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Mecánica básica: ¿cómo funciona la caja de cambios?

Mecánica básica: ¿sabes cómo funciona la caja de cambios? Te lo explicamos aquí de una forma rápida y sencilla. Además, también diferenciamos entre los diferentes tipos de cajas de cambio automáticas que existen a día de hoy.

Imagen de perfil de Rodrigo Fersainz

Los motores de combustión interna funcionan a altas velocidades, por lo que los distintos engranajes del cambio son necesarios para transmitir el par motor a las ruedas motrices, que giran mucho más lentamente. En esta nueva entrega de Mecánica básica te explicamos cómo funciona la caja de cambios. 

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La caja de cambios de un vehículo ofrece una selección de marchas para diferentes situaciones: arrancar en llano o en pendiente, subir una colina, circular a velocidad de crucero...

Suele aparecer entre el motor y la transmisión, después del embrague. Los coches actuales con transmisiones manuales tienen cinco o seis velocidades y marcha atrás, así como una posición neutral (conocida como punto muerto). En los diagramas que aquí te mostramos, hemos elegido una de cuatro marchas, por simplificar el diagrama. 

¿Cómo funciona?

La palanca de cambios es accionada por el conductor y se encuentra conectada a una serie de barras de selector, en la parte superior o lateral de la caja de cambios. Las barras yacen en paralelo con los ejes que llevan los diferentes piñones.

El diseño más normal es la caja de cambios de engranaje constante. Ésta cuenta con tres ejes: el eje de entrada, el eje intermedio y el eje principal.

El motor acciona al eje de entrada, el cual impulsa al eje intermedio. El eje intermedio gira los engranajes en el eje principal, aunque éstos giran libremente hasta que se bloquean por medio del dispositivo sincronizador, que está calzado al eje.

 

Partes de una caja de cambios

¿Cuáles son sus partes principales?

El dispositivo sincronizador es el que realmente acciona el conductor, a través de una barra selectora con una horquilla que mueve el sincronizador para engranar la marcha.

El anillo sincronizador, un dispositivo de retardo, es el 'refinamiento' final en la caja de cambios. Evita el acople de un cambio hasta que las velocidades del eje se sincronizan.

En algunos automóviles se incluye un cambio adicional, llamado overdrive. Es más alto que el cambio superior, por lo que de esta manera brinda una conducción más económica.

Cómo es la relación de los cambios

Punto muerto

Todos los engranajes, excepto los necesarios para la marcha atrás, están constantemente engranando. Los engranajes en el eje de salida giran libremente a su alrededor, mientras que aquellos en el eje intermedio están fijos. No hay transmisión.

Partes caja de cambios punto muerto

Primera marcha

En primera, el engranaje más pequeño en el eje intermedio (con la menor cantidad de dientes) se bloquea, pasando la transmisión a través del engranaje más grande en el eje principal, y dando un alto par motor y una baja velocidad para un arranque desde parado, en llano o en pendiente.

Cómo funciona caja de cambios, primera velocidad

Segunda marcha

En segunda, la diferencia de diámetro de los engranajes en los dos ejes se reduce, lo que se traduce en un aumento de velocidad y en un menor incremento del par motor. La proporción es ideal para subir pendientes muy empinadas, circular a baja velocidad o detenerse (aunque al frenar totalmente las ruedas haya que poner punto muerto para que el motor no se cale).

Tercera marcha

En tercera, un engranaje todavía más grande en el eje intermedio aumenta la velocidad aún más, aunque reduce el incremento del par motor. La tercera velocidad proporciona agilidad conduciendo en la ciudad a velocidades que rondan las máximas permitidas en esos tramos.

Cuarta marcha

En cuarta (en esta imagen es la última velocidad, con lo que es la más larga), el eje de entrada y el eje principal se traban juntos, ofreciendo una 'transmisión directa': una revolución del eje de propulsión para cada revolución del cigüeñal. No hay un aumento en el par motor.

Marcha atrás

Para accionar la marcha atrás, un piñón se interpone entre los engranajes de los dos ejes, haciendo que el eje principal cambie al sentido contrario. Generalmente, esta marcha no está sincronizada.

Cómo funciona caja de cambios, marcha atrás

¿Qué son los cambios sincronizados? 

El dispositivo sincronizador es un anillo con dientes en el interior, que se monta en un buje dentado calzado al eje. Cuando el conductor selecciona una marcha, haciendo coincidir las superficies de fricción en forma de cono sobre el buje y la unidad de transmisión de cambios, desde el engranaje de giro a través del buje hacia el eje, se sincroniza la velocidad de los dos ejes.

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Con otro movimiento de la palanca de cambios, el anillo se mueve a lo largo del buje por una distancia corta, hasta que sus dientes engranan con los dientes biselados de las grapas a un lado de la rueda, de modo que el buje y el engranaje se traban juntos.

Los diseños modernos también incluyen un anillo sincronizador interpuesto entre las superficies de fricción. El anillo sincronizador tiene grapas dentadas, está hecho de materiales más blandos y se ajusta con más holgura en el eje que en el buje.

El anillo sincronizador debe estar situado precisamente a un lado del buje por medio de lengüetas o "dedos", antes de que sus dientes se alineen con los del anillo.

En el tiempo que éste necesita para localizarse a sí mismo, las velocidades de los ejes se sincronizan, de modo que el conductor no puede hacer que ningún diente choque. 

La mayoría de los coches modernos tienen sincronizadas todas las marchas de avance, aunque en los modelos que no lo son, la sincronización no se proporciona en la primera marcha.

Los distintos tipos de cajas de cambio automáticas

A pesar de que su proliferación es relativamente reciente, las cajas de cambio automáticas tienen bastantes años a sus espaldas. Por suerte, los tiempos en los que éstas eran lentas y bruscas han pasado a mejor vida, existiendo varios tipos diferentes que, para los no muy entendidos, es complicado diferenciar. ¿Qué es mejor, un doble embrague o un convertidor de par? ¿Y eso del CVT? Vamos a echar un poco de luz sobre el tema.

  • Doble embrague

El cambio automático de doble embrague es una de las soluciones por las que más apuestan los fabricantes. De entre las marcas más populares, destaca el DSG de Volkswagen, aunque también firmas como BMW, Mercedes, Alfa Romeo, Kia o Hyundai tienen buenos argumentos en este sentido. Por no hablar de Porsche con su PDK, claro. En todos los casos se trata de un sistema que combina dos cajas de cambio que funcionan a la vez, una de ellas para las marchas pares y otra para las impares. De esta manera, la siguiente marcha a engranar en función de si estamos acelerando o decelerando, siempre estará preparada, mejorando la velocidad de reacción del sistema.

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Entre las ventajas de este sistema encontramos la suavidad y la fluidez del mismo, además de un consumo energético bajo, el poco espacio que ocupa y su ligereza. En su contra se puede hablar de una fiabilidad algo menor que la de otros sistemas más convencionales y un precio por encima de la media.

  • Cambio robotizado

Estamos ante la alternativa más económica en lo que a cambios automáticos se refiere, ya que se trata de una tecnología a la que se añade un embrague electrónico a una caja de cambios manual. Este embrague es gestionado por la centralita. Han apostado por esta variante marcas como Citröen, Peugeot, Renault, Fiat, Suzuki, Toyota, Opel o Dacia, entre otras.

Se trata de una solución tan compacta como ligera, que además consume poca energía. De hecho, hay quien apunta que es la mejor para aquellos quienes solamente se preocupen de que el embrague de su coche pase a mejor vida. En su contra podemos decir que los cambios de marcha son algo más bruscos que en los otros sistemas, además de observarse un ahorro de combustible que no es el óptimo.

  • Cambio automático por convertidor de par

En un cambio automático por convertidor de par -la referencia en este sentido es BMW, que ha logrado con el suyo un comportamiento brillante-, todas las marchas están permanentemente engranadas, disponiendo de su propio embrague. El motor es el que se conecta a una caja mediante un convertidor hidrodinámico de par. Este dispositivo transmite el giro del motor a los ejes a través de una turbina, la cual está bañada en aceite. Además la marca alemana, también utilizan este sistema otras como Mazda, Mercedes, Volvo o Peugeot.

Una de las principales ventajas de este sistema es su suavidad, que va unida a una fiabilidad a prueba de bombas. En su contra tiene el precio, ya que suele ser el más caro de todos.

  • CVT

En un cambio automático CVT -es el que usa Toyota en sus modelos híbridos, por ejemplo- nos encontramos con un sistema de poleas de diámetro variable que sustituye a los tradicionales piñones. De esta manera no se producen cambios de marcha como tal, sino que el sistema se va ajustando a las necesidades de la conducción. Últimamente, eso sí, algunos fabricantes incluyen levas tras el volante para hacer creer al conductor que puede gestionar los cambios de marcha, algo que si te fijas con detalle realmente no sucede.

La gran ventaja de este sistema es su suavidad, algo lógico cuando no se producen saltos entre marchas. De hecho, es lo que provoca que sea probablemente la mejor solución para entornos urbanos. Todo lo contrario sucede cuando salimos a carretera abierta y exigimos prestaciones, ya que el motor tiende a revolucionarse demasiado, provocando un molesto zumbido que afecta al confort en marcha, por no hablar del extra de consumo que supone.

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