Anexo - Caja de transmisión

7/22/2019 Anexo - Caja de transmisin

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UNIDAD 3Caja de Cambios

Introduccin

En esta leccin se describen los conceptosbsicos, funcionamiento y caractersticas queposeen las cajas de transmisin de engranesdeslizantes.

Objetivos

Al terminar esta unidad el estudiante estar encapacidad de:

1. Describir el funcionamiento de una caja detransmisin de engranes deslizantes ysincronizada.

2. Identificar los componentes principales queforman parte de una caja de transmisin deengrane deslizantes y sincronizada.

3. Calcular las relaciones de transmisin

existentes en una caja de transmisin.


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INGENIERIA DEL VEHICULO II

EGQ

1. TEORIA DE CAJAS DE CAMBIOS MECANICA

La caja de cambios es un elemento de transmisin que se interpone entre el motor y lasruedas para modificar el nmero de revoluciones de las mismas e invertir el sentido degiro cuando la necesidad de la marcha as lo requieran. Acta, por tanto como

transformador de velocidad y convertidor mecnico de par.Como el par motor se transmite a las ruedas y origina en ellas una fuerza de impulsinque vence la resistencia que se opone al movimiento, la potencia transmitida debe serigual, en todo momento, a la potencia absorbida en llanta; es decir:

2.7162.716

1nCnC

W rmf

1

nCnCrm

ruedaslasenesrevoluciondenmeron

motorelenesrevoluciondenmeron

ruedaslasenresistenteparC

motorelpordodesarrollaparC

r

m

1

Si no existiera caja de cambios, el nmero de revoluciones del motor (n) se transmitirantegramente a las ruedas, con lo cual el par a desarrollar por el motor (Cm) sera igualal par resistente en las ruedas (Cr)


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1.1. Relacin de transmisin

Segn la expresin, los pares de transmisin son inversamente proporcionales alnmero derevoluciones:

c

m

r Rn

n

C

C

1

Por tanto, la relacin 1/nn es la desmultiplicacin que hay que aplicar en la caja decambios para obtener el aumento de par necesario en las ruedas, que esta en funcin de losdimetros de las ruedas dentadas que engranan entre s o del nmero de dientes de lasmismas.

1.2. Clculo de velocidades para una caja de cambios

Para calcular las distintas relaciones de desmultiplicacin que se deben acoplar en una cajade cambios, hay que establecer las mismas en funcin del par mximo transmitido por elmotor, ya que dentro de ste rgimen es donde se obtiene la mayor fuerza de impulsin delas ruedas


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Por regla general, el cambio manual est estructurado como reductor de rbol intermediario.La transmisin de fuerza tiene lugar desde el rbol primario al rbol intermediario, a travsde una combinacin fija de ruedas dentadas. El rbol intermediario soporta otro conjunto deruedas dentadas unidas en forma fija, cuyo nmero depende de las marchas que tenga elcambio. Sus ruedas oponentes montadas sobre el rbol secundario giran libremente. Seunen al rbol secundario por medio de coronas desplazables. De este modo, los cambios

manuales trabajan en arrastre de forma, al contrario que los cambios automticos, quetrabajan por unin cinemtica de fuerza.

Esta caja de cambio es la ms utilizada en la actualidad para vehculos de serie por susencillo diseo y funcionamiento.Est constituida por una serie de piones de acero al carbono que se obtienen porestampacin en forja y sus dientes, tallados en mquinas especiales, con un posteriortratamiento de temple y cementacin para obtener la mxima dureza y resistencia aldesgaste.

1. rbol primario2. rbol intermedio3. rbol secundario4. tornillo contador RPM5. reenvo de marcha atrs6. pin de primera7. pin de marcha atrs8. pin de segunda9. sincronizador de segunda10. pin de tercera11. sincronizador de cuarta12. mando de seleccin de

marchas

13. cojinete de apoyo14. carcasa15. tornillo de vaciado de aceite

Estos piones, acoplados en pares de transmisin, van montados sobre unos rbolesparalelos (1), (2), (3), que se apoyan sobre cojinetes (13) en el interior de una carcasa (14)que suele ser de fundicin gris o aluminio y sirve de alojamiento a los piones y demsdispositivos de accionamiento, as como de recipiente para el aceite de lubricacin de losmismos.

Los piones engranados en toma constante para cada par de transmisin son de dienteshelicoidales, que permiten un funcionamiento ms silencioso y una mayor superficie decontacto, con lo cual, al ser menor la presin que sobre ellos acta, se reduce el desgasteen los mismos. Los nmeros de dientes del pin conductor y del conducido son primosentre s, para repartir el desgaste por igual entre ellos y evitar vibraciones en sufuncionamiento.


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2. Caja de cambios de engranajes desplazables

Los cambios de velocidad para este tipo de caja, se producen por el desplazamiento delos engranajes a travs de un manguito de cambio. El acoplamiento de engranajes dediferente nmero de dientes, produce diferentes relaciones de transmisin que permitenvariar las velocidades y torque de salida del motor.

- Primera velocidad

Se obtiene por la desmultiplicacin constante entre el primario (a1) y el pin intermedio (a2),con la obtenida al acoplar el par de engranes correspondientes a sta primera velocidad (d1y d2), resultando:

2

1

1

21

d

d

a

avelocidadenR

a

c


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- Segunda velocidad

Por la misma razn, se obtiene al acoplar los piones (c1y c2), resultando:

2

1

1

22

c

c

a

avelocidadenR

a

c

- Tercera velocidad

Se obtiene por desplazamiento del manguito de cambio correspondiente para elacoplamiento sobre el rbol secundario de los piones (b1y b2), resultando:

2

1

1

23

b

b

a

avelocidadenR

a

c


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- Directa

Se logra por el acoplamiento directo del rbol secundario con el rbol primario a travs delmanguito de 3 y 4 con lo que, al no existir reduccin por pares de engranajes, se obtienena la salida de la caja de cambios las mismas revoluciones del motor, resultando:

1/1directaenRc

- Marcha atrs

Se obtiene por acoplamiento por el par correspondiente de un pin adicional (e 3) que giraloco en su eje y cuya misin es invertir el giro, no efectuando reduccin alguna, resultando:

2

1

1

2

3

1

2

3

1

2

e

e

a

a

e

e

e

e

a

aatrsmarchaenRc


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3. Caja de cambios sincronizada

En este tipo de cajas, el acoplamiento entre cada par de transmisin se obtiene pordesplazamiento de un dispositivo llamado sincronizador montado sobre el estriado del rbolsecundario.

Cuando se selecciona una velocidad se desplaza axialmente el sincronizador, cuya bola (7)y muelle fiador (8) hacen desplazar el conjunto hasta su acoplamiento con el pincorrespondiente que gira loco en su eje por el movimiento que recibe del rbol intermediario.El acoplamiento de los conos de friccin (3) Y (4) hace que las velocidades de giro entrepin y rbol se igualen. acoplndose el dentado del desplazable (5) con el pin dearrastre (2) Entonces la transmisin se realiza desde el pin intermediario (9) el pinsecundario (1) y de ste al sincronizador que de movimiento al rbol secundario (10) atravs de su estriado (11)

Segn el par de transmisin seleccionado por acoplamiento del sincronizador

correspondiente se obtienen las distintas velocidades en la caja de cambios cuyomovimiento se transmite desde

el primario al rbol intermediario y de ste al rbol secundario, a travs del sincronizador

acoplado en la velocidad seleccionada. La relacin obtenida en cada par de pionesengranados viene dada por la frmula:

conductorpin

conducidopinntransmisidelacin Re

y est en funcin del nmero de dientes de los piones acoplados.


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1. Dentado decambio

2. Fijador (Pallares)

3. Anillo desincronizacin

4. Manguito decambio

5. Resorte y bola desincronizacin

6. Cuerpo7. Anillo de

sincronizacin8. Superficies de

desgaste9. Dentado de

cambio


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Caja sincronizada con rango y alcanceDiagrama de velocidades de una caja sincronizada


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4. Caja de cambios simplificada

Muchos de los vehculos modernos estn montados con traccin directa a las ruedas; o seacon motor y propulsin trasera o motor y traccin delantera. En estos casos, la caja decambios ataca directamente el sistema diferencial de las ruedas.

1. Piones delcuentakilmetros

2. rbol principal3. Pin de marcha atrs4. rbol de entrada

5. rbol secundario6. Pin de cuarta7. Pin de tercera8. Pin de segunda9. Pin de primera

10. Sincronizador11. Sincronizador12. Pin del diferencial13. Corona del Diferencial

Est constituido por un tren de engranajes solidario al rbol primario (2) en toma constantecon los piones del rbol secundario (5), eliminando as el rbol intermediario El movimientose transmite desde el rbol primario al secundario, por medio de los cubos de sincronizacin(1O) y (11) montados este rbol, cuyo funcionamiento ya se ha estudiado. En este rbolsecundario va montado el pin de ataque (12) que engrane con a corona del diferencial(131) que da movimiento a las ruedas.

Este tipo de caja tiene la ventaja adems de su simplicidad menor volumen y peso, quela relacin en directa se puede adaptar a las revoluciones que se deseen, al obtenerse porel acoplamiento de dos piones Suele fabricarse con una tercera velocidad muy prxima a la

directa y una cuarta con un nmero de revoluciones superior a las del motor, con lo cualresulta una superdirecta


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5. Mandos de la caja de cambios

El desplazamiento de los cubos sincronizadores (4) para seleccionar las velocidades serealiza por medio de unas horquillas (3) acopladas a estos cubos y sujetas a unas varillas(12) que se mueven impulsadas por la palanca de cambios (1)

Para evitar que las velocidadespuedan salirse y permanezcan fijasen el cambio seleccionado, elmecanismo de mando situado en latapa de la caja de cambios lleva unsistema de enclavamiento a base debolas de acero (3) y muelles (4)situados en un alojamiento de la tapa(2) y que presionan unasescotaduras (5) practicadas en lasvarillas (1) que las mantienen fijas ensu soporte por la presin que ejercen

los muelles sobre la bola.


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Para seleccionar las velocidades correctamentey evitar la seleccin de una velocidad cuandootra est metida se coloca un dispositivo en lapalanca de cambios. ste consiste en unaplaca selectora de forma que para pasar deuna velocidad a otra que no corresponda almismo sincronizador, hay que pasar por puntomuerto, la que hace desacoplar la velocidadque estaba metida.

6. Averas y comprobaciones en la caja de cambios

Los defectos o anomalas ms frecuentes en las cajas de cambio son Ios siguientes:

1. Ruidos extraos. stos pueden producirse por:

Engranes desgastados.Cojinetes de apoyo con holgura.Descentrado de los ejes.Suciedad o residuos metlicos en el interior de la caja.Falta de nivel de aceite.

2. Dureza en la seleccin de velocidades. Puede producirse por:

Endurecimiento de las varillas desplazablesSuciedad en ellas.Rotura de los muelles de enclavamiento.Mal reglaje del embrague.

3. Desengrane de las velocidades. Se produce por desgaste o rotura de los muellesfiadores de los desplazables.

4. Velocidades que rascan. La causa es el desgaste del sincronizador correspondiente.


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5. Prdidas de aceite. stas se producen por lo siguiente:

Excesivo nivel del mismo. Juntas o retenes en mal estado.

Cualquiera de estos casos da lugar al desmontaje de la caa de cambios para comprobaciny reparacin correspondiente. Al desmontara se debe tener cuenta lo siguiente

Vaciar al aceite.

Marcar, la posicin de todas sus piezas, para montarlas posteriormente el lugarCorrespondiente.

Limpiar cuidadosamente todos sus elementos.

6. Comprobaciones a realizar. Son las siguientes:

Comprobacin de grietas en la carcasa.

Desgaste en asiento de cojinetes. Holgura de rodamientos, que deben ser interiores a 0,4 mm en sentido axial Y 004 mmen sentido radial.

Alineacin de los trenes de engranajes, medidos entre puntos con un comparador.Descentrado mximo admisible 0,02 mm Juego de acoplamiento entre engranajes. Para ello se hace girar juntamente y se

pintan los flancos de los dientes para ver que el contacto se realiza en casi toda lasuperficie de os mismos. El juego mximo de acoplamiento debe ser de 0.2 mm. Sies superior se cambian los dos engranajes a la vez; nunca uno solo.

Holgura de los desplazables en sus guas. Superficie de los conos de acoplamiento y engranes de los mismos en buen estado y

desgaste apreciable.

Las horquillas de mando no deben presentar deformaciones de ningn tipo.

Los muelles y bolas fiadoras deben estn en perfecto estado.

Una vez comprobados sus elementos v sustituidas las piezas necesarias, se procede a sumontaje, teniendo especial cuidado en colocar cada elemento en su sitio lubricando conaceite las piezas a medida que se van acoplando y cuidando las tolerancias de montaje.

Una vez montada. se compruebe su perfecto funcionamiento hacindola rodar en el bancode pruebas, verificando que todas las velocidades engranan suavemente y estn exentas deruidos.

El entretenimiento de una caja de cambios consiste simplemente en la revisin peridica de

su nivel de aceite y el cambio del mismo cada 10000 Km

7. Aceites lubricantes para cajas de cambios

Para la lubricacin de engranajes en las cajas de cambios y puentes traseros se empleanaceites minerales clasificados dentro del grupo de los grados SAE 80 y SAE 90, cuyascualidades y caractersticas se determinan en la norma DIN 51 512.


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7.1. Requisitos que deben cumplir

Los aceites lubricantes empleados en cajas de cambios y puentes traseros tienen queformar una pelcula consistente entre los flancos de los dientes en contacto, cuya misin esreducir el rozamiento entre ellos y el desgaste subsiguiente. Esta pelcula debe serresistente a la compresin, para evitar que se rompa con las intensas presiones de trabajo.

Adems, han de servir de elemento refrigerador y durante las elevadas temperaturas defuncionamiento no han de perder su poder lubricante. Tienen que ser tambin resistentes alfro, con objeto de que, en invierno, sean posibles una perfecta lubricacin y el arranque delvehculo.Deben ser resistentes a la corrosin, no atacar las jumas ni presentar exagerada tendenciaa la formacin de espuma.

7.2. Aditivos para altas presiones

Estos aceites llevan diversos aditivos, a base de azufre, cloro, plomo, fsforo, cinc y suscombinaciones. Estos productos proporcionan al aceite lubricante la necesaria resistencia a

la compresin, de la que se hablaba en el apartado anterior.Durante el funcionamiento reaccionan qumicamente por afecto de la temperatura y forman,sobre las superficies de rozamiento, una especie de capa de lubricante slido que elimina.en parte, el roce entre ellas y proporciona gran suavidad de marcha.

7.3. Aceites hipoides

En cajas de cambios dotadas de engranajes de tipo hipoide como las de cambio ydiferencial integrados se emplean aceites que presentan condiciones especiales delubricacin.

Debido a la especial forma de ataque, los engranajes hipoides presentan mayores presionesen los dientes y una solicitacin especial de deslizamiento en los flancos. Por esta razn, seemplean aceites con aditivos especiales para altas presiones del tipo anteriormente descrito.

8. Engranajes epicicloidales

Las cajas de cambio automticas estn basadas en la transmisin y reduccin demovimiento a travs de trenes de engranajes epicicloidales los cuales, como puede verse enla figura estn formados por un pin (A) llamado solar que engrana con dos o tres piones(8) llamados planetarios. Estos piones (9) llevan sus ejes de giro (2) unidos por medio deuna placa o porta planetario (4) al rbol de transmisin (2) y engranan a su vez con una

corona (C) dentada interiormente.


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Estos tres componentes solar, planetario y corona del tren epicicloidal puedenmoverse libremente sin transmitir movimiento alguno, pero si se bloquea uno de loscomponentes, los restantes pueden girar, transmitindose el movimiento con la relacin detransmisin resultante segn la relacin existente entre sus piones. Si se bloquean dos delos componentes, el conjunto queda bloqueado, moviendo todo el sistema a la velocidad derotacin recibida.

Mediante este sistema pueden conseguirse distintas reducciones, frenando y dandomovimiento a los distintos componentes del tren epicicloidal. Si adems, como ocurre en lascajas de cambio automticas, se combinan varios trenes de engranajes con distintasreducciones entre ellos, se puede obtener una gama de velocidades que entranautomticamente al unir sus componentes de una forma fija o temporal, por medio deembragues de friccin y frenando el elemento correspondiente por medio de cintas de frenoacopladas a las coronas.

8.1. Relacin de transmisin en los trenes epicicloidales

La frmula de Willisdetermina las velocidades angulares obtenidas en un tren deengranajes epicicloidales en funcin de sus tres componentes, relacionadas en la siguienteecuacin:

1133

13

2

1nZnZ

ZZn

n1 = nmero de RPM del solar An2 = nmero de RPM del eje de acoplamiento de los planetarios Bn3 = nmero de RPM de la corona CZ1y Z3 = nmero de dientes de la rueda solar y corona respectivamente

Teniendo en cuenta las distintas combinaciones que pueden realizar en un tren deengranajes epicicloidales al bloquear uno de sus componentes y dando movimiento acualquiera de los tres componentes se obtienen las relaciones de transmisin que seestudian seguidamente.


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8.2. Solar bloqueado

Para n1= 0 es decir, bloqueado el solar (A) el movimiento de la corona (C) se transmite a losplanetarios (B) que ruedan sobre el solar, produciendo un giro en el rbol de acoplamientodel porta planetario en el mismo sentido que la corona, con la reduccin correspondiente. Aldar movimiento al eje del porta planetario, estos ruedan sobre el solar (A) arrastrando en sugiro a la corona (C), que se mueve en la misma direccin y con la multiplicacin corres-pondiente.

Dando valores a la frmula de Willis, la relacin de transmisin y el nmero de revolucionesobtenidas para este acoplamiento son las siguientes, para n1 = 0:

13

33

33

13

2

1

ZZ

nZnZ

ZZn

De donde, para la corona (C) conductora y el porta planetario (B) conducidos:

1

3

1

2

31 R

Z

Z

n

n

1

3

2R

nn

y para porta planetario (B) conductor y la corona (C) conducida:

2

13

3

3

2 RZZ

Z

n

n

2

2

3R

nn


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8.3. Porta planetario bloqueado

Para n2= 0, bloqueado el eje porta-planetario (2), al dar movimiento al solar (A) ste hacegirar la corona (C) a travs de los planetarios (8) que giran sobre sus ejes, actuando depin intermedio entre ambos. La corona, en este caso, gira en sentido contrario alproducido por el solar (A)

Dando movimiento a la corona (C) ste se transmite en las mismas condiciones al solar (A),girando en sentido contrario a la corona.

1133 nZnZ

De donde, para (A) conductor y (C) conducida, se tiene:

1

3

3

1

3

Z

Z

n

nR

3

1

3

R

nn

y para (C) conductora y (A) conducido, se tiene:

3

1

1

3

4

Z

Z

n

nR

4

3

1

R

nn


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8.4. Corona bloqueada

Para n3= 0, bloqueada la corona (C), al dar movimiento al solar (A), los planetarios que sedesplazan sobre la corona giran en el mismo sentido que el solar.

Dando movimiento al porta planetario (B) a travs de su rbol de acoplamiento, stosruedan sobre la corona transmitiendo el giro al solar (A) en la misma direccin.Por ser n3= 0 en la frmula de Willis, se tiene:

13

11

11

13

2

1

ZZ

nZnZ

ZZn

de donde, para (A) conductor y (B) conducidos, se tiene:

1

3

2

1

5 1

Z

Z

n

nR

5

1

2

n

nn

y para (B) conductores y (A) conducido, se tiene:

1

2

13

1

6

n

n

ZZ

ZR

6

2

1

n

nn

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