecanismo especial que actúa directamente sobre el dispositivo de mandos hidráulicos excluyendo el automatismo (maniobra de kick doum).El dispositivo que recoge las distintas señales y programa el paso de las marchas esta constituido, en general, por un distribuidor de válvulas hidráulicas o por un circuito electrónico. El mismo distribuidor podría, en teoría, dirigir el funcionamiento de un embrague normal y de un cambio de velocidades tradicional, pero la conexión del embrague para poner en marcha el vehículo es una operación muy delicada y lenta, y varía en función de la carga, la pendiente del terreno y la voluntad del conductor.

Por estos motivos se ha difundido el convertidor de par, que puede ser considerado como un embrague hidráulico cuyo acoplamiento se efectúa, de forma autónoma, sin intervención exterior, apenas se rebasa un cierto número de revoluciones. Junto a las cualidades de la suavidad y la graduabilidad, añade la ventaja de transmitir, a la puesta en marcha del vehículo, un par superior al recibido, lo que permite reducir el número de marchas necesarias. En cambio, no garantiza el acoplamiento completo cuando el vehículo está en marcha, ya que sólo funciona en cuanto existe un cierto resbalamiento entre las dos partes giratorias que lo componen y, por consiguiente, entre el árbol de transmisión y el motor. En algunos convertidores es posible eliminar el resbalamiento, mediante una unión rígida entre las turbinas, accionable cuando los resbalamientos han alcanzado su límite inferior. Se comprende que el convertidor, dada la índole de la conexión fluida, no permite encender el motor empujando el vehículo mientras no se rebasa un cierto número de revoluciones.Al convertidor de par aplicado al volante del motor le sigue el cambio de velocidades. Este está constituido por una serie de engranajes planetarios de acoplamiento gradual mediante embragues de discos múltiples o bien frenos de cinta o más raramente enbragues cónicos. De hecho, no resulta factible utilizar un cambio convencional, al ser sumamente difícil y complicado efectuar sin sacudidas el paso de una marcha a otra.

Los componentes de un engranaje planetario o epicicloidal son tres: el planeta, la caja de satélites y la corona, los cuales están en toma constante y pueden ser

inmovilizados gradualmente por turno, convirtiéndose así en «impulsores» o «impulsados», lo que permite diversas combinaciones.El mando de los embragues y de los frenos de cinta se efectúa hidráulicamente por medio del distribuidor.

En otro tiempo las cajas de cambios eran en su mayoría de «train baladeur», esto es, de engranajes desplazables, de acoplamiento difícil y fatigoso. El deseo de una conducción cómoda y ligera, y, en particular, la generalización del uso del coche por parte de la mujer, motivó la creación de numerosos dispositivos para automatizar la maniobra del cambio, algunos de ellos técnicamente válidos, mientras otros muchos no han pasado de ser meras extravagancias. Se han propuesto gran variedad de sistemas: transmisiones mecánicas basadas en el efecto centrífugo, hidráulicas (incluso por agua), de aire comprimido, eléctricas, de polvo magnético, etc.

Se dio un primer paso con el embrague hidráulico para uso marino, inventado por Hermann Fóttinger en 1908. En 1926, en Gran Bretaña, una fábrica de vehículos industriales, la Leyland, aplicó a los autobuses londinenses un embrague hidráulico que constituía una innovación con respecto al inventado en 1908. La transformación del embrague hidráulico en convertidor de par significó el primer paso hacia la solución actual. En 1930, la empresa británica Daimler construyó una transmisión semiautomática compuesta por un embrague hidráulico, el Fluid Flywheel, acoplado a un cambio epicicloidal Wilson con palanca selectora. Esta solución se aplicó a algunos Talbot de la anteguerra.

La General Motors, tras la experiencia de la transmisión semiautomática SA que ofrecía en los Oldsmobile de 1937, presentó, en 1939, la Hydramatic Drive, compuesta de un embrague hidráulico y un cambio planetario de cuatro relaciones.

En la posguerra se perfeccionaron las transmisiones automáticas, y el embrague hidráulico dio paso al más completo convertidor de par. Todos los constructores estadounidenses ofrecieron transmisiones automáticas, como la Dynaflow adoptada en 1947 por la Buick, la Borg Warner en 1947 por la Stude-baker y en 1949 por la Ford, la Powerglide en 1950 por la General Motors. En Europa, a pesar de las numerosas soluciones propuestas, la transmisión automática se ha afianzado con un cierto retraso con respecto al mercado americano.Entre las soluciones más difundidas, cabe citar:

-la Borg Warner, adoptada por más de 30 fabricantes, entre ellos Austin, Fiat, Ford,Jaguar, Maserati, MG, Rover, Simca, Triumph y Volvo; está constituida esencialmente por un convertidor de par y un tren de engranajes epicicloidales que permite tres relaciones y marcha atrás; una válvula gobernada por el pedal del acelerador permite efectuar la maniobra de kick down;-la A. P., de la Automotive Products, adoptada por el Mini; está compuesta de un convertidor de par, un tren de engranajes cónicos y dos embragues de discos múltiples de acoplamiento hidráulico; permite cuatro relaciones y la marcha atrás; es particularmente interesante la solución de montar el conjunto formando bloque con el motor, aprovechando el aceite del motor para la lubricación y para el funcionamiento de los mandos hidráulicos; la maniobra de kick down se logra con un regulador centrífugo denominado Governor;-la Hydramatic, de la General Motors, adoptada también por algunos modelos Fiat; está constituida por un convertidor de par y por un tren de engranajes epicicloidales que permite tres combinaciones para la marcha adelante y una para la marcha atrás; es posible el kick doum;

-la Z. F., muy difundida; está compuesta por un convertidor de par y por un tren de engranajes planetarios que permite tres relaciones para la marcha adelante y una para la marcha atrás;

-la solución de la Renault, constituida por un convertidor de par y por un cambio epicicloidal de tres relaciones y la marcha atrás; particularmente interesante es el acoplamiento de las combinaciones controlado electrónicamente;-la D. B. Transmission, de la Mercedes Benz, que se diferencia de las demás soluciones en que las cuatro marchas entran electrohidráulicamente y el acoplamiento motor-transmisión se efectúa mediante embrague hidráulico. Entre las demás realizaciones hay que destacar: las Buick Super Turbine 400 y 300, la C4 Cruise-o-Matic, la Powerglide, la Torqueflite, la Hondamatic y la Toyoglide.Como alternativa a las soluciones examinadas y a sus numerosas variantes, se han construido transmisiones de tipo completamente diferente. Se recuerda, por ejemplo, la transmisión electromagnética Smith, aplicada a algún modelo del grupo Rootes. Se compone de dos embragues de polvo magnético unidos a un cambio tradicional de tres marchas, cuyo automatismo es gobernado por un regulador especial que traduce en impulsos eléctricos la velocidad del vehículo y la posición del acelerador.

Un ejemplo particularmente interesante de transmisión automática no convencional lo representa la *Variomatic, de la DAF, debida a la genialidad de un holandés: Hub Van Doorne. La idea de la transmisión mediante correa no era, empero, una novedad absoluta, ya que había sido adoptada en las motocicletas británicas Rudge Multi a partir de la primera guerra mundial hasta 1924 y en algunos scooters americanos con transmisión gradual automática.

En la transmisión Variomatic, la gama de relaciones de transmisión es prácticamente ilimitada y se obtiene haciendo variar el diámetro de las poleas acercando más o menos las caras de las mismas, mediante dispositivos apropiados. Tales variaciones son determinadas por la posición del acelerador y por la velocidad.

Un sistema decisivamente a la vanguardia está representado por la transmisión hidros-tática. Aunque ya fuese conocido, al menos en teoría, desde principios de siglo, su aplicación a los automóviles no ha tenido éxito y permanece aún en fase experimental. En cambio, se ha utilizado en tractores, como, por ejemplo, en el Fordson Major. Este sistema que prácticamente permite eliminar el embrague, los engranajes del cambio, los árboles de transmisión y el diferencial, substituyéndolos por aceite a presión, se basa en el empleo de una bomba de capacidad variable y controlable, que mueve los motores acoplados a las ruedas. Las investigaciones en curso tienden a eliminar los defectos fundamentales de esta interesante transmisión (ruido, peso y coste).