Sistemas de accionamiento de la caja de cambios manual

Con caja de cambios manual el conductor va seleccionando la inserción de las diferentes relaciones accionando la palanca de cambios. Estas operaciones se hacen mediante distintas formas de transmitir los movimientos desde la palanca a los elementos que realizan los cambios de relación.

Son tres sistemas genéricos de mandar desde la palanca los desplazamientos para insertar las relaciones; directo, por varillas y cables flexibles de acero, este último es el sistema más habitualmente utilizado en el automóvil actual.

Al cambiar de relación se ha de pisar el pedal de embrague para separar el motor de la caja de cambios. Hay cajas de cambio automatizadas, pilotadas o robotizadas (es su denominación), en las que las acciones para insertar las relaciones no las hace la palanca de cambios, es realizada por un control electrónico, con presión de aceite y válvulas de paso, sistema electrohidráulico, o motores eléctricos.

En estas cajas de cambio automatizadas hay embrague, uno o dos y en este caso funciona/n en seco o baño de aceite y el accionamiento es pilotado por el control electrónico de la caja automatizada, no hay pedal de embrague.

En este artículo nos centramos en la caja de cambios manual. Al final hay enlaces a artículos del blog y también a otros relacionados, por si se considera interesante ampliar las informaciones.

Inserción de las relaciones en la caja de cambios manual

Se va a representar como se realizan las inserciones de las diferentes relaciones dentro de la caja de cambios manual al actuar sobre la palanca. El objetivo es explicar los elementos que intervienen resaltando los movimientos requeridos para los pasos de las relaciones, y presentar las formas de conexión entre la palanca de cambios y el sistema de selección de las relaciones fuera y dentro de la caja.

Tomamos como referencia una caja de cambios manual de cinco relaciones más marcha atrás, partiendo de los piñones separados que van engranando según se inserta cada relación, así se ven mejor los movimientos.

En realidad, los piñones están engranados permanentemente, toma constante, y giran libres sobre su eje o árbol acoplándose progresivamente mediante los sincronizados al insertar cada relación, al final se ven los piñones en esta posición y un detalle de la sincronización:

    • Se ve la ubicación de la caja de cambios en un automóvil, desde ésta, el árbol de transmisión lleva el movimiento al diferencial en el eje trasero, que mediante los palieres hace girar las ruedas, es un coche de propulsión o tracción trasera
    • Se amplía el cárter o carcasa de la caja de cambios
    • En esta caja dentro del cárter hay dos ejes o árboles, el primario viene del motor a través del embrague y está estriado, el otro, secundario va a las ruedas y no tiene estrías, es cilíndrico
    • Sobre el árbol primario (motor) se acoplan tres conjuntos de dos piñones cada uno de distinto diámetro. Estos conjuntos de piñones están engranados por su interior con las estrías del árbol primario y se pueden desplazar longitudinalmente. Entre cada grupo de piñones hay un acoplamiento para inducir desplazamientos longitudinales sobre el árbol.
    • En el árbol secundario, que en este caso va a las ruedas, hay seis piñones de distintos diámetros que giran solidarios al árbol
    • Se aprecia que los 5 piñones del árbol primario (motor) van aumentando de diámetro desde la derecha, lo contrario de lo que se ve en los piñones del árbol secundario (ruedas). Esta diferencia de diámetro permite transformar el par motor para adaptarlo a las distintas situaciones de marcha, es la función de la caja de cambios
    • A la izquierda se ven tres piñones, uno pequeño en el árbol primario (motor), otro pequeño también sobre un árbol o eje específico, y un tercero de más diámetro en el árbol secundario (ruedas), es la marcha atrás, pues el piñón intermedio invierte el sentido de giro, no interviene en el desarrollo de transmisión (relación entre RPM y km/h)
    • Sobre los acoplamientos de cada conjunto de dos piñones del árbol primario (motor) asientan las horquillas. Cada una tiene en su parte superior un acoplamiento para que incida el sistema de selección de desplazamientos, que se coloca. Tomamos este elemento sobre las horquillas como la palanca de cambios
    • Se aprecia a la izquierda que entre una de las horquillas y el cárter de la caja de cambios hay un muelle, va a ser el aviso de inserción de la marcha atrás
    • A continuación, la palanca de cambios se va moviendo transversalmente para seleccionar cada una de las tres horquillas y longitudinalmente hacia adelante y atrás insertando con la misma horquilla dos relaciones, se ve como se pisa el pedal de embrague para los cambios de relación. Se insertan la 1ª, 2ª, 3ª, 4ª y 5ª. Si no está insertada ninguna relación es el punto muerto, no hay transmisión de movimiento a las ruedas motrices
    • Al insertar la marcha atrás, la horquilla ha de vencer la fuerza del muelle, lo que avisa al conductor para que no haga esta maniobra por error
    • Los desplazamientos de la palanca de cambios para ir seleccionando las relaciones conforman una o más “H”. Se representa sobre la palanca un conjunto de cuatro flechas, dos en los dos sentidos longitudinales opuestos y dos en los transversales, estas flechas representan el selector de movimientos para insertar las diferentes relaciones, y va a ser la referencia para los sistemas de accionamiento de la caja de cambios desde la palanca, que requiere movimientos transversales y longitudinales
    • Se han representado los piñones de los árboles primario (motor) y secundario (ruedas) separados, pero en realidad están engranados, como se comentó en la introducción. Los piñones del árbol primario (motor) giran libres sobre este, se pueden acoplar en giro a este árbol mediante los sincronizadores que van igualando las velocidades progresivamente al insertar las relaciones. Se suele sincronizar también la marcha atrás para evitar que rasque al insertarla
    • Se representa un detalle de actuación de un sincronizador

 

Hay diferentes tecnologías de caja de cambios manual, se ha representado una que es adecuada didácticamente para las siguientes explicaciones de este artículo, y que es modelo del funcionamiento de las demás. La forma de inserción de las relaciones es la misma, incluso en las cajas pilotadas o robotizadas, con la diferencia de que las actuaciones sobre las horquillas en estas se hace mediante accionadores electrohidráulicos o motores eléctricos.

Apoyos del motor, embrague, caja de cambios y demás elementos de transmisión en la carrocería

Para los contenidos que se van a ver, se han elaborado dibujos sobre imágenes con fines didácticos que facilitan entender mejor las explicaciones.

El motor genera vibraciones al funcionar, que pasan a los demás componentes de la transmisión hasta llegar a las ruedas motrices, incluso estas transmiten vibraciones. También los balanceos y oscilaciones del automóvil producen movimientos:

    • En el automóvil de la imagen se resalta la caja de cambios y su palanca de accionamiento
    • Aparecen el motor, delantero longitudinal, embrague y tras la caja de cambios, que ya estaba, el árbol de transmisión, diferencial trasero y palieres hasta las ruedas traseras motrices
    • El motor y demás elementos mecánicos representados asientan en la carrocería mediante apoyos elásticos, de goma, hidráulicos o mixtos para absorber la mayor parte de las vibraciones generadas al funcionar, evitando en lo posible que sean percibidas por los ocupantes
    • En el vídeo se ven apoyos genéricos, dos laterales en el motor, uno a cada lado, uno oblicuo tras el motor, dos en la caja de cambios, igualmente uno a cada lado y otro en el diferencial trasero
    • La deformación de las gomas de los apoyos, o el paso de aceite entre cámaras si son hidráulicos, reducen sensiblemente la transmisión de vibraciones a la carrocería

 

El apoyo oblicuo tras el motor tiene dos funciones, la explicada de reducir vibraciones, y hacer de guía del desplazamiento del motor en caso de colisión frontal, pues la deformación progresiva de la zona delantera para absorber energía de la colisión, empuja al motor que entraría al habitáculo. Con esta guía se dirige el motor bajo el habitáculo evitando que entre en este. Hay un enlace al final que lleva a otro artículo del blog donde se explica.

Mando directo de la caja de cambios

La conexión entre la palanca y la caja de cambios depende, entre otros aspectos de un primer detalle, la proximidad o distancia entre el puesto del conductor donde está la palanca y la caja de cambios:

    • Este automóvil tiene, como el anterior, motor delantero longitudinal y propulsión o tracción trasera
    • La caja de cambios está muy cerca del puesto del conductor
    • Sobre la caja de cambios se representa el selector de inserción de las relaciones resaltando los desplazamientos longitudinales y transversales, movimientos necesarios para el enclavamiento de las marchas
    • Sobre el selector está la palanca de cambios junto al conductor
    • Las vibraciones de funcionamiento se transmiten directamente a la palanca y son claramente percibidas por el conductor

Se pueden reducir las vibraciones intercalando entre la palanca y la caja de cambios algún sistema de transmisión de los movimientos, con articulaciones para disminuir las vibraciones, es lo que se va a ver a continuación con cajas de cambios separadas del puesto del conductor y que son aplicables al mando directo que hemos visto.

El automóvil representado tiene 4 o 5 velocidades, según versiones, y marcha atrás.

 

Mando con varillas de la caja de cambios

Vamos a ver sistemas de conexión entre la palanca y la caja de cambios con esta separada del puesto del conductor:

    • El automóvil que proponemos tiene motor longitudinal delantero – central (por detrás del eje delantero) y tracción (delantera)
    • La caja de cambios esta por delante del eje, bastante separada del puesto del conductor y el diferencial está en su interior
    • Sobre la caja se representa el selector resaltando los desplazamientos longitudinales y transversales
    • Desde el selector salen dos varillas que llegan al salpicadero, articulando con la palanca de cambios
    • Se ven los desplazamientos de las varillas al mover la palanca de cambios
    • En las articulaciones entre la palanca, las varillas y estas con el selector hay silentblocs de goma, casquillos o rótulas, después se presentan

 

Este sistema de varillas reduce las vibraciones, más con silentblocs, pero resta precisión, que mejora con casquillos y rótulas, aunque transmitan más vibraciones, se comenta más adelante.

Este automóvil tiene tres velocidades más marcha atrás. La 1ª relación no está sincronizada por lo que los piñones han de engranar al insertarla, como se ha explicado en el primer vídeo. Al ser la relación de partida con el automóvil parado no hay problema, pero si se quiere insertar con el coche en movimiento se producirán rasquidos, es lo que se evita con los sincronizadores. Se explica en el capítulo 2.17.1 del curso “Así funciona el automóvil” que se va publicando periódicamente.

Mando con cables flexibles de acero de la caja de cambios

Otro sistema de mando desde la palanca a la caja de cambios permite reducir más las vibraciones, además es adecuado cuando el recorrido desde la palanca a la caja es sinuoso y exigiría complejos sistemas de transmisión y bastantes articulaciones:

    • Este automóvil tiene motor delantero transversal y tracción (delantera)
    • El diferencial está integrado en la caja de cambios
    • Sobre la caja se representa el selector marcando los recorridos longitudinales y trasversales
    • En el selector articulan dos cables flexibles de acero, que se desplazan por el interior de sus respectivas fundas que están sujetas para ser guías de los cables
    • Los extremos de los cables flexibles de acero articulan con la palanca de cambios
    • Se ven los desplazamientos longitudinales y transversales desde la palanca a la caja trasmitidos por los cables flexibles de acero
    • La flexibilidad de las conexiones entre el selector y la palanca absorbe bastante las vibraciones que prácticamente no se perciben en la palanca

 

Las diferentes articulaciones de los componentes de este sistema pueden ser por silentblocs, casquillos o rótulas, se ve después. Lo más frecuente es que se haga mediante rótulas. Este sistema con cables flexibles de acero se ha de diseñar y ajustar con precisión para evitar la sensación de tacto esponjoso al insertar las relaciones, que no se presenta con los otros dos sistemas, directo y varillas, con tacto más preciso.

Este coche tiene caja de cambios de 5 o 6 velocidades según versiones y marcha atrás.

Articulaciones de mando de la palanca de la caja de cambios manual

Hay diferentes sistemas de accionamiento desde la palanca para insertar las relaciones de caja de cambios, como se ha visto. Para transmitir los movimientos son necesarias articulaciones que permitan realizar las actuaciones. Se resumen a continuación estas articulaciones proponiendo posibles aplicaciones sobre los tres sistemas de mando que se han explicado:

    • Casquillos; giran sobre un eje permitiendo movimientos angulares en un plano. Requieren lubricación, bien periódica o permanente mediante una funda estanca
    • Silentblocs; una goma está entre dos acoplamientos metálicos, la deformación de la goma permite los movimientos angulares, y absorbe vibraciones. Al trabajar por deformación de la goma se ha de ubicar en articulaciones que no resten precisión a la inserción de las relaciones
    • Rótulas; son esferas metálicas auto lubricadas, pues una funda protectora evita fugas al exterior. Articulan los movimientos en todos los ángulos y planos sin holguras, permiten transmisión de movimientos muy precisos
    • Propuesta de articulaciones con mando directo:
      • Para el pivotamiento del selector de la caja de cambios se ha seleccionado un casquillo o silentbloc, podría ser una rótula
      • Para los movimientos transversales y longitudinales se pueden utilizar los mismos elementos, casquillos o silentblocs
    • Propuesta de articulaciones con mando por varillas:
      • El selector puede pivotar sobre un casquillo, silentbloc o rótula
      • Las varillas en sus acoplamientos sobre el selector pueden girar sobre silentblocs, casquillos o rótulas, y en las articulaciones sobre la palanca mediante casquillos o silentblocs
    • Propuesta de articulaciones con mando por cables flexibles de acero:
      • El selector pivota sobre un silentbloc o casquillo, también podría ser una rótula
      • Los cables flexibles de acero articulan en el selector y la palanca mediante rótulas

 

La elección de los elementos para las articulaciones depende de diversos aspectos, la mejor precisión se logra con rótulas, pero transmiten más las vibraciones. Con silentblocs se amortiguan las vibraciones, pero puede presentar tacto esponjoso en el manejo de la palanca de cambios. Los casquillos son similares en tacto a las rótulas, pero menos versátiles al girar solamente en un plano.

Sistemas de mando de la palanca de cambios con distintas implantaciones técnicas 1

Vamos a ver los sistemas de accionamiento explicados sobre diez automóviles con diferentes implantaciones técnicas:

    • Coche 1:
      • Motor longitudinal central y 4×4. Hay dos árboles de transmisión uno para cada eje motriz. El motor tiene 5 cilindros en línea. Es un automóvil coupé de 2 plazas
      • La palanca está sobre la caja de cambios, el mando es directo con bastante transmisión de vibraciones
    • Coche 2:
      • Motor trasversal delantero y 4×4. Desde el diferencial delantero, en la caja de cambios, sale el árbol de transmisión hasta el diferencial trasero. Motor de 4 cilindros en línea. Es un automóvil de dos volúmenes SUV, con 4/5 plazas
      • El mando desde la palanca a la caja de cambios es mediante varillas con articulaciones entre los elementos móviles, se transmiten menos vibraciones
    • Coche 3:
      • Motor longitudinal delantero – central (detrás del eje) y tracción (delantera). Diferencial dentro de la caja de cambios. Motor de 4 cilindros en línea. Es un dos volúmenes de 5 plazas.
      • Desde la palanca de cambios, en el salpicadero, una barra horizontal pasa el movimiento a otra vertical que incide en el selector de la caja de cambios. Se puede considerar un sistema de varillas al ser elementos rígidos no flexibles los intermediarios entre la palanca y la caja de cambios. En la articulación entre la barra horizontal y vertical hay un silentbloc y entre la vertical y el selector casquillos o rótula. Se perciben ciertas vibraciones en la palanca.
    • Coche 4:
      • Motor longitudinal delantero transaxle y propulsión (tracción trasera). Desde el motor un árbol de transmisión lleva el movimiento al embrague que está junto a la caja de cambios, y en su interior el diferencial. Motor de 6 cilindros en V. Es un coupé de 4 a 5 plazas
      • La palanca transmite los movimientos al selector en la caja de cambios mediante varillas con sus respectivas articulaciones, silentblocs, casquillos o rótulas. Se perciben vibraciones en la palanca
    • Coche 5:
      • Motor longitudinal delantero y 4×4. Desde la caja de cambios se pasa el movimiento a los diferenciales de cada eje por sus respectivos árboles de transmisión. Motor de 4 o 6 cilindros en línea. Es un SUV en formato familiar con 5 plazas
      • La caja de cambios está junto al conductor, lo que permite que la palanca incida sobre el selector, es mando directo. Se transmiten bastantes vibraciones, se pueden amortiguar intercalando articulaciones entre la palanca de cambios y el selector

 

Sistemas de mando de la palanca de cambios con distintas implantaciones técnicas 2

Vemos los otros cinco automóviles:

    • Coche 6:
      • Motor trasversal delantero y tracción (delantera), el diferencial en la caja de cambios. Motor de 4 cilindros en línea. Es un monovolumen compacto de 4/5 plazas
      • La palanca está separada de la caja de cambios, y transmite los movimientos al selector mediante cables flexibles de acero articulados en sus extremos. Se reduce sensiblemente la trasmisión de vibraciones
    • Coche 7:
      • Motor trasversal central y propulsión (tracción trasera). El diferencial está en la caja de cambios. Motor de 6 cilindros en V. Es un coupé de 2 plazas
      • El mando desde la palanca a la caja de cambios es por cables flexibles de acero, con las correspondientes articulaciones. La transmisión de vibraciones es mínima, pero se ha de cuidar mucho la precisión de inserción de las relaciones al ser un coche deportivo, pues este sistema de mando tiende a tener un tacto esponjoso
    • Coche 8:
      • Motor longitudinal trasero por detrás del eje y propulsión (tracción trasera), con el diferencial en el interior de la caja de cambios. Motor de 4 cilindros en línea. Es un coupé de 4/5 plazas
      • El movimiento se transmite desde la palanca al selector de la caja de cambios por varillas, con las articulaciones pertinentes. Se transmiten más o menos vibraciones a la palanca
    • Coche 9:
      • Motor longitudinal delantero y propulsión (tracción trasera). Motor de 4 o 6 cilindros en línea. Es un tres volúmenes de 5 plazas
      • La palanca de cambios está junto al volante, en el eje o caña de dirección, y pasa el movimiento al selector en la caja por varillas con sus articulaciones. El conductor nota ciertas vibraciones al accionar la palanca de cambios. Este sistema necesita bastantes varillas y articulaciones lo que resta precisión al insertar las relaciones
    • Coche 10:
      • Motor longitudinal trasero, por detrás del eje, y propulsión (tracción trasera), el diferencial está integrado en la caja de cambios. Motor de 6 cilindros horizontales opuestos. Es un cabriolet de 2 + 2 plazas
      • Desde la palanca de cambios se pasa el movimiento al selector por cables flexibles de acero, con sus articulaciones, que reducen la transmisión de vibraciones. Como en el coche 7 y por la misma razón, son deportivos, se ha de cuidar la precisión de inserción de las relaciones

La tendencia es utilizar cables flexibles de acero con rótulas, para complementar la disminución de transmisión de vibraciones con la precisión de las rótulas.

 

Enlaces a artículos relacionados en el blog

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 “Historia del automóvil”

    • “Mini” (25.07.2013 vídeos 2 y 6)
    • “Lamborghini P400 Miura” (22.10.2014 vídeo 5)
    • “Lada Niva” (3.12.2014 vídeo 4)
    • “Audi coupé Quattro” (29.04.2015 vídeo 4)
    • “Amphicar” (5.09.2018 vídeo 3)

En la sección “Evolución de órganos y elementos”

    • “Tipos de caja de cambios 1 y 2” (22.01.2013 y 3.02.2016)
    • “El over drive” (8.11.2013)
    • “Operaciones de mantenimiento 2” (20.03.2019 vídeo 4)

En la sección “Actualidad”

    • “Indicador de relación óptima de cambio” (10.02.2014)
    • “Para subir cuestas; acelerar o reducir de relación” (7.04.2013)
    • “La caja de cambios pilotada” (10.12.2014)
    • “Elementos de suspensión” (25.03.2015 se explican silentblocs y rótulas de suspensión, que son similares para otros usos como en las articulaciones de accionamiento desde la palanca de cambios)
    • “Adelantamiento por par o RPM” (12.10.2016)
    • “Apoyos del motor y caja de cambios” (19.04.2017)
    • “¿Rasca la marcha atrás?” (31.01.2018)
    • “En frenada de emergencia ¿pisar embrague con caja de cambios manual?” (9.09.2018)

 

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