DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPONENTES DEL VEHÍCULO (Caja de Cambios) UNIDAD 1 La caja de cambios, hace parte indispensable de los componentes del vehículo. En la primera unidad, se analizara de manera general el estudio básico de los engranes, los elementos que se deben tener en cuenta para su diseño y construcción, los tipos de piñones y sus características. Final mente abordaremos la conformación básica de una caja de cambios en lo que corresponde a los ejes principales que la Conforman. Copyright SENA © - 2012 1 TABLA DE CONTENIDO ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA.......................................................................................... 3 TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES .................................................................................................... 3 ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES ............................................................................................................... 4 ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS .............................................................................................. 5 ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES.................................................................................... 5 DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN ........................................................................................................... 6 LA CAJA DE CAMBIOS.............................................................................................................................. 7 EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA ................................................................................................................ 8 EJE INTERMEDIO O EJE MASA.......................................................................................................................... 9 PIÑONES Y EJE DE SALIDA ..............................................................................................................................10 ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE ...................................................................11 PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR .....................................................12 CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES......................................................................... 13 CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES ............................................................................ 14 CIBERGRAFÍA ........................................................................................................................................ 15 IMÁGENES ............................................................................................................................................ 15 CRÉDITOS ............................................................................................................................................. 16 Copyright SENA © - 2012 2 ELEMENTOS DE LA TRANSMISIÓN DE FUERZA El embrague es el mecanismo encargado de conectar y desconectar este movimiento, pero necesitamos otro mecanismo capaz de permitir al vehículo cambiar de velocidad, de acuerdo a las necesidades. Como el motor está variando constantemente en su número de revoluciones, por lo que se hace necesario aprovechar su mayor Torque en todas las condiciones de marcha, es decir necesitaremos transmitir este mejor torque hasta las ruedas motrices del automóvil. Para ello se utiliza una caja de cambios, para enviar la mayor fuerza posible hasta las ruedas, ya que durante el arranque o inicio de marcha del vehículo se requerirá mayor torque, independiente de la carga y de la aceleración y se deberá mantener una velocidad uniforme acorde al camino. También la caja de cambios deberá permitir seleccionar una marcha en sentido opuesto, para que el vehículo pueda conducirse hacia atrás. . Imagen 1 TRANSMISIÓN DE FUERZA POR ENGRANES El procedimiento más utilizado para transmitir la fuerza del motor y el trabajo de la caja de cambios manual son los piñones. Por ejemplo piñón amarillo de 12 dientes conduce al piñón verde de 20 dientes. Esta última gira a menor número de revoluciones pero con mayor fuerza, de acuerdo a la siguiente fórmula: N1 * Z1 = N2 * Z2 Índice Copyright SENA © - 2012 3 En donde: N1 es el número de revoluciones del piñón conductor, Z1 el número de dientes del conductor, N2 el número de revoluciones del piñón conducido, Z2 el número de dientes del conducido. Obtendremos que por cada giro que realiza el piñón conductor (piñón amarillo), el piñón conducido (piñón verde) gira 0.6 partes de vuelta pero como se indico esa porción de revolución la realiza con mucha mas fuerza ENGRANES Y RELACIÓN DE DIENTES La forma de los piñones o su diseño realmente no interfieren en la transmisión de la fuerza del uno hasta el otro. Podemos observar en la imagen una corona dentada, cuyos dientes están dirigidos hacia su parte interna, mientras que el piñón interno lo impulsa; En este caso se pueden dar dos tipos de relación de movimiento. CUANDO EL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O IMPULSA AL PIÑÓN DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES: Es el piñón pequeño impulsor, requerirá de más vueltas para obligar a girar una vuelta al piñón grande, pero la fuerza que se obtiene en el piñón grande será mucho mayor, aunque su giro sea más lento y esta relación está dada exclusivamente por la relación o división entre el número de dientes del piñón conducido y el número de dientes del piñón conductor. Imagen 2 CUANDO EL PIÑÓN DE MAYOR NÚMERO DE DIENTES CONDUCE O IMPULSA AL PIÑÓN DE MENOR NÚMERO DE DIENTES: Sera el piñón grande impulsa al piñón pequeño, se obtendrá mayor velocidad en el pequeño, pero con menor fuerza, en la misma relación de la velocidad, entre ellos, como lo habíamos mencionado. Índice Copyright SENA © - 2012 4 ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES RECTOS El piñón es rueda dentada, cuyos dientes pueden engranar con los dientes de otro piñón, de menor o mayor diámetro y número de dientes que el primero, para transmitir un movimiento. Imagen 3 Este diseño, aunque teóricamente el más apropiado, debido a que no tiene un mayor porcentaje de "desperdicio" de transmisión de fuerza, producirá ruido durante la transmisión del movimiento. ENGRANES CON PIÑONES DE DIENTES HELICOIDALES Imagen 4 En el caso de este tipo de piñones, lamentablemente la reducción del ruido durante la transmisión de fuerzas ocasiona una pequeña pero significativa reducción de la fuerza y del torque transmitido, debido a que parte de la fuerza que transmite el piñón conductor se dirige de forma axial y no directamente hacia el piñón conducido, ya que la forma de los dientes genera estas fuerzas laterales, además de la fuerza radial. Este factor de "desperdicio o reducción" de la fuerza conductora realmente es un valor despreciable, considerando las ventajas que ofrece, es decir nivelar casi imperceptibles de ruido y mayor número de superficie de los dientes en contacto durante la transmisión de fuerzas, tema este último tal vez más importante que el factor anterior anotado. Índice Copyright SENA © - 2012 5 DISEÑO DE LOS DIENTES DE UN PIÑÓN El diseño de los piñones modernos de una caja de cambios mecánica permite un trabajo suave y eficiente, e intenta mantener un nivel de ruido muy bajo. Para lograrlo, el diseño de los dientes de un piñón ha sido cuidadosamente estudiado, para que la transmisión de la fuerza motriz hacia el resto de engranajes se produzca sin ruido, con el mayor torque posible y se produzca un trabajo esforzado de cada piñón sin que se produzcan desgastes. En el gráfico podemos apreciar el corte de un piñón, en el cual notaremos que este diseño de los dientes permite que la superficie de contacto entre ellos sea la mayor posible; esto se debe a que un diente está en contacto con el diente del otro piñón, pero además otros dientes también tienen una gran parte de sus superficies en contacto, ya que al tener esta inclinación unos estarán iniciando su contacto, mientras otros estarán finalizando. De esta manera se pueden transmitir grandes torques entre engranajes, con suavidad y gran eficiencia, y sobre todo con un mínimo de desperdicio en fuerzas laterales. Imagen 5 Índice Copyright SENA © - 2012 6 LA CAJA DE CAMBIOS La caja de cambios inicialmente fue diseñada con mecanismos de cambio de tres velocidades. Con el pasar de los años se diseñaron cajas de cuatro y cinco velocidades y en algunos vehículos deportivos hasta de seis velocidades. La caja de cambios está conformada básicamente por tres ejes de piñones, a pesar de que este diseño inicial, que en algunos vehículos se lo mantiene actualmente, se ha cambiado con otro diseño, especialmente debido a las características propias de cada diseño que realizan los distintos fabricantes y a la forma de transmitir esta fuerza hasta las ruedas motrices, ya sea delanteras o traseras. El Motor transmite su fuerza hasta el disco de embrague, el mismo que envía esta fuerza por medio de una manzana estriada hasta el eje "motriz" de la caja. Este eje está engranado con un piñón que forma parte de un conjunto de piñones llamados eje intermedio o "masa", debido a que son varios piñones trabajados en un solo conjunto y que giran transmitiendo este movimiento recibido a varios piñones de forma simultánea. Cada piñón de la respectiva marcha recibe el movimiento de un piñón del eje intermedio. De acuerdo a la selección de la velocidad requerida, estos piñones se volverán sólidos al eje de salida o eje estriado, cuyo movimiento se enviará al diferencial y ruedas a través del eje cardán o propulsor. Imagen 6 Índice Copyright SENA © - 2012 7 EJE MOTRIZ DE LA CAJA MECÁNICA Nos hemos referido al eje Motriz como el eje que, recibiendo el impulso del motor a través del sistema de embrague y precisamente del disco, es el eje que comanda el giro y movimiento de los piñones de la caja de cambios mecánica. El extremo inicial del eje motriz está apoyado y girando dentro de un buje o rodamiento dentro del mismo cigüeñal y en su otro extremo dispone del piñón de mando y un dentado para en engrane del collarín, al cual nos referiremos más tarde. Antes del dentado dispone de una superficie cilíndrica, sobre la cual se inserta el rodamiento que se aloja en el cuerpo de la caja internamente (del lado del piñón), el eje motriz dispone de un rodamiento de palillos, sobre el cual se apoyará e insertará la punta del eje de salida o eje estriado. El eje motriz está sujetado por una tapa, en la cual se ha instalado un tubo guía, que sirve de pista de deslizamiento del rodamiento del embrague. Imagen 7 Imagen 8 Índice Copyright SENA © - 2012 8 EJE INTERMEDIO O EJE MASA Como habíamos dicho anteriormente, el movimiento del eje motriz se transmite hasta el piñón de entrada del eje intermedio, llamado comúnmente "masa", ya que lo conforman varios piñones en un solo cuerpo, o masa de varios piñones, como lo podemos observar en la figura. Como este eje intermedio es un conjunto sólido de varios piñones, giran sobre un eje con rodamientos generalmente de palillos, para recibir el impulso del eje motriz. La relación de transmisión entre el piñón del eje motriz y el piñón del eje intermedio puede ser, dependiendo del vehículo y del diseño, alrededor de tres vueltas a una, relación que la analizaremos adelante, cuando realicemos los cálculos de relaciones de transmisión de la caja mecánica. Al girar el eje intermedio, cada piñón deberá impulsar a otro piñón del eje de salida o eje estriado, con diferentes relaciones de transmisión, es decir, cada vez con mayor velocidad pero menor fuerza a la salida del eje estriado. Imagen 9 Imagen 10 Índice Copyright SENA © - 2012 9 PIÑONES Y EJE DE SALIDA Al girar en su eje, el conjunto de piñones intermedios engranan con los piñones individuales de cada marcha, los mismos que están girando sobre rodamientos en el eje de salida o eje estriado, sin transmitir al eje estriado la fuerza y el giro recibido del piñón masa (piñones no solidarios). Realmente esta es la diferencia de las primeras cajas de cambio con la caja mecánica moderna, ya que en las primeras se obligaba al piñón de cada marcha a engranarse con el piñón del eje de salida para transmitir su movimiento, deslizándola sobre el eje estudiado. En el caso de las cajas modernas, la transmisión del movimiento de cada par de piñones de la marcha respectiva se logra, ya que ellos están engranados de forma constante (toma constante), cuando se convierte al piñón individual solidario al eje estriado. De este trabajo se encarga el Collarín con el sistema de sincronización, tema que lo analizaremos adelante y en el momento oportuno. Por el momento mencionemos que la velocidad en el eje de salida dependerá del número de dientes de los piñones del eje intermedio que engranen con el piñón de cada marcha y su número de dientes. Imagen 11 Índice Copyright SENA © - 2012 10 ENGRANE POR DESPLAZAMIENTO Y ENGRANE POR ARRASTRE Para seleccionar una marcha, se ha obligado al piñón respectivo a desplazarse o deslizarse en el eje estriado hasta engranar con el piñón del eje intermedio, el mismo que está recibiendo la fuerza y el giro del eje motriz. En la primera velocidad se engrana el piñón grande, saliendo al eje estriado mayor fuerza, pero menos velocidad; en la segunda velocidad se engrana el piñón más pequeño, saliendo al eje estriado una mayor velocidad pero con menor fuerza que en el caso anterior. Finalmente en la tercera velocidad se engrana directamente el eje estriado con el piñón motriz, saliendo la fuerza de forma directa desde el eje motriz hacia el eje de salida. En cambio, para engranar la marcha, se puede utilizar el sistema de engrane con "Dogs" o garras de engrane, este sistema no dispone de un método de sincronización o frenado de los piñones que deben engranar, ya que es el collarín con unas garras en sus paredes laterales, quien se engrana en unas ranuras de la misma forma trabajadas en las paredes laterales de cada piñón. Esto suele ser muy brusco, ya que al estar girando el collarín a un diferente número de revoluciones que el piñón con el cual debe engranar, se producirán choques que no permitirán un fácil engrane. Este sistema es muy utilizado especialmente en los autos de competencia. Imagen 12 Índice Copyright SENA © - 2012 11 PROCESO DE EMBRAGAR PARA DESCONECTAR LA FUERZA DEL MOTOR Para poder seleccionar una marcha o velocidad en la caja mecánica se debe previamente presionar el pedal del embrague, para que la fuerza del motor hacia el eje motriz se interrumpa, ya que en este momento el volante de inercia, el disco y el plato están obligando a girar al eje motriz junto al giro del eje cigueñal del motor. Al presionar el pedal del embrague, el cilindro principal envía presión hidráulica al cilindro secundario y el pistón de este segundo cilindro empuja a la horquilla. Este empuje se transmite hasta el rodamiento o rulemán de embrague, el mismo que empuja a las patas o cremallera del plato de presión. En este momento el plato de fricción se retira, liberando al disco de embrague, dejándose en este momento de transmitir la fuerza del motor hacia el eje motriz de la caja; Justamente esta desconexión de la fuerza permite seleccionar cada velocidad. Imagen 13 Índice Copyright SENA © - 2012 12 CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CUATRO VELOCIDADES Para explicar de mejor manera la forma de seleccionar las diferentes velocidades o marchas de una caja mecánica podemos observar los gráficos, presionando sobre el botón de la marcha que deseamos seleccionar. De esta manera podemos ver al collarín durante su desplazamiento, engranando con el sector dentado de cada piñón. De esta forma el piñón se convierte sólido al eje estriado y las revoluciones de giro del eje de salida dependerán de la relación entre el número de dientes del piñón conducido y el piñón conductor. Podemos notar que en el caso de la selección de la marcha atrás, el mismo collarín de la primera y segunda velocidades tiene un piñón, para que un piñón adicional, llamado comúnmente piñón loco, ya que gira en su propio eje, se desplaza y engrana entre los dos piñones, cambiando de esta forma el sentido de giro. Imagen 14 Índice Copyright SENA © - 2012 13 CAJA DE CAMBIOS MANUAL DE CINCO VELOCIDADES Ahora que ya hemos conocido y relacionado la estructura de una caja de cambios tradicional de cuatro velocidades, revisemos la estructura, tal vez un poco más compleja de una caja de cinco velocidades. Esta caja difiere de la estructura anterior básicamente en que el eje intermedio (masa) dispone de un piñón adicional, así como el eje estriado o eje de salida. Estos dos piñones permiten seleccionar una quinta velocidad, aumentando la velocidad del eje de salida y por lo tanto la velocidad final del vehículo, inclusive girando el eje de salida a mayor número de revoluciones del motor (sobre marcha). Adicionalmente podemos observar que el piñón de marcha atrás ya no se desplaza para engranar con el piñón de cambio de giro (piñón loco), sino que el piñón de esta marcha está también en toma constante como el resto de piñones de las marchas hacia adelante. También podemos notar que en este caso la marcha atrás también dispone de un elemento sincronizador. Índice Copyright SENA © - 2012 14 CIBERGRAFÍA Diseño de Engranes: Soft, Coyote. "Diseño Mecánico I." . Pontificia Universidad Católica de Chile, 18 1999. Web. 15 Oct 2012. <http://www2.ing.puc.cl/~icm2312/apuntes/engrana/disenoa.html>. Cálculo Piñones: Saranet, Soluciones. "Cálculo de los Diámetros de los Piñones." . Sistemas Mecánicos Gaes, 14 2012. Web. 13 Oct 2012. <http://www.gaessa.com/GAES/Castellano/Productos/Transmisiones/Cadena/DATOS_TEC NICOS/CALCULO_DIAMETRO.shtml>. Cajas de cambios mecánicas: Inostroza, Darwin. "“Caja de Cambios Mecánica y sus componentes más Críticos." . mantenimiento Mundial, 10 2007. Web. 05 Oct 2012. <www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/Caja.pdf>. Caja de Cambios: Darry, Meganeboy. “Cajas de Cambio”. Aficionados a la Mecánica, n.d. Web 15 Oct 2012 http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm. Transmisión de fuerza: USA, Cars. "How Cars Work." . USA American Cars, n.d. Web. 14 Nov 2012. <http://3carsz.com/transmission/how-manual-transmission-work_1114>. IMÁGENES Imagen 1: © Sena 2012 Imagen 2: © Sena 2012 Imagen 3: © Sena 2012 Imagen 4: © Sena 2012 Imagen 5: © Sena 2012 Imagen 6: © Sena 2012 Imagen 7: © Sena 2012 Imagen 8: Dany, Meganeboy."Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15 Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>. Imagen 9: © Sena 2012 Imagen 10: Dany, Meganeboy. "Cajas de cambio.". Aficionados a la Mecánica, n.d. Web. 15 Oct 2012. <http://aficionadosalamecanica.com/caja-cambios.htm>. Imagen 11: © Sena 2012 Imagen 12: © Sena 2012 Imagen 13: © Sena 2012 Imagen 14: © Sena 2012 Índice Copyright SENA © - 2012 15 CRÉDITOS Experto Temático: Carlos Edwin Abello Rubiano Asesor Pedagógico: Luisa Fernanda González Guarnizo Guionista: Alexandra Johanna Bazurto Galvis Equipo de Diseño: Lina Marcela García López Dalys Ortegón Caicedo Nazly María Victoria Díaz Vera Equipo de Programación: Charles Richard Torres Moreno Luis Fernando Amórtegui Garcia Líder de Línea Julian Andres Mora Gómez Líderes de Proyecto: Carlos Fernando Cometa Hortua Juan Pablo Vale Echeverry Índice Copyright SENA © - 2012 16