Construcción Caja de Cambios

El objetivo de este apartado es conocer la caja de cambios.
Trabajaré con una cambio de marchas de una motocicleta antigua de 4 marchas que me la ha podido dar un mecánico. Como introducción explicaré la evolución de la caja de cambios. Describiré el diseño de su interior y exterior y las piezas por las que está compuesta. También explicaré la formulación que rodea a este tipo de sistema de transmisión, el funcionamiento del cambio de marcha, las características que le dan a mi caja de cambios en particular y la relación de transmisión de cada marcha.

Para montarla empezaré desde el principio, vaciando toda la parte interior. Y montaré cada eje por separado explicando su función.

Todo este trabajo lo haré en casa y lo haré yo solo.

Aspecto externo de la caja de cambios con la que trabajaré

No me fue fácil empezar ya que cuando la abrí en casa tuve la mala suerte de abrirla al revés, de manera que se me cayeron todas las piezas y ejes. Me costó bastante empezar. Pero primero voy a explicaros lo más básico.

Algunas de estas piezas no entendí su importancia
hasta el día que conseguí construirla

Evolución y Historia:


El primero en diseñar una caja de cambios fue Leonardo da Vinci a finales del siglo XV.
Los que se consideran los inventores son los franceses Louis-René Panhard y Emile Levassor, empezaron a trabajar con una transmisión manual de 3 velocidades y fueron el modelo de todos los coches que vinieron posteriormente, ya que ellos implantaron el sistema de motor delantero unido a un sistema de transmisión y caja de cambios que llevaba el movimiento a la rueda trasera para que esta impulsara el automóvil, anteriormente todos los coches eran tracción delantera.
Las primeras cajas de cambios manuales como las que conocemos hoy en día empezaron a utilizarse en los coches a partir de 1950 gracias a la marca alemana Porsche.

Caja de velocidades diseñada por da Vinci
(foto de internet)

Engranajes:

La caja de cambios es un mecanismo de transmisión del movimiento mediante engranajes situado entre el motor y las ruedas.
Los engranajes son ruedas dentadas circulares que actúan una sobre la otra a través de los dientes que se intercalan, de esta manera cada diente de un engranaje empuja a otro diente. La rueda que empuja a la otra se le llama la motriz o corona y la que es empujada es la conducida o piñón (llamado sobretodo en las cadenas).
La rueda conducida siempre gira en sentido contrario a la motriz. El movimiento es aprovechado por los ejes que sostienen los engranajes. Si los engranajes son del mismo tamaño, estos solo transmiten el movimiento y la velocidad no se ve alterada. Por otro lado si tienen diferentes dientes tienen diferente velocidad, la relación de transmisión es la relación entre las velocidades angulares de los ejes (velocidad angular del engranaje conducido entre velocidad angular del motriz) y es inversamente proporcional a la relación entre el número de dientes (número de dientes del engranaje motriz entre número de dientes del conducido) y al par motor (par motor del engranaje conductor entre par motor del piñón conducido).
Por tanto si tenemos que el engranaje de salida tiene más dientes que el de entrada conseguiremos más par motor en la salida pero menos velocidad angular, girará más lento.

Esquema del funcionamiento de un engranaje
(foto del libro)

Hay diferentes tipos: engranajes rectos, helicoidales, cónicos, interiores, piñón-cremallera, y tornillo sin fin.

El objetivo de una caja de cambios es cambiar la velocidad, aumentando las revoluciones o disminuyéndolas y eso depende de la relación de transmisión. Esto se hace para aumentar el par motor y vencer a fuerzas externas, como una subida pronunciada, en este caso se utilizaría una marcha corta, engranajes más grandes, para que la velocidad de salida sea menor pero con más par motor.

Parte interior de mi caja de cambios cuando la abrió el mecánico

Partes:

La caja de cambios esta compuesta por el eje primario, el eje secundario, el selector y.

Así es la parte interna de la caja de velocidades sin ningunos de estos elementos:

La parte inferior es la cámara de combustión, donde se produce la explosión del combustible para que el pistón gire.

El cilindro que sobresale en la parte superior derecha, cuando se juntan las dos partes sobresale y es donde se sitúa el cambio de marchas que ya veremos como funciona más adelante.

A la derecha de este cilindro hay un agujero considerable donde si situaría el selector de marchas, está al lado ya que su función depende de este cilindro.

Si seguimos bajando, en la parte derecha encontraremos una pequeña circunferencia que encuentra su simetría en la circunferencia más grande de la parte izquierda. Aquí se sitúa el eje principal, y en el lado izquierdo es más grande porque allí es donde se están los engranajes más grandes, y a medida que nos acercamos a la izquierda se van haciendo pequeños, en este caso al ser una moto de 4 marchas solo habrán 4 engranajes. Explicaremos este eje más adelante también.

A la derecha de este hay una pequeña anilla que rodea una agujero, el que hay más a la derecha. Aquí se encuentra el eje secundario que es inversamente proporcional al otro eje, tiene también cuatro ejes pero ordenados de tamaño contrariamente.

El agujero que está situado más a la izquierda en esta parte derecha contiene solo un engranaje que ya explicaremos sus características y función en otro apartado.


COJINETES:

Es un parte común en los extremos de todos los ejes.
Un cojinete es un elemento intermedio entre dos órganos de un mecanismo que giran uno respecto al otro, para conseguir que la fricción entre estos sea la mínima posible y que a la vez estos dos órganos queden unidos.

El cojinete se divide en cuatro partes:

-Anilla exterior: Está dentro del elemento fijo y lo sustenta.

-Anilla interior: Esta fijado al eje, es donde este gira.

-Cuerpos rodantes: Son las bolas que hay dentro.

-Separadores: Son la parte que tienen como función tener a los cuerpos rodantes a la misma distancia entre ellos.

Hay diferentes tipos de cojinetes: de rodamiento rígido de bolas, rodamiento de una fila de bolas con contacto angular, rodamientos de ruedas cilíndricas, rodamientos de ruedas cónicas y rodamientos de agujas.

El cojinete que tenemos en esta caja de cambios es un rodamiento rígido de bolas y puede aguantar grandes esfuerzos axiales (como tensiones). Su principal característica es que puede girar a altas velocidades, y es muy importante en estas piezas de la moto. Además la fuerza de fricción que se produce es mínima y tiene un precio bajo.

EJES: 

Como ya hemos mencionado anteriormente la caja de cambios esta constituida por 4 ejes que se encargan de la transmisión del movimiento.
El que esta situado más arriba es el que se encarga de transmitir el movimiento del pistón.

Ejes que van en el interior y se encargan de la transmisión

Selector: 

El selector es el eje que se encarga de seleccionar la marcha que indica el conductor.
Esta dividido en dos partes: el tambor selector y las horquillas selectoras.
El funcionamiento de este elemento empieza desde el momento en el que el conductor de la moto cambia de marcha subiendo o bajando la palanca que tiene en el pie derecho. Este movimiento es transmitido por un eje que cruza toda la caja de cambios (se puede ver en la imagen en que la caja esta abierta y vacía) y hace que se mueva un engranaje que tiene la mitad de dientes y solo en la parte de arriba que su recorrido es muy pequeño y va adelante o hacia atrás.

Si pisamos el pedal que tenemos en el pie derecho (el de cambio de marcha) podemos ver como el cilindro que cruza la caja de cambios se mueve hacia delante y hace que estos dientes se muevan en contra de las agujas del reloj avanzando lo mismo que lo que mide su paso en cada cambio de marcha (el paso es longitud del arco que hay entre dos puntos homólogos de dos dientes consecutivos). Esto haría mover el engranaje de la izquierda de la horquilla selectora de la foto de abajo. Si subiésemos el pedal el movimiento seria contrario y subiría la marcha.

En la foto de arriba se puede apreciar que en el tercer diente hay una pequeña flecha, esta indica el punto muerto. Momento en que los engranajes interiores no se están tocando y por tanto el movimiento no se transmite a las ruedas.

Horquilla selectora

Las horquillas selectoras son las pinzas que vemos en la imagen y cada una de estas sostiene un tipo de anilla con agujeros que sirven para que los engranajes encajen con ella.
Al cambiar de marchas las horquillas se mueven para arriba o para abajo, de manera que las anillas encajan con un engranaje u otro dependiendo de la marcha. Las anillas se mueven con el árbol primario, básicamente porque son estas la que transmiten el movimiento al ponerse en contacto con los engranajes.
Las anillas pueden encajar con los engranajes gracias a dos elementos.
El primero son unos cilindros muy pequeños que hacen que el engranaje se mantenga todo el rato en la misma posición, estos cilindros están colocados en eje principal y pasan por en medio de las anillas ya que estas, no como los engranajes, tienen unos agujeros en el centro, exactamente tres, por donde caben los cilindros. Al subir o bajar la marcha la anilla se engancha al engranaje gracias a otros tres agujeros que tiene en la parte media donde caben tres dientes que tienen los engranajes que dan el movimiento a la anilla y la hacen girar y como podemos ver en la imagen la anilla obliga al eje a girar.

El eje principal tiene unos cilindros que sustentan los engranajes
donde la anilla puede moverse verticalmente

Cuando la anilla gira empuja con ella los cilindros pequeños
y estos mueven el eje

A continuación vídeos del movimiento del selector en el cambio de marcha:

Ejes transmisores:

Tenemos dos ejes que son los encargados de establecer la relación de transmisión. Cada uno tiene 4 engranajes, y según como engranen encontramos las diferentes marchas.

El eje que es movido por el selector es el llamado árbol primario y tiene los engranajes más grandes en la parte más cercana al pedal de freno. El más grande tiene 30 dientes, el que está encima suyo tiene 25, el siguiente 22 y el de más arriba 20. Cuando estos giran el eje no gira, solo gira el engranaje que esta en contacto con el otro eje. Este árbol recibe la potencia y la fuerza del motor y la transmite al otro eje.

El otro eje que tenemos es conocido como el eje intermediario o contraeje tiene los engranajes de manera inversa por lo tanto el de más abajo tiene solo 13 dientes, el superior a este tiene 18, el segundo que está más arriba tiene 21 y el más alto tiene 23.
Hay que recalcar que los engranajes de este último eje no cambian de posición y hacen girar al eje si uno de ellos gira y por lo tanto todos los engranajes giran a la velocidad que gira el que está en contacto con un engranaje del otro eje.

Relación de transmisión y cambio de marchas:

La relación de transmisión es la relación que hay entre la velocidad de salida y la de entrada. Además coincide con la inversa de la relación del número de dientes y también con la inversa de la relación de los pares transmitidos.

Por lo tanto podemos determinar la relación de transmisión que nos aporta cada marcha a partir de los dientes de los engranajes que la forman y a partir de aquí se puede determinar la diferencia entre las velocidades de salida por cada marcha a una velocidad de giro del motor constante.

Primero tenemos que saber de donde viene el movimiento y a donde va.
El movimiento en la caja de cambios empieza en el eje en el que tenemos un único engranaje y este tiene 27 dientes.
Este engranaje siempre esta en contacto con el segundo engranaje loco (gira él pero no el eje) más grande, este último engranaje transmite el movimiento al segundo engranaje empezando desde abajo del otro eje (su par), entonces gira todo este eje ya que este piñón hace que gire todo el eje y el resto de piñones que hay a la misma velocidad, entonces el resto de piñones del contraeje mueven al engranaje loco con el que están emparejados.

Entonces encontramos que se mueven todos los engranajes que hay en la caja de cambios pero no se mueve el eje de salida. Aquí entra el papel de las marchas y del selector.

Foto exterior de la caja

En la foto de arriba podemos ver el lugar que ocuparía cada eje en el interior.
El cilindro que sobresale es una parte del árbol primario, donde tiene los ejes locos.
A la izquierda muy cerca sobresale una circunferencia de tamaño similar pero más pequeño, ahí está situado el tambor selector.
A la derecha del cilindro encontramos la palanca para poner en marcha la moto y esta está comunicada con el eje que solo tiene un engranaje recto.
Abajo de este se sitúa el contraeje.

Supongamos que tenemos la moto en punto muerto, puedes darle gas pero la motocicleta no se moverá y esto se debe a que los selectores no están acoplados a ningún engranaje, y por lo tanto todos los engranajes de la caja giran pero el árbol primario no lo hace ya que los selectores están quietos.

En todas las marchas si damos el mismo gas (las mismas revoluciones) encontraremos que el árbol secundario girará a la misma velocidad ya que este solo depende del engranaje que está en contacto con el que recibe la fuerza del motor, y todo el rato es el mismo el que dará el movimiento.
Por lo tanto todos los engranajes de este árbol, el secundario, giraran a la misma velocidad angular y todos harán girar los engranajes locos con los que están emparejados. Y depende que marcha pongamos escogeremos la velocidad a la que gira el engranaje loco correspondiente seleccionado.

Si bajamos una marcha desde el punto muerto estaremos en la primera, y la anilla que está entre los engranajes más grandes baja y el engranaje más grande (el de más abajo) encaja en la anilla. En este caso el eje primario llevará la velocidad que lleve este engranaje y obviamente al ser el más grande será menor.

Para cambiar a segunda se ha de pasar por el punto muerto ya que es una caja de cambios de una moto y lo podemos ver porque en este caso la anilla inferior tiene que subir, desacoplandose del engranaje grande y volver ha subir para engancharse con el superior, el segundo más grande.
Este es una caso especial ya que este engranaje es el que esta en contacto con el engranaje que recibe la potencia del motor.
Por lo tanto en este caso el árbol secundario no tiene ninguna utilidad ya que el árbol primario girará  a la velocidad que gire el engranaje seleccionado y en este caso la velocidad ya es dada directamente en solo un paso.

En la tercera marcha la anilla selectora inferior baja de manera que no este en contacto con ninguno de los engranajes entre los que está. Y la anilla superior bajará para encajar con el engranaje de 22 dientes (el segundo más pequeño de este árbol).
En esta marcha la velocidad de salida sera la que lleve este engranaje.

En la cuarta y definitiva (porque tenemos una caja de 4 marchas) la anilla inferior seguirá sin encajar ninguno de los engranajes que tiene y la anilla superior subirá de golpe al engranaje de más arriba y menor y hará que el eje gire a la velocidad angular que éste gira.

Cálculo de la relación de transmisión:

Como hemos dicho anteriormente la manera más asequible y exacta de calcular la relación de transmisión es mediante el número de dientes que contienen los engranajes.
La relación de transmisión se le llama "i". El número de dientes se llama "z".

i=z1/z2

Donde z1 es el número de dientes del engranaje motriz y z2 el número de dientes del engranaje conducido.

En todas y cada una de las marchas el movimiento inicial es el mismo:
El engranaje de 27 dientes el cual hace girar el motor transmite el movimiento al engranaje loco de 25 dientes y este a la vez hace girar el de 18 dientes del eje secundario, que hace que este eje gire y con él todos los dientes a la misma velocidad.

Por lo tanto es lo mismo que si el engranaje de 27 dientes condujese el de 18 dientes y podemos verlo a la hora de hacer el cálculo de la relación de transmisión:

i= (27/25)*(25/18) = (27/18) = 1.5

Ya que el de 27 mueve el de 25 y a la vez éste mueve el de 18.

Podemos ver que todos los engranajes del eje secundario serán los conductores de los engranajes locos del árbol primario y éstos harán girar éste árbol en sus respectivas marchas, entonces encontraremos la relación de transmisión a la que gira.

El árbol secundario siempre girará 1.5 veces más rápido que el engranaje que recibe la fuerza del motor, el de 27 dientes.
A  partir de aquí podemos calcular la relación de transmisión de cada marcha.
En todos ya contamos que el eje secundario tiene ya una relación de transmisión de 1.5 respecto al engranaje inicial.

Marcha primera:

El engranaje más pequeño del árbol secundario (13 dientes) mueve el más grande del árbol primario (30 dientes) y éste último hará girar el eje.

i = 1.5 * (13/30) = 0.65

Segunda marcha:

Esta la podemos considerar la directa, el engranaje de 27 dientes mueve al engranaje del eje primario de 25 dientes y en esta marcha éste hace girar el árbol.

i = (27/25) = 1.08

Tercera marcha:

El engranaje de 21 dientes del eje secundario mueve al de 22 dientes del eje primario y este dará la velocidad final.

i = 1.5 * (21/22) = 63/44

Redondeando nos da una relación de transmisión de 1.43

Cuarta marcha:

Es la más rápida ya que el engranaje de 23 dientes (el más grande del eje secundario) mueve el de 20 (el más pequeño del primario).

i = 1.5 * (23/20) = 1.725


Podemos ver como la velocidad angular de salida será más grande cuanto más subamos de marcha, esta no es la final a la que girará la rueda, ya que el propio eje que gira tendrá en la punta (fuera de la caja de cambios) un engranaje (depende de la moto cuantos dientes tendrá) que mueve la cadena. La cadena como conocemos hará girar la rueda trasera.