Análisis Técnico – Engranajes de una caja de cambios

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Engranajes de la caja de cambios del Ferrari F2001.

Tomando como base que los pistones mueven el cigüeñal del motor para que rote y funcione, la necesidad de una caja de cambios es la consecuencia de las características de un motor de combustión interna. Los motores normales operan en un rango de entre 600 y 7000 revoluciones por minuto – siendo menor en los motores diésel – mientras que el régimen de giro de las ruedas está alrededor de 0 y 1800rpm.

Por ello no se puede conectar tan fácilmente las ruedas al eje del motor, debido a la alta velocidad variable – además de la necesidad de parar el motor cada vez que se detenga el coche. Por esta razón se reducen considerablemente las vueltas a las que gira el cigüeñal hasta un valor utilizable o desconectar el motor del eje de transmisión. Esto se conoce como deceleración – un proceso mecánico en el que se bloquean marchas con el fin de reducir el número de revoluciones de algo que esté girando.

En primer lugar, vamos a explicar el funcionamiento de una caja de cambios de un coche de calle. Las cajas de cambio de un coche de competición son mucho más sofisticadas, especialmente en Fórmula Uno. Están optimizadas para operan a mayor velocidad y a mayores fuerzas.

La propulsión de un coche consiste en un motor y en un sistema de transmisión, que proporciona una potencia aplicada a la carretera. Su uso más más común está en vehículos a motor, donde la caja de cambios adapta a la salida del motor de combustión interna a las ruedas motrices. Estos motores necesitan una velocidad de rotación bastante alta, lo cual no es lo idóneo para un arranque, una parada o viajes lentos. La caja de cambios reduce esta velocidad alta a una velocidad más lenta en las ruedas, incrementando el par motor en este proceso.

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Las cajas de cambio también se utilizan en bicicletas, máquinas fijas y cualquier artilugio que tenga velocidad de rotación y necesita adaptar el par motor. A menudo, estos elementos tienen multitud de relaciones de cambio, o simplemente engranajes, con la capacidad de jugar con la entrega de velocidad. Este cambio se realiza manualmente, o automáticamente si el sistema es más complejo.

En un coche, la caja de cambios generalmente va conectada al cigüeñal a través del embrague. La salida de esta caja se transmite mediante el eje de tranmisión a uno o más diferenciales, que, a su vez, impulsan las ruedas.

Despreciando la pérdida mecánica, se puede utilizar una caja de cambios y diferenciales para, simplemente, reducir la velocidad acorde a la frecuencia de deceleración y multiplicar el torque por el mismo factor. Tomando P (potencia) = w (velocidad de rotación) x T (torque) y se atraviesa esta energía por la caja de cambios con una relación de reducción de 2:1 – se reduce por 2 – el resultado será una velocidad a la mitad con una mayor aceleración.

También podemos notar que, con una cantidad fija de potencia, menor serán las revoluciones del motor y, en consecuencia, mayor par motor. Basta observar a un trailer cargado y descargado para poder comparar la diferencia.

La mayoría de las caja de cambio modernas se usan para aumentar el par motor, mientras que la reducción de velocidad se realiza con un freno motor primario – como el cigüeñal. Esto significa que la salida del eje de una caja de cambios girará más despacio que su entrada, lo que supone una ventaja mecánica que incrementará el par.

Las cajas de cambio tienen un eje de salida y de entrada que se extiende en ambas direcciones. La entrada va hacia el motor, mientras que la salida hacia el eje trasero en los tracción trasera. Los que son tracción delantera tienen el motor y la transmisión montados transversalmente, siendo el diferencial parte del ensamblaje de la transmisión. Ambos ejes están suspendidos por los cojinetes principales separándose en la punta de entrada manteniendo la unión mediante otra junta.

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Los tipos de transmisión en un vehículo incluyen manual, automática o semiautomática. La relación del cambio se conforma de entre 4 a 7 engranajes más la marcha atrás. Los engranajes delanteros tienen función de malla constante, es decir, los dientes de éstos se acoplan entre sí en todo momento. En lugar de deslizar un engranaje por otro, la marcha se desconecta del eje para conectar otro par. Únicamente se pueden conectar un par de engranajes a la vez.

La marcha atrás es un engranaje de malla no constante, por lo que simplemente sus dientes deslizan fuera del eje cuando no se utiliza. Otros fabricantes componen la marcha atrás de 3 engranajes, los cuales, obliga al mecanismo a girar en sentido opuesto, por lo que, todo el coche iría hacia atrás.

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Cada engranaje se acopla a su eje por un acoplador de bloqueo de deslizamiento. Este ensamblador conecta una lengüeta al eje que une el otro engranaje. El acoplador ha de estar a la misma velocidad para evitar que los engranajes muelan el eje. Para sincronizar el giro de este nexo hay un elemento intermedio denominado ‘malla de sincronización’ o ‘anillo de perro’.

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Funcionamiento de selección de marchas.

La referencia al perro se debe al dispositivo que sostiene, agarra o sujeta algo, como una barra, un anillo, un gancho, una garra o una patilla. Una explicación del sistema se define con las puntas de los dedos de cada mano tocando los de la otra, con los dedos extendidos, cuando se entrelaza cada dedo con otro formando parejas. Si se trata de mover las manos de un lado a otro no se puede liberar ningún dedo. Este es el concepto del ‘anillo de perro’.

Los sincronizadores de engranajes o de mallas son, básicamente, la misma cosa. Un dispositivo sincronizador permite al engranaje llegar a la misma velocidad del engranaje helicoidal al que intenta engancharse. De esta forma, el conductor o piloto no ha de presionar el acelerador de una forma específica o presionar el embrague doblemente para cambiar una marcha. Este anillo ya hace todo el trabajo sucio.

Los sincronizadores de malla son anillos ligeros con dientes en un lateral y una superficie cónica de fricción en el otro. El engranaje también tiene una superficie cónica de fricción que casa perfectamente con la malla.

Cuando se va a acoplar un engranaje un selector elige el acoplador deslizante que va a conectar la marcha. En este momento, el acoplador y el engranaje rotan a distintas velocidades, por lo que el acoplador se desliza hasta captar los dientes del engranaje que, rápidamente, varían su velocidad de rotación gracias a su peso ligero. A continuación, se convierte en parte del acoplador que sigue deslizándose. Como la superficie de fricción de la malla está en continuo contacto con la superficie del engranaje causando que el eje de transmisión – el cual está desconectado del motor por efecto del embrague – acelere o frene a causa de la conexión con el acoplador y el engranaje.

Una transmisión de competición no tiene estos sincronizadores de velocidad – ya que los sincronizadores de mallas limitan bastante la masa que pueden acelerar o decelerar – en su lugar tienen unos cuantos anillos amontonados, conocidos como cajas de impacto, pero los engranajes tienen un corte recto en vez de helicoidal – que utilizan para reducir el ruido. Este corte recto significa menos superficie de contacto, es decir, menos fricción, y por tanto, menos pérdida de potencia al seleccionar una marcha.

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De izquierda a derecha: rueda helicoidal, anillo de perro y engranaje de corte recto.

Es por ello que en competición se usan estas cajas de cambio, ya que antiguamente no había siquiera anillos de este tipo, dejando simplemente que los dientes casaran entre sí a pesar de moler el eje, por lo que las cajas de cambio no tenían apenas duración.

Abordando el mundo del racing, la primera cosa a entender es que la velocidad de los coches están limitadas por las relaciones de marchas debido a diferentes circunstancias. El coche estará también limitado debido a la relación que escoja el piloto. Un juego de engranajes más corto resultará en uns mayor aceleración, pero menor velocidad punta. Por su parte, una relación más larga dará mayor velocidad punta, pero una peor aceleración.

Hasta el año 2013, los ingenieros en Fórmula 1 configuraban la relación del cambio según las necesidades de cada pista. A partir de 2014, se usará una única relación para todo el año, pudiendo ser ajustada una vez por temporada si el equipo de ingenieros de cada piloto ve conveniente readaptarla por un funcionamiento poco correcto.

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Engranajes de la caja de cambios de 7 velocidades del Marussia MR02 de 2013.

Si las revoluciones no alcanzan el pico de velocidad que establece el limitador de velocidad, puede que sea una relación corta de marchas. Por el contrario, si alcanza este pico con demasiada rapidez, quiere decir que una sección de curva lenta el monoplaza no tendrá un buena aceleración a la salida de las curvas, por lo que el equilibrio entre velocidad y par siempre se verá comprometido por la transmisión.

El número de dientes que contiene cada engranaje conforman la relación del cambio. Normalmente esta relación se sabe dividiendo el número de dientes que tiene el engranaje de piñón más grande por el número de dientes del pequeño. Por ejemplo, si la relación es el doble, es decir, 2:1, significa que el engranaje más pequeño efectúa 2 revoluciones por 1 del más grande.

La siguiente tabla muestra algunas relaciones de ejemplo de engranajes para una caja de cambios manual de 5 velocidades (en este caso un Subaru Impreza).

Marcha Relación Revoluciones del eje de salida de la
caja de cambios cuando el motor gira a 3000rpm
3,166:1 947
1,882:1 1594
1,296:1 2314
0,972:1 3086
0,738:1 4065

Durante años, hubo acuerdo ecuánime en la colocación detrás del diferencial de las cajas de cambio en Fórmula 1, para su fácil acceso con el objetivo de poder cambiar las relaciones del cambio, a pesar del compromiso que ésto suponía a la distribución de pesos y el rendimiento aerodinámico. Sin embargo, la tendencia actual es que la caja de cambios ha de ser movida de su posición actual, ya que el embrague está situado en la zona delantera del cambio. El tren de engranajes (tanto salida como entrada) está monada en una especie de ‘cassette’ extraíble, el cual se puede mover con facilidad de la estructura que lo sujeta a la suspensión y ala trasera en la zaga del coche.

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Bloque donde se aloja la caja de cambios del Williams FW36.

El eje de entrada y salida ahora llevan cada uno 8 engranajes – en 2013 eran 7 – y cada par de engranajes – uno en el eje de entrada y otro en el de salida – es cuidadosamente estudiado para dar la mejor relación de marchas durante la temporada.

La normativa de la FIA estipula que todos los engranajes deben estar fabricados de acero, con un peso minimo de 0.6kg para cada par de engranajes, y un grosor mínimo de 12mm para cada engranaje.

Todos los monoplazas también deben incorporar la marcha atrás con el fin de cumplir la regulación vigente de la FIA. Esta marcha atrás debe poder ejecutarse desde el volante al presionar un botón que acople un engranaje intermedio entre la salida y entrada de la caja de cambios que obliga a rotar en dirección opuesta a la transmisión.

El engranaje más pequeño del tren de transmisión se denomina piñón. El piñón se utiliza como piñón diferencial o como sistema de piñón y cremallera – convierte movimiento giratorio en lineal.

Fuentes: formula1-dictionary, car bibles, google

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