¿Rasca la marcha atrás?

Actualmente es frecuente que las cajas de cambio manuales tengan sincronizadas todas las relaciones, incluida la marcha atrás, pero no ha sido así siempre.

Hace ya años se empezó a detectar que al insertar la marcha atrás rascaba, lo que no había sido frecuente antes. Pasaba en bastantes coches de diferentes marcas. Si no era habitual antes y se notó a partir de una fecha es que había alguna razón para que sucediese.

Por aquel entonces trabajaba en una marca de coches y tenia buena relación con personas especializadas en diferentes temas técnicos, consulté a un experto en caja de cambios y me dio la respuesta; “rascaba la marcha atrás por la sustitución de rodamientos cónicos por otros de bolas o cilíndricos en los árboles de la caja de cambios”.

Me pareció muy interesante y tomé nota, por interés técnico personal y con el fin de ofrecer alguna solución para evitar que rasque la marcha atrás (R) al insertarla, lo que en maniobras de aparcamiento con varios pasos de relación entre 1ª y R es al menos molesto.

Me ha parecido que contar este caso puede ser interesante para los aficionados al automóvil. Para no hacer largo el artículo haré una introducción, lo más breve posible, que ayude a entender esta particularidad técnica. Los que sepáis como funciona una caja de cambios manual os será más fácil.

Caja de cambios con piñones desplazables y rodamientos cónicos

Se utilizan imágenes y textos didácticos que facilitan las explicaciones con el objetivo de llegar a entender el tema de este artículo. La caja de la imagen tiene 5 relaciones hacia adelante y marcha atrás R. Estos son los elementos que aparecen. Árbol de entrada del par motor. Árbol de salida hacia las ruedas motrices. PC acoplamiento del sistema de accionamiento de inserción de las marchas desde la palanca de cambios.

Los árboles del motor y de ruedas están apoyados en la carcasa de la caja mediante rodamientos cónicos RC. Estos rodamientos tienen que estar pretensados PT para realizar su función, lo que supone un freno para el giro de los árboles que ha de vencer el motor, y las ruedas si está el coche en movimiento en punto muerto.

En el árbol del motor están acoplados los piñones de salida de las relaciones, de izquierda a derecha; marcha atrás R – EM (Entrada Motor), 5ª, 4ª, 3ª, 2ª y 1ª. Están agrupados los piñones de dos en dos mediante los desplazables PD, R <PD> 5, 4 <PD> 3 y 2 <PD> 1, de forma que con movimientos longitudinales en sentidos opuestos se pueden insertar dos relaciones.

Para lograr la marcha atrás R se añade un piñón intermedio R – IG entre el de entrada motor R – EM y el de salida ruedas R – SR, así se invierte el sentido de giro del árbol de ruedas.

En los desplazables PD acoplan las horquilla HQ accionadas por el mecanismo de inserción de las marchas. Para evitar meter por error la marcha atrás R se dispone de algún sistema de seguridad, en la imagen es un muelle SR que hay que vencer para insertar la R.

En el árbol de ruedas están los otros piñones que conforman las relaciones de transmisión solidarios al árbol de ruedas. La diferencia de diámetro entre los piñones de cada marcha de los árboles de ruedas y motor determinan su relación de transmisión. En esta caja de cambios los piñones de las relaciones no están engranados en punto muerto, al insertar las relaciones se han de acoplar, al moverse longitudinalmente el desplazable hará que uno de los dos piñones asociados engrane con el correspondiente del árbol de ruedas.

Para facilitar el acoplamiento de los engranajes en marcha, el dentado de los piñones es recto y tienen forma de flecha por donde han de engranar para guiar el acoplamiento, se ven en el detalle de los tres piñones de marcha atrás R. El dentado recto implica ruido de sirena al transmitir el movimiento.

Caja de cambios con piñones desplazables y rodamientos cónicos ¿rasquidos?

Se parte de la imagen con la caja en punto muerto. Con el motor en marcha y el coche parado no hay problema en insertar 1ª o R, pues están parados los árboles motor y ruedas y la forma de flecha de los extremos del dentado recto de los piñones guía su acoplamiento.

Circulando en 1ª se pasa a 2ª, con el embrague pisado el árbol motor se para por el efecto freno de la pretensión de los rodamientos cónicos, y el árbol de ruedas gira pues se está el coche desplazando y recibe el movimiento desde el diferencial y transmisión. Han de acoplarse dos piñones que no están girando a la vez, lo que implica que los dientes al entrar en contacto rasquen, para evitarlo el conductor ha de ser hábil y decidido, pues haciendo la maniobra rápidamente se facilita el engranaje de los piñones.

Pasa lo mismo al ir cambiando las demás relaciones hacia delante. Es una de las razones que hacía difícil conducir estos coches, por lo que se buscaron soluciones técnicas que se comentan después.

Manejar la caja de cambios en maniobras de aparcamiento es fácil, se trata de pasar de 1ª a R y al inversa varias veces. No hay problema, con el embrague pisado y coche detenido ambos árboles motor y ruedas están también parados, por lo que el acoplamiento de los piñones de 1ª y R es guiado por el dentado en forma de flecha de sus externos.

El árbol motor se para rápidamente al pisar el embrague por el efecto freno de la pretensión de los rodamientos cónicos.

Caja de cambios con sincronizadores en las marchas hacia adelante y rodamientos cónicos

Las relaciones hacia adelante se hacen con el coche en movimiento, la 1ª cuando se reduce desde 2ª, por lo que han de engranar piñones que giran a velocidades diferentes lo que, como se ha explicado requiere ciertas habilidades para que no rasquen.

Con el fin de facilitar la labor al conductos se incorporan los sincronizadores, que implican más modificaciones, estas son; en el árbol del motor están los piñones, separados de los desplazables D, estos piñones giran libres sobre el árbol motor excepto el de marcha atrás R – EM. La razón es que los piñones hacia adelante del árbol motor están engranados con sus correspondientes del árbol ruedas, y el de marcha atrás R – EM es solidarios al desplazable y si gira con el árbol motor.

Los piñones del árbol motor tienen una zona cónica en los lados donde hay desplazable, que tienen zona hueca con forma de cono. Los desplazables 2 <DS> 1 y 4 <DS> 3 al aproximarse al piñón de su lado hacen que los conos se acoplen sincronizado las velocidades progresivamente insertándose la relación con suavidad. Este efecto de adaptación de velocidad se hace con un elemento intermediario no representado en la imagen y que se explica al final, es el sincronizador.

El desplazable R <D> S5 es solidario al piñón de marcha atrás del árbol motor R – EM, que ha de engranar con el piñón inversor de giro R – IG que está engranado con el del árbol de salida R – SR. Por el lado opuesto este desplazable tiene el acoplamiento cónico interno con la función de sincronización con el cono externo del piñón de 5ª del árbol motor.

Al estar los piñones de las relaciones hacia adelante permanentemente engranados, toma constante, la forma de su dentado es helicoidal, se ve en el detalle de la derecha PH – M el del motor y PH – R el de ruedas de los piñones de 1ª, y es igual para las otras marchas hacia adelante.

El dentado helicoidal hace menos ruido que el dentado recto. Al mantenerse el dentado recto en la marcha atrás R para facilitar su acoplamiento, se oye el ruido de sirena al circular en esta relación.

Caja de cambios con sincronizadores en las marchas hacia adelante y rodamientos cónicos, en maniobras de aparcamiento

En maniobras de aparcamiento se pasa rápidamente de 1ª a R y a la inversa varias veces. La 1ª entra sin problemas al estar sincronizada. Al pisar el embrague y pasar a punto muerto, el efecto de frenado de la pretensión de los rodamientos cónicos frena el árbol motor.

Al insertar marcha atrás R entra fácilmente, pues con el coche parado también lo está el árbol ruedas, engranando los dentados rectos de los piñones guiados por los extremos en forma de flecha de sus dientes.

Caja de cambios con sincronizadores en las marchas hacia adelante y rodamientos de bolas o cilíndricos

Esta caja de cambios se basa en la anterior, las cinco marchas hacia adelante están sincronizadas con toma constante y piñones helicoidales y marcha atrás R con piñones de dientes rectos que han de engranar.

Hay una diferencia, se han sustituido los rodamientos cónicos por otros de bolas o cilíndricos, como se ve en los detalles. Se han montado en el árbol de motor rodamientos de bolas RBL, y en el de ruedas cilíndricos RCL. Estos dos tipos de rodamiento no tienen pretensión y permiten que sus árboles giren libres.

Caja de cambios con sincronizadores en las marchas hacia adelante y rodamientos de bolas o cilíndricos, maniobras de aparcamiento

Las maniobras de aparcamiento requieren varias secuencias de paso entre 1ª y R. Con el embrague pisado los rodamientos de bolas o cilíndricos no frenan el árbol motor. Al insertar R está el coche parado y también el árbol de ruedas, pero el árbol motor sigue girando unos segundos por inercia y el piñón de marcha atrás que gira con él, no hay efecto freno por los rodamientos, al entrar en contacto los dentados de los piñones de marcha atrás del árbol motor e inversor de giro rascan.

Para evitar que rasquen hay dos formas; esperar unos segundos hasta que se pare el árbol motor, o insertar de nuevo la 1ª, u otra marcha, para que su sincronizador pare el árbol motor y a continuación meter R.

Caja de cambios con sincronizadores en todas las marchas

Es la evolución de la caja de cambios anterior, se incluye sincronizador también para la marca atrás, cuyos piñones están en toma constante como los de las demás relaciones. Se aprecia que el desplazable R <DS> 5 tiene a ambos lados el hueco cónico para acoplar con la forma cónica externa de los piñones de 5ª y R sincronizando las velocidades.

Ya no hay dificultades para insertar R, sin que el giro libre de los rodamientos de bolas o cilíndricos suponga ningún inconveniente. Al estar en toma constante los piñones de marcha atrás R son también helicoidales, desapareciendo el ruido de sirena la circular en esta relación.

Detalle del acoplamiento de las relaciones con sincronizador

Se ve en las imágenes el conjunto de elementos relacionados con la sincronización al insertar las marchas. De izquierda a derecha en cada imagen.

    • Se ve un piñón del árbol motor, según las cajas de cambio que se han visto, con el dentado helicoidal DHP, en este dentado engrana el piñón del árbol ruedas, que no se han representado.
    • El piñón tiene un dentado recto de enclavamiento en el exterior DEP con forma de flecha como guías por el lado del cono de sincronización CSP.
    • A continuación está el sincronizador SCR, es un cono que al acoplar por dentro con el cono del piñón CSP y por fuera con el del desplazable CSD iguala las velocidades progresivamente.
    • Tras el sincronizador está el muelle de empuje MLE.
    • Este muelle es empujado por el desplazable DPL, que a su vez es accionado por la horquilla AHC.
    • El desplazable DPL tiene a cada lado un hueco cónico interior de sincronización CSD que acopla con el cono exterior del sincronizador de su lado. En la periferia interior del lado de fuera de los conos de sincronización del desplazable CSD hay un dentado recto con guías de entrada DED.
    • Así funciona; el accionamiento de la horquilla AHC empuja al desplazable DPL, este empuja por efecto del muelle MLE al sincronizador SCR, que fricciona por sus dos superficies sobre el cono interior de sincronización del desplazable CSD y cono exterior del piñón CSP. Se van igualando las velocidades y la horquilla sigue moviendo al desplazable DPL, hasta que el dentado interior de este DED engrana con el exterior del piñón DEP, quedando la relación insertada.

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En la sección “Tecnologías limpias”

    • “Más número de relaciones de  caja de cambios” (21.01.2013)
    • “Tipos de desarrollo y relación en caja de cambios” (25.05.2016)

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

    • “El over drive” (8.11.2013)
    • ”Los cuatro tipos de caja de cambios II” (3.02.2016)

 

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