Cajas de cambio - Introducción (Parte I)

Todos sabemos (en mayor o menor medida) que hace un caja de cambios...o mejor dicho, que le pasa a nuestro coche con una velocidad u otra engranada. Vamos a tratar de explicar de la mejor manera posible como funcionan, tipos de cada caja (con pros y contras) y singularidades. Dado que es largo de explicar, lo voy a dividir en varias entradas que ire publicando a lo largo de la semana. Empiezo...

Cualquier motor de un automóvil, nos ofrecerá una salida de fuerza, con movimiento angular, y por tanto, dándonos un par de salida. Teóricamente, este par se mantendría desde cero RPM hasta el máximo permitido por el motor, pero en la práctica, no es así, si no que el par varía en función del régimen en que nos encontremos, por lo tanto, el empuje no va a ser uniforme. En un régimen bajo, la capacidad de aspiración del pistón-cilindro no es muy elevada, por lo que no se consigue una cantidad de aire optima dentro del cilindro. En el lado opuesto, en revoluciones altas, a pesar de que el motor succiona mucho aire, tenemos el problema de que, debido a la elevada velocidad de los pistones, no da tiempo a llenar el cilindro. El mejor compromiso lo tendremos entonces a medio régimen, pues el cilindro aspira muy bien el aire, y hay tiempo suficiente a llenar el cilindro. Con esto hemos visto que el par máximo se suele obtener a revoluciones medias. Otra característica de un motor, que va en relación directa con el par, es la potencia, que resulta del producto del par por el número de vueltas del motor en ese instante.



La grafica de este motor corresponde a la de un BMW 315i, un motor muy elástico, ya que ofrece el par máximo desde 1300 rpm, y lo mantiene hasta las 5000 rpm, mientras que la potencia máxima la da a las 6000 vueltas, por lo tanto, la zona de rendimiento máximo de este motor se encuentra entre las 1300 y las 6000 vueltas (par máx. – pot. máx.). Ahora, pongamos un ejemplo. Este coche va en llano a 3000 rpm, y de repente, se enfrenta a una subida, y el motor va bajando vueltas (por que no puede empujar) hasta las 1300. Si se quedara ahí, el coche se mantendría constante a una velocidad, pero si no tiene la fuerza suficiente y baja de la zona de par máximo, el coche, irremediablemente, se terminará parando. Así pues, la caja de cambios nace con la idea de poder mantener el coche dentro de la zona de rendimiento máximo, actuando de forma mecánica. En el ejemplo anterior, al coche le habría bastado con reducir una velocidad para poder terminar se subir la cuesta. Como veremos más en profundidad, la caja de cambios es un elemento mecánico que nos transforma el par de entrada, dependiendo de las necesidades del momento, y como consecuencia, variará también las revoluciones a la salida (y con ello, la velocidad del coche). Una caja de cambios también nos permite disponer de un cambio de marcha (marcha atrás), y de tener el coche parado con motor a ralentí sin la necesidad de pisar el embrague (punto muerto). El principio básico del funcionamiento de una caja de cambios es el siguiente:



Como se ve en las formulas, el piñón azul gira ofreciendo una fuerza de 10N, que al estar en contacto con el piñón verde, hace que este también gire con esa fuerza, pero al tener el doble de radio, el par que da es mayor, justamente el doble (10Nm frente a 20Nm), pero a costa de sacrificar velocidad angular. Es por esto por lo que la caja de cambios es un convertidor de par, por que transforma un par en otro (superior o inferior, dependiendo de la velocidad engranada).


- Tipos de cajas. Determinación de la relación del cambio

Hoy en día, la caja de cambios más utilizada es la de dos ejes, que permite hacer cajas de cambios más compactas, con menos piezas, y por lo tanto, menores riesgos de rotura. Antiguamente, las cajas usadas eran de tres ejes, más aparatosas y longitudinales una gran cantidad de ellas.
En lo referido a las relaciones de transmisión, teóricamente, una caja de cambios debe tener una relación de cambios tal que las revoluciones a potencia máxima en una marcha, deben coincidir con las revoluciones de par máximo de la siguiente, para que los cambios de marcha se efectúen siempre dentro de la zona de máximo rendimiento. Luego, en la práctica, veremos que esto no así, y que difiere ligeramente, pues que algunas relaciones son más largas que las que se corresponderían (1ª y 2ª sobre todo, para poder estirar más las marchas y evitar estar cambiando a la mínima, haciéndolas más polivalentes), mientras que las últimas suelen ser más cortas.
Las cajas de cambio se sitúan justo después del embrague. El eje primario de la caja de cambios gira solidario al disco del embrague, y el envolvente del embrague une la caja de cambios al bloque del motor.