David Ras
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Guía sobre los tipos de cajas de cambio manuales
En este post explicaremos que es el embrague y como funciona, los diferentes tipos de cajas manuales, incluyendo la Constant Mesh, la Synchromesh, la secuencial, la de doble o triple eje, la robotizada o automatizada, y porque la marcha atrás hace un ruido característico. Por último, explicaremos la maniobra o técnica del doble embrague.
Aunque parezca que todos los cambios manuales son iguales, en realidad los hay de varios tipos, y se pueden clasificar por su configuración interna y por el tipo de engranajes que utilizan, aunque primero hablaremos del embrague para que se entienda bien como funcionan los cambios.
El embrague
La función de un embrague, en un cambio de marchas manual, es desconectar el motor de las ruedas, para así poder cambiar la marcha sin romper los engranajes de la caja de cambios, y poder mantener el vehículo parado con el motor en marcha en un semáforo, por ejemplo.
El motor de un vehículo siempre está girando cuando está encendido, pero no siempre es necesario que las ruedas lo hagan, y el embrague permite que el motor siga girando sin que el vehículo se mueva.
En circunstancias normales, sin pisar el pedal del embrague, el embrague está acoplado al volante de inercia del motor. Así, la fuerza del motor pasa por la caja de cambios y se transmite a las ruedas.
Cuando se pisa el pedal del embrague, el embrague de desacopla del volante de inercia, se desembraga del motor. El motor continua girando, pero a la caja de cambios no llega fuerza, y las ruedas no giran. Es entonces cuando se puede poner o quitar una marcha, hasta que se deja de pisar el pedal. Si se pisa el pedal del embrague a medias, o se pisa durante demasiado rato, el embrague puede patinar y averiarse.
En el esquema siguiente de la caja de cambios no aparece dibujado el embrague (Clutch), pero está situado a la izquierda del eje verde, antes de donde dice “From Engine” (desde el motor).
La función del embrague es separar el eje verde, que viene del motor, del eje rojo de dentro la caja de cambios.
En circunstancias normales, el eje verde del motor gira y hace girar el engranaje verde, que está acoplado al engranaje rojo y hace girar el eje rojo (Layshaft, eje internedio o contraeje) de la caja. Si el eje rojo gira, también giran los engranajes rojos, y estos hacen girar a los engranajes azules.
Cuando se pisa el pedal del embrague, el embrague separa el motor del eje primario, y en el esquema es como si el engranaje verde y el rojo se separaran. El eje verde del motor sigue girando. El eje rojo (Layshaft) de la caja se para porque no recibe fuerza del motor. Entonces, se puede mover la palanca del cambio (Gear Selector Fork) y cambiar la marcha gracias al sincronizador sin que los dientes de los ejes se atasquen o se rompan.
*Esquema de una caja de cambios manual. En amarillo se indica donde está el embrague que une y separa el engranaje verde del rojo. Ver explicación en el texto.
Para que el embrague funcione, se necesitan tres componentes principales:
*Foto del volante de inercia o volante motor (izquierda), el disco del embrague con el material de fricción (centro izquierda), el plato de presión o maza del embrague (centro derecha), y el collarín (o anillo, o cojinete de desembrague) para cerrar todo el conjunto (derecha).
El punto de fricción es el momento exacto en el que el disco del embrague empieza a tocar el volante de inercia.
Si se pisa el pedal del embrague demasiado rápido, el coche se cala porque porque la diferencia de velocidad entre el motor (que sigue girando) y las ruedas (que están paradas) es tan grande que la resistencia de las ruedas frena el giro del motor y lo hace girar por debajo de su ralentí, calándose.
Si se pisa el pedal del embrague demasiado lento, o se deja a medio pisar mientras se acelera mucho, el material de fricción patina y se desgasta prematuramente por el calor excesivo.
Tipos de cajas manuales
Caja de cambios Constant Mesh
El modelo más sencillo de caja de cambios es la llamada Constant Mesh o Dog Box, una caja de toma constante o dientes rectos.
En ella, todos los engranajes de las marchas están siempre engranados y en contacto, y giran libremente. Los dientes son rectos y, a veces si no se ajustan perfectamente las revoluciones, los dientes rozan o no encajan durante unos instantes, haciendo un ruido parecido a un golpe seco y violento (parecido a ¡Clack!) hasta que se ponen bien, aunque también pueden bloquearse. Esto no sucede en los vehículos de calle, que utilizan cajas manuales Synchromesh con los dientes helicoidales para ser más silenciosos, aunque a veces hacen un ruido como de rascado cuando los dientes del sincronizador patinan.
Al ser los dientes rectos, estas cajas son muy robustas pero muy ruidosas, ya que hacen un ruido muy característico como si fueran marcha atrás. El cambio es muy rápido, sin necesidad casi de pisar el pedal del embrague hasta el fondo, pero siempre y cuando se deje de acelerar un instante para que los engranajes se liberen de la presión del motor y puedan moverse. Si no se hiciera, la marcha quedaría bloqueada por la fuerza del motor. Pero el cambio también es muy brusco para el uso diario. Utiliza crabots, unas piezas metálicas grandes para engranar, pero no sincronizadores.
A favor de los dientes rectos, hay que decir que se transmite toda la fuerza sin ninguna pérdida lateral, en cambio si son helicoidales se generan fuerzas laterales que provocan pérdidas de fuerza.
*Foto donde se pueden ver los dientes rectos o de perro, y que no siempre encajan a la primera.
Cuando se mueve la palanca del cambio, no se mueven los engranajes grandes, sino que se mueven unos anillos, llamados Dog Clutches, acoplamientos de dentadura o crabots, que acoplan y fijan el engranaje grande al eje.
La caja de cambios manual Constant Mesh se utiliza en motos, coches de competición (F1 antiguos, rallies, de circuito), y camiones muy antiguos.
El eje de salida del motor (en verde) transfiere la fuerza a la caja de cambios. Primero hay el embrague (no dibujado en el esquema), que recibe la fuerza por el engranaje verde.
El embrague es el que junta o separa el engranaje verde y el rojo. Si el embrague está cerrado, es decir mientras no pisemos el pedal del embrague, se transmite la fuerza del motor del engranaje verde al engranaje rojo y de ahí al eje rojo.
Todos los engranajes rojos giran, lo que también hace girar los engranajes azules pero, mientras los engranajes rojos están soldados al eje rojo, los azules no están soldados al eje amarillo, así que giran libremente.
Lo que si está soldado al eje azul son los anillos entre los engranajes grandes azules. Son los dientes de perro o crabots.
Cuando pisamos el pedal del embrague, el engranaje verde se separa del rojo, los engranajes rojos y azules dejan de girar y es entonces cuando podemos poner una marcha con la palanca del cambio (Gear selector fork).
Si seleccionmos la 1a marcha, el anillo dentado que hay entre los engranajes 1 y 2 se desplaza hacia la izquierda y se acopla o engrana con el engranaje 1.
Si quitamos el pie del pedal del embrague, los engranajes rojos y azules vuelven a girar. El engranaje 1 gira acoplado al anillo y hace girar al anillo azul y al eje amarillo. Y así la fuerza del motor se transmite al eje amarillo, sale de la caja y va hacia las ruedas y/o el diferencial (To Differential).
Los demás engranajes azules también giran, pero como no están soldados al eje amarillo ni están acoplados a ningún anillo, no transmiten fuerza y giran libremente.
Si en vez de seleccionar la 1a marcha seleccionamos la 2a, el anillo azul dentado que hay entre los engranajes 1 y 2 se desplaza hacia la derecha y se acopla o engrana con el engranaje 2, y el proceso es el mismo, pero entonces el engranaje que transmite la fuerza del motor al eje amarillo será el engranaje 2.
Si lo que queremos es seleccionar la 3a y 4a marcha, el proceso es el mismo, pero entonces es el anillo azul 2 el que se mueve a izquierda o derecha.
Y si lo que queremos es seleccionar la 5a marcha o la marcha atrás, el procedimiento es otra vez el mismo, pero desplazando el anillo azul 3 a izquierda o derecha.
En el caso de la marcha atrás, entre los engranajes rojo y azul, hay el Idler Gear, que es el “engranaje loco” o internedio, que se utiliza para invertir la marcha.
*Esquema de una caja de cambios manual Constant Mesh. Los números indican las marchas, y en este caso el cambio tiene 5 marchas más la marcha atrás (R ). El Layshaft es el eje intermedio (rojo). El Gear selector fork es la palanca de cambio de marchas, y el Idler Gear es el engranaje loco para invertir la marcha (atrás). Ver el texto con la explicación detallada.
Caja de cambios Synchromesh
La caja Synchromesh también es una caja de toma constante, pero se trata de una evolucion del modelo anterior, sustituyendo los dientes rectos por dientes helicoidales y añadiendo unos sincronizadores a los anillos que hay entre los engranajes azules.
El 99% de los vehículos de calle actuales, con caja de cambios manual, utilizan cajas Synchromesh.
*Foto de unos engranajes. En la parte superior unos engranajes Synchromesh con dientes helicoides. En la parte inferior, unos engranajes Constant Mesh con dientes de perro rectos.
El funcionamiento es el mismo que hemos descrito en la caja anterior Constant Mesh, pero los anillos dentados intermedios incluyen unos pequeños conos de fricción que igualan la velocidad del eje amarillo con el engranaje azul antes que los dientes se acoplan del todo. Esto permite cambiar la marcha suavemente, sin rascar y sin necesidad de hacer la maniobra del doble embrague (se explica más adelante).
Estos anillos diferentes, con los conos de fricción, se llaman sincronizadores o anillos de sincronización. Acostumbran a ser de bronce o latón por su capacidad de fricción. Y es cuando están desgastados que, al cambiar de marcha y no poder igualar las velocidades por fricción, los dientes de perro (Dog Teeth) chocan a diferentes velocidades y producen un ruido como de rascado.
*Foto de los anillos intermedios con los conos sincronizadores.
A veces se producen confusiones porque las cajas de cambio Constant Mesh tienen Dog Teeth (dientes de perro o dientes rectos), pero las cajas Synchromesh también, aunque mucho más pequeños y finos. Están situados justo al lado del cono de fricción. En la foto anterior se pueden ver con el nombre de Dog Teeth”.
Caja de cambios secuencial
Una caja de cambios secuencial es un tipo de caja manual que se utiliza en vehículos de alto rendimiento, coches de carreras y competición, y sobretodo en motos, ya que prácticamente todas lo llevan desde hace tiempo.
En una caja manual convencional, la palanca de los cambios se mueve dentro de un esquema parecido a una “H”, de forma que si es necesario se puede pasar de 5a a 2a, y saltarse marchas. En un cambio secuencial, solo es posible cambiar las marchas de una en una, y en orden fijo, es decir secuencial. Por ejemplo, para pasar de 2a a 4a hay que pasar primero de 2a a 3a y después de 3a a 4a. No es posible saltarse marchas.
En un cambio secuencial, la palanca para cambiar las marchas va hacia adelante para subir las marchas y hacia atrás para bajarlas, aunque también puede utilizar levas en el volante, o un pedal si se trata de una moto.
Cuando el conductor acciona la palanca, internamente hay un tambor o cilindro selector que gira. Tiene unas ranuras, donde se alojan las horquillas selectoras. Al girar el tambor, las ranuras empujan las horquillas para engranar la siguiente marcha.
Los engranajes son de toma constante, con engranajes con dientes de perro (Dog Gears), y no tienen sincronizadores. Igual que en las cajas Constant Mesh. Esto permite cambios muy bruscos y rápidos, en milisegundos, ideales para la competición, ya que no necesitan que las velocidades de los ejes estén perfectamente sincronizadas antes de encajar.
Este sistema reduce al mínimo el cambio de marcha y el tiempo en el no llega fuerza del motor a las ruedas, lo que es muy útil en competición. También evita errores, porque imposibilita que el piloto, por error, pueda poner 2a en vez de 4a, lo que podría destruir la caja y/o el motor. Y, si se usan levas, permite al piloto mantener las manos en el volante, simplificando la gestión de las marchas en situaciones complicadas o de alta velocidad.
Las cajas manuales secuenciales son muy eficaces en la competición, pero también tienen sus inconvenientes para el uso diario, ya que necesitan mucho mantenimiento si se usan de forma intensiva, el cambio es muy seco y brusco, es incómodo y poco agradable en una conducción tranquila por ciudad, y son ruidosas debido a los engranajes y dientes rectos (hacen una especie de claqueteo), y a la carencia de sincronizadores blandos.
*Esquema interno de un cambio de marchas manual secuencial de 4 marchas. A la izquierda se ve el tambor que gira, con unas ranuras que suben y bajan y fuerzan a subir y bajar los anillos del eje central rosa. La fuerza del motor entra por eje rosa central inferior. Si se selecciona la 1a, el primer anillo rosa se acopla con el primer engranaje azul, que transmite la fuerza al engranaje rojo, que la transfiere al engranaje verde y sale por el eje verde. Si se selecciona la 2a, sucede lo mismo pero por el segundo engranaje azul, que tiene un menor diámetro, de forma que al eje verde llegará menos fuerza pero más velocidad. Con la 3a y la 4a funciona igual, a medida que aumentamos la marcha, cada vez disponemos de menos fuerza y pero de más velocidad.
En la entrada “Transmisión manual secuencial” de la Wikipedia hay una animación muy interesante del funcionamiento de este tipo de cajas.
Caja de cambios de doble o triple eje
Más que un tipo diferente de caja, se trata de una arquitectura física que se vé mucho en camiones o en coches pequeños de tracción delantera.
En lugar de un solo eje de salida, la caja se divide en dos o tres ejes secundarios. Así se consigue acortar la caja, ahorrar espacio longitudinal y optimizar la resistencia mecánica. También se utiliza para gestionar pares motor muy elevados en vehículos pesados.
En una caja de cambios manual convencional, todos los engranajes se ponen en línea, uno detrás de otro, haciendo que la caja sea muy larga. En las cajas de dos o tres ejes, se dividen los engranajes en dos o tres ejes, que giran paralelos al eje primario de entrada.
Esto es muy útil en coches pequeños, con motor delantero transversal y tracción delantera, en los cuales hay poco espacio en el compartimiento del motor. Si la caja fuera muy larga no cabría, así que con dos ejes secundarios se acorta la caja, se empaqueta todo, y se hace la caja un poco más alta y ancha. Además, si los ejes son cortos, se evita que los ejes largos se doblen y curven bajo la presión, y que se deformen y no giren con precisión.
Esta solución se utiliza en los Volkswagen y Fiats pequeños, como el Polo y el Ibiza, donde el espacio es mínimo y es la única opción para que puedan disponer de cajas modernas de 6 marchas.
También es muy útil en grandes y pesados camiones en los que, si tuvieran un solo eje, el engranaje debería ser enorme y acabaría siendo frágil. Teniendo varios ejes intermedios (countershafts), la fuerza del motor se divide entre todos los ejes. Así se reduce el estrés y la fatiga mecánca del engranaje, de los dientes y del eje, y no aumenta excesivamente el peso.
En el caso de las cajas manuales de triple eje, excepto en la parte automatizada, funcionan igual que las automáticas de doble embrague (se recomienda leer el post donde se explican las cajas de doble embrague). Hay un eje primario que recibe la fuerza del motor a través del embrague, un eje secundario para las marchas impares (1a, 3a, 5a, 7a) y la marcha atrás, y un eje secundario para las marchas pares (2a, 4a, 6a). Ambos ejes llegan hasta el engranaje del diferencial, lo que permite reducir la longitud total de la transmisión a casi la mitad, ya que las marchas están dispuestas en paralelo.
Caja de cambios robotizada o automatizada
Actualmente en desuso en los turismos europeos, las cajas de cambios robotizadas o pilotadas, todavía equipan coches pequeños o antiguos, como el Smart, el Citroën C3 antiguo, el Seat Mii, o Fiat 500, y también en camiones.
En el transporte pesado (trailers), las cajas robotizadas, como la i-Shift de Volvo, son un estándar actual por su eficiencia en el consumo de combustible.
*Foto de la caja de cambios robotizada i-Shift de los camiones Volvo.
Y en el pasado, BMW también las utilizó con el nombre SMG entre el 1997 y el 2004 en sus modelos M3 E36 (SMG-I, 1997), M3 E46 (SMG-II, 2000), y M5 E60, M6 E63 (SMG-III, 2004).
Es una caja manual de toda la vida, con embragues y engranajes, a la cual se le ha añadido un sistema de gestión electrónica y unos actuadores hidráulicos o eléctricos que “pisan” el embrague y mueven la palanca en lugar del conductor. No tiene pedal de embrague, y el conductor no necesita mover la palanca del cambio para cambiar la marcha. Un robot, el actuador, se encarga internamente de abrir el embrague, seleccionar la marcha y cerrar de nuevo el embrague.
Se las conoce por varios nombres, pero la tecnología es la misma:
Pueden funcionar en modo automático, donde el ordenador del vehículo analiza la velocidad y la presión sobre el acelerador para decidir cuando cambiar de marcha, y en modo secuencial, donde el conductor puede escoger la marcha mediante las levas del volante o moviendo la palanca de las marchas hacia adelante o hacia atrás, pero sin necesidad de pisar el pedal del embrague, porque no tiene pedal.
Una caja robotizada es más barata de fabricar que una caja automática, es tan eficiente como una caja manual, y es muy ligera, ideal para vehículos pequeños. Pero es brusca, incluido al aparcar o arrancar en subida, y los cambios de marcha son más lentos que en otros tipos de cajas, con interrupciones de potencia importantes entre marcha y marcha.
Además, aparte del desgaste del embrague, estas cajas suelen fallar por el actuador (el robot). Si es hidráulico, puede tener fugas de presión, si es eléctrico, puede quemarse el motor eléctrico que mueve la palanca.
Cuando el embrague se abre, el motor sigue empujando pero no llega fuerza a la caja, el vehículo de golpe deja de acelerar, la inercia hace que el morro del vehículo se hunda ligeramente y los pasajeros son empujados hacia adelante. Cuando entra la siguiente marcha, el vehículo vuelve a empujar, el morro sube y los pasajeros son empujados de nuevo hacia atrás. Esto puede provocar tirones incómodos y un cabeceo adelante / atrás, e incluso un balanceo izquierda / derecha, bastante incómodos.
El cambio robotizado, se utiliza principalmente porque es la manera más sencilla y barata de ofrecer un coche “automático” de bajo coste en modelos urbanos, pequeños y económicos sin disparar el precio.
Aunque no lo parezca, en el pasado las cajas robotizadas se utilizaron en superdeportivos como el famoso cambio F1 de Ferrari o el e-Gear de Lamborghini, pero hoy en dia han sido sustituidas por cajas de doble embrague, que son mucho más rápidas y suaves, pero también más complejas y caras de mantener.
En estos superdeportivos, el cambio era brusco a propósito para dar una sensación más de carreras, pero en el Citroën C3 era simplemente una limitación técnica.
Se llama comercialmente “automatizada” y no “automática” a secas, porque en realidad es una caja de cambios manual convencional de engranajes en la cual se ha automatizado el cambiar y embragar mediante electrónica, y se ha eliminado el pedal del embrague.
La marcha atrás
La marcha atrás, en muchos coches actuales de todas las marcas, hace un ruido característico, como una especie de silbido agudo. Esto sucede porque, aunque los dientes de los engranajes son siempre helicoidales, en el engranaje de la marcha atrás para ahorrar espacio y costes los dientes son rectos, y son estos la causa del ruido tan especial.
Y si los dientes del engranaje de la marcha atrás son rectos es que no lleva sincronizador, y por tanto se dice que la marcha “no está sincronizada”.
La maniobra del doble embrague
La maniobra del doble embrague o del doble pedaleo, es una técnica de conducción para vehículos con cambio de marchas manual, sobretodo en los muy antiguos que no llevaban sincronizadores, y que sirve para igualar la velocidad de giro del eje de salida (hacia la transmisión) con el eje de entrada (que viene del motor) antes de engranar una marcha más corta.
Tal como hemos explicado anteriormente, un sincronizador es un pequeño anillo cónico de fricción entre los engranajes de las marchas que se encarga de igualar las velocidades de los engranajes cuando se acoplan para que no rasquen.
En los vehículos modernos fabricados desde hace 30 ó 40 años, ya no es necesaria la maniobra del doble embrague, porque incorporan sincronizadores, pero continua siendo una habilidad útil para reducir el desgaste mecánico, sobretodo de los sincronizadores que así no trabajan tanto, y para conducir vehículos clásicos de época, o camiones antiguos, porque cuando se construyeron no se ponían sincronizadores. En estos vehículos, sin la maniobra del doble embrague no se puede cambiar la marcha sin oir el ruido terrible del engranaje rascando.
Imaginemos que el conductor desea reducir de 3a a 2a marcha. Los pasos a seguir son:
1) Pisar el pedal del embrague, sacar 3a y poner la palanca de las marchas en punto muerto.
2) Soltar el pedal del embrague, con el coche aún en punto muerto.
3) Dar un golpe rápido al pedal del gas para subir las revoluciones del motor, lo que hará girar más rápido al eje primario (que viene del motor) de la caja de cambios.
4) Rápidamente, pisar el pedal del embrague.
5) Poner la palanca en la 2a marcha, y soltar el pedal del embrague con suavidad.
Esta maniobra elimina la sacudida típica que hace el coche cuando se suelta el pedal del embrague en una reducción fuerte, y se gana mayor suavidad.
Imaginemos ahora que el conductor desea subir de 2a a 3a marcha. También se utiliza la maniobra del doble embrague, pero sin dar el golpe de gas, simplemente esperando en punto muerto a que las revoluciones del eje primario (que vienen del motor) bajen hasta igualarse con la marcha superior.
En conducción deportiva, muchos conductores utilizan la maniobra del doble embrague conjuntamente con la técnica del punta tacón (frenar y hacer el doble embrague a la vez) para entrar en las curvas con la marcha más adecuada y mantener la estabilidad del vehículo sin que se bloqueen las ruedas traseras, pero si no se igualan las revoluciones, al dejar de pisar el embrague las ruedas podrían patinar o el coche se desequilibraría justo en el momento de girar, cosa que en conducción deportiva es peligrosa, porque si el coche es de tracción trasera puede hacer un trompo, situación en la cual el morro gira y el culo parece que lo quiera adelantar.
Como hemos comentado antes, muchos vehículos modernos no tienen sincronizada la marcha atrás, es decir, tienen engranajes con dientes rectos y no utilizan silenciadores. Por eso, a veces realizar una maniobra de doble embrague con el vehículo parado ayuda a que la marcha atrás entre más suave si se ha quedado un poco bloqueada.
Saludos.
PDF: Guía sobre los tipos de cajas de cambio manuales.pdf 341,5 KB
En este post explicaremos que es el embrague y como funciona, los diferentes tipos de cajas manuales, incluyendo la Constant Mesh, la Synchromesh, la secuencial, la de doble o triple eje, la robotizada o automatizada, y porque la marcha atrás hace un ruido característico. Por último, explicaremos la maniobra o técnica del doble embrague.
Aunque parezca que todos los cambios manuales son iguales, en realidad los hay de varios tipos, y se pueden clasificar por su configuración interna y por el tipo de engranajes que utilizan, aunque primero hablaremos del embrague para que se entienda bien como funcionan los cambios.
El embrague
La función de un embrague, en un cambio de marchas manual, es desconectar el motor de las ruedas, para así poder cambiar la marcha sin romper los engranajes de la caja de cambios, y poder mantener el vehículo parado con el motor en marcha en un semáforo, por ejemplo.
El motor de un vehículo siempre está girando cuando está encendido, pero no siempre es necesario que las ruedas lo hagan, y el embrague permite que el motor siga girando sin que el vehículo se mueva.
En circunstancias normales, sin pisar el pedal del embrague, el embrague está acoplado al volante de inercia del motor. Así, la fuerza del motor pasa por la caja de cambios y se transmite a las ruedas.
Cuando se pisa el pedal del embrague, el embrague de desacopla del volante de inercia, se desembraga del motor. El motor continua girando, pero a la caja de cambios no llega fuerza, y las ruedas no giran. Es entonces cuando se puede poner o quitar una marcha, hasta que se deja de pisar el pedal. Si se pisa el pedal del embrague a medias, o se pisa durante demasiado rato, el embrague puede patinar y averiarse.
En el esquema siguiente de la caja de cambios no aparece dibujado el embrague (Clutch), pero está situado a la izquierda del eje verde, antes de donde dice “From Engine” (desde el motor).
La función del embrague es separar el eje verde, que viene del motor, del eje rojo de dentro la caja de cambios.
En circunstancias normales, el eje verde del motor gira y hace girar el engranaje verde, que está acoplado al engranaje rojo y hace girar el eje rojo (Layshaft, eje internedio o contraeje) de la caja. Si el eje rojo gira, también giran los engranajes rojos, y estos hacen girar a los engranajes azules.
Cuando se pisa el pedal del embrague, el embrague separa el motor del eje primario, y en el esquema es como si el engranaje verde y el rojo se separaran. El eje verde del motor sigue girando. El eje rojo (Layshaft) de la caja se para porque no recibe fuerza del motor. Entonces, se puede mover la palanca del cambio (Gear Selector Fork) y cambiar la marcha gracias al sincronizador sin que los dientes de los ejes se atasquen o se rompan.
*Esquema de una caja de cambios manual. En amarillo se indica donde está el embrague que une y separa el engranaje verde del rojo. Ver explicación en el texto.
Para que el embrague funcione, se necesitan tres componentes principales:
- El volante de inercia, que es una especie de rueda pesada fijada al motor y que gira con él.
- El disco del embrague, recubierto de un material de alta fricción parecido al de las pastillas de freno.
- El plato de presión, encargado de empujar el disco del embrague contra el volante de inercia para que giren juntos en circunstancias normales cuando no se pisa el pedal del embrague.
*Foto del volante de inercia o volante motor (izquierda), el disco del embrague con el material de fricción (centro izquierda), el plato de presión o maza del embrague (centro derecha), y el collarín (o anillo, o cojinete de desembrague) para cerrar todo el conjunto (derecha).
El punto de fricción es el momento exacto en el que el disco del embrague empieza a tocar el volante de inercia.
Si se pisa el pedal del embrague demasiado rápido, el coche se cala porque porque la diferencia de velocidad entre el motor (que sigue girando) y las ruedas (que están paradas) es tan grande que la resistencia de las ruedas frena el giro del motor y lo hace girar por debajo de su ralentí, calándose.
Si se pisa el pedal del embrague demasiado lento, o se deja a medio pisar mientras se acelera mucho, el material de fricción patina y se desgasta prematuramente por el calor excesivo.
Tipos de cajas manuales
Caja de cambios Constant Mesh
El modelo más sencillo de caja de cambios es la llamada Constant Mesh o Dog Box, una caja de toma constante o dientes rectos.
En ella, todos los engranajes de las marchas están siempre engranados y en contacto, y giran libremente. Los dientes son rectos y, a veces si no se ajustan perfectamente las revoluciones, los dientes rozan o no encajan durante unos instantes, haciendo un ruido parecido a un golpe seco y violento (parecido a ¡Clack!) hasta que se ponen bien, aunque también pueden bloquearse. Esto no sucede en los vehículos de calle, que utilizan cajas manuales Synchromesh con los dientes helicoidales para ser más silenciosos, aunque a veces hacen un ruido como de rascado cuando los dientes del sincronizador patinan.
Al ser los dientes rectos, estas cajas son muy robustas pero muy ruidosas, ya que hacen un ruido muy característico como si fueran marcha atrás. El cambio es muy rápido, sin necesidad casi de pisar el pedal del embrague hasta el fondo, pero siempre y cuando se deje de acelerar un instante para que los engranajes se liberen de la presión del motor y puedan moverse. Si no se hiciera, la marcha quedaría bloqueada por la fuerza del motor. Pero el cambio también es muy brusco para el uso diario. Utiliza crabots, unas piezas metálicas grandes para engranar, pero no sincronizadores.
A favor de los dientes rectos, hay que decir que se transmite toda la fuerza sin ninguna pérdida lateral, en cambio si son helicoidales se generan fuerzas laterales que provocan pérdidas de fuerza.
*Foto donde se pueden ver los dientes rectos o de perro, y que no siempre encajan a la primera.
Cuando se mueve la palanca del cambio, no se mueven los engranajes grandes, sino que se mueven unos anillos, llamados Dog Clutches, acoplamientos de dentadura o crabots, que acoplan y fijan el engranaje grande al eje.
La caja de cambios manual Constant Mesh se utiliza en motos, coches de competición (F1 antiguos, rallies, de circuito), y camiones muy antiguos.
El eje de salida del motor (en verde) transfiere la fuerza a la caja de cambios. Primero hay el embrague (no dibujado en el esquema), que recibe la fuerza por el engranaje verde.
El embrague es el que junta o separa el engranaje verde y el rojo. Si el embrague está cerrado, es decir mientras no pisemos el pedal del embrague, se transmite la fuerza del motor del engranaje verde al engranaje rojo y de ahí al eje rojo.
Todos los engranajes rojos giran, lo que también hace girar los engranajes azules pero, mientras los engranajes rojos están soldados al eje rojo, los azules no están soldados al eje amarillo, así que giran libremente.
Lo que si está soldado al eje azul son los anillos entre los engranajes grandes azules. Son los dientes de perro o crabots.
Cuando pisamos el pedal del embrague, el engranaje verde se separa del rojo, los engranajes rojos y azules dejan de girar y es entonces cuando podemos poner una marcha con la palanca del cambio (Gear selector fork).
Si seleccionmos la 1a marcha, el anillo dentado que hay entre los engranajes 1 y 2 se desplaza hacia la izquierda y se acopla o engrana con el engranaje 1.
Si quitamos el pie del pedal del embrague, los engranajes rojos y azules vuelven a girar. El engranaje 1 gira acoplado al anillo y hace girar al anillo azul y al eje amarillo. Y así la fuerza del motor se transmite al eje amarillo, sale de la caja y va hacia las ruedas y/o el diferencial (To Differential).
Los demás engranajes azules también giran, pero como no están soldados al eje amarillo ni están acoplados a ningún anillo, no transmiten fuerza y giran libremente.
Si en vez de seleccionar la 1a marcha seleccionamos la 2a, el anillo azul dentado que hay entre los engranajes 1 y 2 se desplaza hacia la derecha y se acopla o engrana con el engranaje 2, y el proceso es el mismo, pero entonces el engranaje que transmite la fuerza del motor al eje amarillo será el engranaje 2.
Si lo que queremos es seleccionar la 3a y 4a marcha, el proceso es el mismo, pero entonces es el anillo azul 2 el que se mueve a izquierda o derecha.
Y si lo que queremos es seleccionar la 5a marcha o la marcha atrás, el procedimiento es otra vez el mismo, pero desplazando el anillo azul 3 a izquierda o derecha.
En el caso de la marcha atrás, entre los engranajes rojo y azul, hay el Idler Gear, que es el “engranaje loco” o internedio, que se utiliza para invertir la marcha.
*Esquema de una caja de cambios manual Constant Mesh. Los números indican las marchas, y en este caso el cambio tiene 5 marchas más la marcha atrás (R ). El Layshaft es el eje intermedio (rojo). El Gear selector fork es la palanca de cambio de marchas, y el Idler Gear es el engranaje loco para invertir la marcha (atrás). Ver el texto con la explicación detallada.
Caja de cambios Synchromesh
La caja Synchromesh también es una caja de toma constante, pero se trata de una evolucion del modelo anterior, sustituyendo los dientes rectos por dientes helicoidales y añadiendo unos sincronizadores a los anillos que hay entre los engranajes azules.
El 99% de los vehículos de calle actuales, con caja de cambios manual, utilizan cajas Synchromesh.
*Foto de unos engranajes. En la parte superior unos engranajes Synchromesh con dientes helicoides. En la parte inferior, unos engranajes Constant Mesh con dientes de perro rectos.
El funcionamiento es el mismo que hemos descrito en la caja anterior Constant Mesh, pero los anillos dentados intermedios incluyen unos pequeños conos de fricción que igualan la velocidad del eje amarillo con el engranaje azul antes que los dientes se acoplan del todo. Esto permite cambiar la marcha suavemente, sin rascar y sin necesidad de hacer la maniobra del doble embrague (se explica más adelante).
Estos anillos diferentes, con los conos de fricción, se llaman sincronizadores o anillos de sincronización. Acostumbran a ser de bronce o latón por su capacidad de fricción. Y es cuando están desgastados que, al cambiar de marcha y no poder igualar las velocidades por fricción, los dientes de perro (Dog Teeth) chocan a diferentes velocidades y producen un ruido como de rascado.
*Foto de los anillos intermedios con los conos sincronizadores.
A veces se producen confusiones porque las cajas de cambio Constant Mesh tienen Dog Teeth (dientes de perro o dientes rectos), pero las cajas Synchromesh también, aunque mucho más pequeños y finos. Están situados justo al lado del cono de fricción. En la foto anterior se pueden ver con el nombre de Dog Teeth”.
Caja de cambios secuencial
Una caja de cambios secuencial es un tipo de caja manual que se utiliza en vehículos de alto rendimiento, coches de carreras y competición, y sobretodo en motos, ya que prácticamente todas lo llevan desde hace tiempo.
En una caja manual convencional, la palanca de los cambios se mueve dentro de un esquema parecido a una “H”, de forma que si es necesario se puede pasar de 5a a 2a, y saltarse marchas. En un cambio secuencial, solo es posible cambiar las marchas de una en una, y en orden fijo, es decir secuencial. Por ejemplo, para pasar de 2a a 4a hay que pasar primero de 2a a 3a y después de 3a a 4a. No es posible saltarse marchas.
En un cambio secuencial, la palanca para cambiar las marchas va hacia adelante para subir las marchas y hacia atrás para bajarlas, aunque también puede utilizar levas en el volante, o un pedal si se trata de una moto.
Cuando el conductor acciona la palanca, internamente hay un tambor o cilindro selector que gira. Tiene unas ranuras, donde se alojan las horquillas selectoras. Al girar el tambor, las ranuras empujan las horquillas para engranar la siguiente marcha.
Los engranajes son de toma constante, con engranajes con dientes de perro (Dog Gears), y no tienen sincronizadores. Igual que en las cajas Constant Mesh. Esto permite cambios muy bruscos y rápidos, en milisegundos, ideales para la competición, ya que no necesitan que las velocidades de los ejes estén perfectamente sincronizadas antes de encajar.
Este sistema reduce al mínimo el cambio de marcha y el tiempo en el no llega fuerza del motor a las ruedas, lo que es muy útil en competición. También evita errores, porque imposibilita que el piloto, por error, pueda poner 2a en vez de 4a, lo que podría destruir la caja y/o el motor. Y, si se usan levas, permite al piloto mantener las manos en el volante, simplificando la gestión de las marchas en situaciones complicadas o de alta velocidad.
Las cajas manuales secuenciales son muy eficaces en la competición, pero también tienen sus inconvenientes para el uso diario, ya que necesitan mucho mantenimiento si se usan de forma intensiva, el cambio es muy seco y brusco, es incómodo y poco agradable en una conducción tranquila por ciudad, y son ruidosas debido a los engranajes y dientes rectos (hacen una especie de claqueteo), y a la carencia de sincronizadores blandos.
*Esquema interno de un cambio de marchas manual secuencial de 4 marchas. A la izquierda se ve el tambor que gira, con unas ranuras que suben y bajan y fuerzan a subir y bajar los anillos del eje central rosa. La fuerza del motor entra por eje rosa central inferior. Si se selecciona la 1a, el primer anillo rosa se acopla con el primer engranaje azul, que transmite la fuerza al engranaje rojo, que la transfiere al engranaje verde y sale por el eje verde. Si se selecciona la 2a, sucede lo mismo pero por el segundo engranaje azul, que tiene un menor diámetro, de forma que al eje verde llegará menos fuerza pero más velocidad. Con la 3a y la 4a funciona igual, a medida que aumentamos la marcha, cada vez disponemos de menos fuerza y pero de más velocidad.
En la entrada “Transmisión manual secuencial” de la Wikipedia hay una animación muy interesante del funcionamiento de este tipo de cajas.
Caja de cambios de doble o triple eje
Más que un tipo diferente de caja, se trata de una arquitectura física que se vé mucho en camiones o en coches pequeños de tracción delantera.
En lugar de un solo eje de salida, la caja se divide en dos o tres ejes secundarios. Así se consigue acortar la caja, ahorrar espacio longitudinal y optimizar la resistencia mecánica. También se utiliza para gestionar pares motor muy elevados en vehículos pesados.
En una caja de cambios manual convencional, todos los engranajes se ponen en línea, uno detrás de otro, haciendo que la caja sea muy larga. En las cajas de dos o tres ejes, se dividen los engranajes en dos o tres ejes, que giran paralelos al eje primario de entrada.
Esto es muy útil en coches pequeños, con motor delantero transversal y tracción delantera, en los cuales hay poco espacio en el compartimiento del motor. Si la caja fuera muy larga no cabría, así que con dos ejes secundarios se acorta la caja, se empaqueta todo, y se hace la caja un poco más alta y ancha. Además, si los ejes son cortos, se evita que los ejes largos se doblen y curven bajo la presión, y que se deformen y no giren con precisión.
Esta solución se utiliza en los Volkswagen y Fiats pequeños, como el Polo y el Ibiza, donde el espacio es mínimo y es la única opción para que puedan disponer de cajas modernas de 6 marchas.
También es muy útil en grandes y pesados camiones en los que, si tuvieran un solo eje, el engranaje debería ser enorme y acabaría siendo frágil. Teniendo varios ejes intermedios (countershafts), la fuerza del motor se divide entre todos los ejes. Así se reduce el estrés y la fatiga mecánca del engranaje, de los dientes y del eje, y no aumenta excesivamente el peso.
En el caso de las cajas manuales de triple eje, excepto en la parte automatizada, funcionan igual que las automáticas de doble embrague (se recomienda leer el post donde se explican las cajas de doble embrague). Hay un eje primario que recibe la fuerza del motor a través del embrague, un eje secundario para las marchas impares (1a, 3a, 5a, 7a) y la marcha atrás, y un eje secundario para las marchas pares (2a, 4a, 6a). Ambos ejes llegan hasta el engranaje del diferencial, lo que permite reducir la longitud total de la transmisión a casi la mitad, ya que las marchas están dispuestas en paralelo.
Caja de cambios robotizada o automatizada
Actualmente en desuso en los turismos europeos, las cajas de cambios robotizadas o pilotadas, todavía equipan coches pequeños o antiguos, como el Smart, el Citroën C3 antiguo, el Seat Mii, o Fiat 500, y también en camiones.
En el transporte pesado (trailers), las cajas robotizadas, como la i-Shift de Volvo, son un estándar actual por su eficiencia en el consumo de combustible.
*Foto de la caja de cambios robotizada i-Shift de los camiones Volvo.
Y en el pasado, BMW también las utilizó con el nombre SMG entre el 1997 y el 2004 en sus modelos M3 E36 (SMG-I, 1997), M3 E46 (SMG-II, 2000), y M5 E60, M6 E63 (SMG-III, 2004).
Es una caja manual de toda la vida, con embragues y engranajes, a la cual se le ha añadido un sistema de gestión electrónica y unos actuadores hidráulicos o eléctricos que “pisan” el embrague y mueven la palanca en lugar del conductor. No tiene pedal de embrague, y el conductor no necesita mover la palanca del cambio para cambiar la marcha. Un robot, el actuador, se encarga internamente de abrir el embrague, seleccionar la marcha y cerrar de nuevo el embrague.
Se las conoce por varios nombres, pero la tecnología es la misma:
- AMT: Automated Manual Transmission. La traducción es transmisión o caja de cambios manual automatizada.
- ASG: Automatisches Schalt Getriebe en el grupo Volkswagen, incluyendo Seat y Skoda. La traducción es caja de cambios automatizada.
- AGS: Auto Gear Shift en Suzuki. La traducción es cambio de marchas automático.
- CMP (Cambio Manual Pilotado, hasta 2013) y después ETG (Efficient Tronic Gearbox, desde 2013) en Peugeot y Citroën, Duologic y Selespeed en Fiat y Alfa Romeo, y Easytronic en Opel.
- Quickshift en Renault y Easy-R en Dacia.
- SMG: Sequential Manual Gearbox en BMW. Ka traducción es caja manual secuencial (entre 1997 y 2004).
Pueden funcionar en modo automático, donde el ordenador del vehículo analiza la velocidad y la presión sobre el acelerador para decidir cuando cambiar de marcha, y en modo secuencial, donde el conductor puede escoger la marcha mediante las levas del volante o moviendo la palanca de las marchas hacia adelante o hacia atrás, pero sin necesidad de pisar el pedal del embrague, porque no tiene pedal.
Una caja robotizada es más barata de fabricar que una caja automática, es tan eficiente como una caja manual, y es muy ligera, ideal para vehículos pequeños. Pero es brusca, incluido al aparcar o arrancar en subida, y los cambios de marcha son más lentos que en otros tipos de cajas, con interrupciones de potencia importantes entre marcha y marcha.
Además, aparte del desgaste del embrague, estas cajas suelen fallar por el actuador (el robot). Si es hidráulico, puede tener fugas de presión, si es eléctrico, puede quemarse el motor eléctrico que mueve la palanca.
Cuando el embrague se abre, el motor sigue empujando pero no llega fuerza a la caja, el vehículo de golpe deja de acelerar, la inercia hace que el morro del vehículo se hunda ligeramente y los pasajeros son empujados hacia adelante. Cuando entra la siguiente marcha, el vehículo vuelve a empujar, el morro sube y los pasajeros son empujados de nuevo hacia atrás. Esto puede provocar tirones incómodos y un cabeceo adelante / atrás, e incluso un balanceo izquierda / derecha, bastante incómodos.
El cambio robotizado, se utiliza principalmente porque es la manera más sencilla y barata de ofrecer un coche “automático” de bajo coste en modelos urbanos, pequeños y económicos sin disparar el precio.
Aunque no lo parezca, en el pasado las cajas robotizadas se utilizaron en superdeportivos como el famoso cambio F1 de Ferrari o el e-Gear de Lamborghini, pero hoy en dia han sido sustituidas por cajas de doble embrague, que son mucho más rápidas y suaves, pero también más complejas y caras de mantener.
En estos superdeportivos, el cambio era brusco a propósito para dar una sensación más de carreras, pero en el Citroën C3 era simplemente una limitación técnica.
Se llama comercialmente “automatizada” y no “automática” a secas, porque en realidad es una caja de cambios manual convencional de engranajes en la cual se ha automatizado el cambiar y embragar mediante electrónica, y se ha eliminado el pedal del embrague.
La marcha atrás
La marcha atrás, en muchos coches actuales de todas las marcas, hace un ruido característico, como una especie de silbido agudo. Esto sucede porque, aunque los dientes de los engranajes son siempre helicoidales, en el engranaje de la marcha atrás para ahorrar espacio y costes los dientes son rectos, y son estos la causa del ruido tan especial.
Y si los dientes del engranaje de la marcha atrás son rectos es que no lleva sincronizador, y por tanto se dice que la marcha “no está sincronizada”.
La maniobra del doble embrague
La maniobra del doble embrague o del doble pedaleo, es una técnica de conducción para vehículos con cambio de marchas manual, sobretodo en los muy antiguos que no llevaban sincronizadores, y que sirve para igualar la velocidad de giro del eje de salida (hacia la transmisión) con el eje de entrada (que viene del motor) antes de engranar una marcha más corta.
Tal como hemos explicado anteriormente, un sincronizador es un pequeño anillo cónico de fricción entre los engranajes de las marchas que se encarga de igualar las velocidades de los engranajes cuando se acoplan para que no rasquen.
En los vehículos modernos fabricados desde hace 30 ó 40 años, ya no es necesaria la maniobra del doble embrague, porque incorporan sincronizadores, pero continua siendo una habilidad útil para reducir el desgaste mecánico, sobretodo de los sincronizadores que así no trabajan tanto, y para conducir vehículos clásicos de época, o camiones antiguos, porque cuando se construyeron no se ponían sincronizadores. En estos vehículos, sin la maniobra del doble embrague no se puede cambiar la marcha sin oir el ruido terrible del engranaje rascando.
Imaginemos que el conductor desea reducir de 3a a 2a marcha. Los pasos a seguir son:
1) Pisar el pedal del embrague, sacar 3a y poner la palanca de las marchas en punto muerto.
2) Soltar el pedal del embrague, con el coche aún en punto muerto.
3) Dar un golpe rápido al pedal del gas para subir las revoluciones del motor, lo que hará girar más rápido al eje primario (que viene del motor) de la caja de cambios.
4) Rápidamente, pisar el pedal del embrague.
5) Poner la palanca en la 2a marcha, y soltar el pedal del embrague con suavidad.
Esta maniobra elimina la sacudida típica que hace el coche cuando se suelta el pedal del embrague en una reducción fuerte, y se gana mayor suavidad.
Imaginemos ahora que el conductor desea subir de 2a a 3a marcha. También se utiliza la maniobra del doble embrague, pero sin dar el golpe de gas, simplemente esperando en punto muerto a que las revoluciones del eje primario (que vienen del motor) bajen hasta igualarse con la marcha superior.
En conducción deportiva, muchos conductores utilizan la maniobra del doble embrague conjuntamente con la técnica del punta tacón (frenar y hacer el doble embrague a la vez) para entrar en las curvas con la marcha más adecuada y mantener la estabilidad del vehículo sin que se bloqueen las ruedas traseras, pero si no se igualan las revoluciones, al dejar de pisar el embrague las ruedas podrían patinar o el coche se desequilibraría justo en el momento de girar, cosa que en conducción deportiva es peligrosa, porque si el coche es de tracción trasera puede hacer un trompo, situación en la cual el morro gira y el culo parece que lo quiera adelantar.
Como hemos comentado antes, muchos vehículos modernos no tienen sincronizada la marcha atrás, es decir, tienen engranajes con dientes rectos y no utilizan silenciadores. Por eso, a veces realizar una maniobra de doble embrague con el vehículo parado ayuda a que la marcha atrás entre más suave si se ha quedado un poco bloqueada.
Saludos.
PDF: Guía sobre los tipos de cajas de cambio manuales.pdf 341,5 KB
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