Viru+: El sistema de transmisión de un Formula 1 (Parte IV)
19 ago 2015  
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Cuarta parte de esta entrega, en la que sigo explicando la caja de velocidades o cambios. Para ver la anterior parte, pincha aquí.

CAJA DE CAMBIOS

En la tercera parte no te expliqué un tipo especial de engranaje con diente en V o espiga de engranajes o doble engranaje helicoidal. Este tipo especial de engranaje surge de la unión de dos engranajes helicoidales opuestos. Tienen la gran ventaja de no producir carga axial (a lo largo de su eje) pero tienen una gran desventaja en su complicada fabricación, la cuál requiere del uso de maquinaría especial y los hace realmente caros. Se usan en cajas de cambio de maquinaría pesada y en mecanismos para grandes cargas. Un ejemplo gráfico:

Espiga de engranajes

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Engrenages_-_85.488_-.jpg

Bien, dicho esto sigo explicando más teoría sobre engranajes y acompañado con ejemplos gráficos. Hasta ahora te he hablado de tipos más comunes, partes y diseño. Pero no he hablado de la fabricación de los engranajes, que te explicaré de manera muy genérica y sucinta.

 Los engranajes pueden fabricarse mediante fundición, en la cuál se vierte metal fundido en un molde con la forma del engranaje. Para los moldes se utilizan arenas con distinto tamaño de grano, dependiendo de la calidad de acabado que se quiere conseguir.

También podemos fabricar la rueda por moldeo y tallar los dientes con una herramienta cortadora, pudiendo ser corte de formación o corte de generación. La diferencia fundamental es que en el corte de formación, los huecos entre dientes tienen la forma exacta de la herramienta cortadora. En el corte por generación, la herramienta tiene una forma distinta al perfil de diente y se talla este último haciéndolo en dirección perpendicular al eje de la rueda de engranaje. Unos ejemplos gráficos de herramientas cortadoras:

176_SANDVIK_COROMANT_5 Talladora engranaje

En estas dos imágenes, puedes observar dos talladoras distintas. La de la izquierda es una herramienta cortadora para formación de dientes de engranajes. La de la derecha es para generación de dientes de engranaje.

También pueden fabricarse engranajes mediante metalurgia de polvos o pulvimetalurgia. Se compactan polvos muy finos de metal mediante el uso de prensas mecánicas o hidráulicas, siempre en frío. El producto obtenido tiene ya la forma prácticamente definitiva de la pieza final. Luego, a esta pieza se le aplica el sinterizado, que no es más que calentar en un horno especial (tres cámaras diferentes) hasta una temperatura de aprox. el 75% de la temperatura de fusión del metal. Es un proceso muy usado para fabricación de rodamientos de precisión fina, ya que la calidad de fabricación es muy alta.

El método de formado más reciente es el laminado en frío. En este proceso se obtiene la pieza haciendo rodar unos dados, de material muy duro, contra discos de acero para darle la forma a los dientes. Las piezas obtenidas así tienen una superficie muy resistente, y son dientes formados con gran precisión.

Estos son los proceso de fabricación habituales. Para los acabados de los engranajes se usan bruñidoras, cepilladoras, esmeriladoras y pulidoras. Es necesario darle un acabado casi de espejo al metal de los engranajes, sobre todo en la zona de los dientes. ¿Por qué? Porque ninguna superficie es totalmente lisa y contiene grietas. Si estas son los suficientemente grandes (menos de 1 décima de mm. basta) pueden provocar el inicio de una falla por fatiga de material. Reduciendo estas grietas a un tamaño de unas decenas de micras, se consigue hacer unos engranajes más fiables y duraderos.

Y ahora, por fin, me centraré ya en las cajas de cambio en sí. Como ya te conté, una caja de cambios es un tren de engranajes que se usa para multiplicar o reducir el par transmitido desde el motor a las ruedas. Un ejemplo gráfico, donde verás el tren de engranajes:

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En esta representación gráfica observarás como hay una estructura exterior que contiene todos los elementos (esta representación no es . Esa estructura exterior es la caja propiamente dicha. Este chasis debe ser muy rígido para darle estabilidad a los cojinetes y engranajes contenidos en su interior, necesario para la correcta transmisión del par. Los engranajes se disponen colocados en dos ejes paralelos. Los ejes se denominan primario y secundario. Se denomina primario al eje que recibe el par motor desde el embrague. El secundario, por tanto, es el encargado de transformar el par (multiplicándolo) y transmitirlo hacía las ruedas (a través del diferencial) haciendo que éstas se muevan a menor velocidad que el motor (por lo que el par aumenta).

 Me dirás que todo esto está muy bien pero, ¿cómo funciona? En una caja de cambios (convencional o de competición), hay tantos pares de engranajes como velocidades a seleccionar, es decir que cada par de engranajes (1 rueda del primario que gira solidaria con una rueda del secundario) es una velocidad. Si la caja tiene 5-6-7 velocidades hacia delante, tendrá 5-6-7 pares de engranajes, más el par de marcha atrás (también hay cajas que usan tres engranajes para activar la marcha atrás). Diagrama de una caja, de 5 velocidades + marcha atrás:

5 velocidades caja

Como verás, los engranajes giran arrastrados por el eje primario (rojo) constantemente, sólo que hasta que los del eje secundario (azul) no están conectados al eje hasta que no los seleccionamos con el selector. Es decir, que los engranajes del secundario giran alrededor del eje pero sin arrastrarlo (sobre un cojinete) y hasta que no acoplamos el selector no se conectan a ese eje (y transmiten la fuerza, por tanto). Cuanta mayor es la diferencia entre el nº de dientes del engranaje, mayor es la reducción de velocidad. Y, por supuesto, cuanta mayor sea la reducción de velocidad, también mayor será el aumento del par motor. Esa es la razón de la gran fuerza que tiene nuestro vehículo en las primeras relaciones (1ª y 2ª sobre todo) y la poca respuesta que obtenemos en relaciones más largas (5ª o 6ª si la hubiera). La primera velocidad, como puedes observar, se obtiene de una rueda muy pequeña en el primario y una muy grande en el secundario. Así vamos disminuyendo el tamaño de las del secundario y aumentando las del primario para obtener las siguientes relaciones.

Para igualar las velocidades entre primario y secundario se usan unos anillos llamados sincronizadoresque son los encargados de engranar las distintas relaciones de cambio. Una foto de los elementos que conforman un sincronizador:

conjunto sincronizador

En la foto observas, de izquierda a derecha, manguito sincronizador (con dentado interior), anillo elástico con dentado exterior, anillo sincronizador y piñón loco de selección de velocidad. El selector de velocidad arrastra los elementos que conforman el sincronizador a lo largo del eje para que se acoplen a un piñón y conectar los engranajes del primario y secundario correspondientes. El piñón loco es el encargado de transmitir la rotación entre engranajes del eje primario al secundario, ya que actualmente lo habitual es usar cajas de velocidades convencionales de 3 ejes. Sin embargo, en el ejemplo anterior te puse dos ejes para que comprendas mejor como funciona una caja de cambios.

Bien, de momento lo dejo aquí para que te familiarices con los conceptos. En el siguiente capítulo ya entraré, de lleno, en las cajas de cambios de los Formula 1, que son similares en cuanto a funcionamiento teórico pero muy distintas en cuanto a aplicación.

Jero → http://www.twitter.com/jeroitim

Comentarios

  1. […] En la anterior entrega ya entré en materia de cajas de cambio. Si quieres repasar o no la pudiste leer aún, pincha aquí. […]

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