cajas de cambio de velocidades 1

CAJAS DE CAMBIO DE VELOCIDADES

I Parte

Presenta: MC JOS RAMN SOCA CABRERA

DEFINICIONES IMPORTANTES

La caja de cambios de velocidades es

el segundo elemento del sistema de

transmisin de potencia del tractor o

del automvil y se ubica entre el

embrague y el diferencial. Con la

caja de cambio de velocidades se

puede seleccionar la velocidad de

avance apropiada, segn las

condiciones de trabajo que se

presenten, aprovechando con

eficiencia la potencia que entrega el

motor sin que ste se sobrecargue.


Adems, la caja de cambio de

velocidades tambin vara la fuerza

de traccin o torque que llega a los

rganos motrices del vehculo, lo

que permite que el mismo vaya

variando la velocidad de avance

progresivamente. La caja ofrece

funciones auxiliares como la marcha

hacia atrs o reversa, la parada del

vehculo con el motor funcionando

(posicin neutral), posibilita la

aplicacin del freno motor y el

movimiento por inercia.


La cantidad de marchas (cambios de

velocidades) de los automviles de turismo

varan entre 3 y 6 hacia delante y una

reversa, mientras que los cambios de

tractores agrcolas se encuentran entre 8 y

48, debido a los muy diferentes tipos de

trabajos y condiciones de explotacin a que

son sometidos estos vehculos, incluso

pueden llegar a tener la misma cantidad de

marchas hacia delante que hacia atrs. Los

tractocamiones y camiones de carga

pueden tener hasta 18 marchas distintas

hacia delante.


Las marchas de los tractores se pueden dividir

convencionalmente en tres categoras: principales, de

transporte y reducidas.

Las principales se utilizan en la mayora de las operaciones

agrcolas como la aradura, la siembra, las actividades de

arrope, aporque, surcado, etc, las velocidades de movimiento

que garantizan estas marchas se encuentran entre 5 y 15

km/h, aproximadamente y dependen del tipo y humedad del

suelo, clase de cultivo, profundidad y ancho de trabajo, etc.

Las velocidades de transporte se utilizan para transportar

cargas con remolques y/o semiremolques, as como para

viajar con implementos agregados por el campo y los

diferentes caminos y carreteras, las velocidades de

movimiento son superiores a los 15... 20 km/h y pueden llegar

hasta los 45 ... 50 km/h, que es la velocidad lmite permitida

para estos tipos de vehculos por normas internacionales


En los tractores de esteras, por lo general hay solo

una o dos velocidades de transporte y su magnitud

ha aumentado en los ltimos tiempos a causa de la

introduccin de las orugas de tipo de hule.

Las velocidades reducidas (que generalmente se

seleccionan con la palanca en posicin de tortuga)

son requeridas para labores muy especiales de:

plantacin, siembra, fertilizacin, cosecha, donde

son necesarias velocidades entre 0,2 y 3 km/h y

hasta a veces inferiores a estos valores.


Los cambios de velocidades para los automviles se

pueden dividir en dos categoras: las superiores y

las inferiores.

Las superiores se utilizan para viajar por caminos

buenos como carreteras, autopistas y algunos

caminos asfaltados o mejorados.

Las inferiores se emplean para mover el auto desde

el reposo, subir pendientes, transitar por tramos

con obstculos (topes, vadenes bruscos, etc) y por

caminos en malas condiciones.


Es muy importante que en el estudio de la transmisin, en

general, y en particular para la caja de cambio de

velocidades se deje claro el concepto de relacin de

transmisin (de engranajes) puesto que puede aparecer en

diferente literatura de diferente forma. Existen tres

relaciones de transmisin (i):

Si i < 1, la velocidad se llama multiplicada, o sea, la frecuencia de rotacin que sale es mayor que la que entra y

por tanto se reduce el torque transmitido. A esta (s)

velocidad (es) se le conoce como supermarchas.

Si i > 1, la velocidad se denomina reducida , o sea, la frecuencia de rotacin que sale es menor que la que entra y

por tanto el torque o momento torsor que se transmite

aumenta.

Si i = 1, la velocidad se llama directa, o sea, se mantiene la misma frecuencia de rotacin de entrada y salida, as como

la magnitud del torque transmitido no sufre alteracin.

Relacin de transmisin

i = n1/ n2 = w1 / w2 = Z2 / Z1 = D2 / D1 =

= r2 /r1 = M2/ M1

Donde:

2 engranaje cilndrico conducido

1 Engranaje cilndrico motriz

n, w . Frecuencia de rotacin, velocidad angular.

Z, D, r Cantidad de dientes, dimetro y radio primitivo

M Momento torsor transmitido

CLASIFICACIN GENERAL

Segn la cantidad de cambios de velocidades o

marchas: 3, 4, 5 6 para autos ligeros; 5, 6, y

hasta 18, para camiones; 8, 12, 32, 40, etc, para

tractores agrcolas.

Las cajas de cambio escalonadas pueden dividirse

en:

de ejes fijos de los rboles o conocidas como simples;

de ejes giratorios de los rboles o planetarias. Las cajas planetarias se utilizan generalmente

en las transmisiones hidrodinmicas, as como en

calidad de aumentadores del momento torsional


Segn el tipo de mecanismo de cambio de velocidades se dividen en:

Caja con engranajes (piones) mviles: Los engranajes mviles son acoplados y desacoplados por accionamiento

mecnico

Caja con engranajes en toma constante: Los engranajes se acoplan y desacoplan de dos formas:

a) por embragues rgidos de accionamiento mecnico

(sincronizadores);

b) por embragues de friccin con mandos (accionamiento)

hidrulicos generalmente, aunque pueden tambin

utilizarse mandos elctricos y neumticos o la combinacin

de ellos (embragues multidiscos).


Otra clasificacin es atendiendo a la cantidad

de carros desplazables o embragues rgidos

para acoplar los engranes, as se tienen

cajas de dos, tres y cuatro vas.

Otro elemento muy asociado a la caja de

cambio es el inversor, el cual permite que

el tractor tenga la misma cantidad de

cambios en reversa que los que posee en

marcha hacia delante


En algunos tractores y automviles se utiliza

la conocida caja de reenvo o de transferencia,

la cual tiene por finalidad la de distribuir el

momento torsional que sale del rbol

secundario (de salida) de la caja de cambio

de velocidades entre los ejes motrices del

vehculo, tambin puede hacer la funcin de

una caja de velocidad adicional que

aumente el momento torsor. Estas cajas se

utilizan en los vehculos todoterreno o de

traccin total (4WD).


Tambin existen los llamados TRANSEJES, muy

utilizados hoy da en los autos.

Generalmente el transeje es un cuerpo donde se

agrupan: la caja de cambio de velocidades, la

transmisin principal y el diferencial, muy

comn en los autos con motor y traccin

delantera.

Criterios para el diseo de los cambios

de velocidades

1. Que los cambios se realicen sin dificultad.

2. Que los cambios logren que el vehculo cumpla con los requerimientos de aceleracin, subida de pendientes, fuerza de traccin en la barra de tiro, y otras cualidades especficas exigidas, de acuerdo a su destinacin y en correspondencia con el motor instalado.

3. Para lograr lo anterior los cambios se escalonan formando una progresin geomtrica, como regla general.

4. Correlacionar prestaciones mnimas y cambios (marchas) en las que se desean conseguir.

5. Que el motor, de manera general, funcione de forma casi constante en su zona de mximo rendimiento (eficiencia), es decir, alrededor de la zona de mximo torque.

6. Que no se originen grandes saltos al pasar de una marcha a otra contigua, es decir, huecos en los cambios, pero que tampoco estn con demasiado recubrimiento (caso de autos especficamente)

7. Para los tractores agrcolas, es necesario garantizar la fuerza en la barra de tiro (gancho) y las velocidades de trabajo de acuerdo a la destinacin del tractor, en los lmites de funcionamiento del motor entre el 80 al 98% de su ramal de regulacin (de carga).

Metodologa para el diseo de una

progresin geomtrica (caso auto)

1. Se fija la cantidad de velocidades o marchas hacia delante, ejemplo cuatro.

2. Se dibuja un grfico en sistema de coordenadas rectangulares; abscisa: velocidad del vehculo; ordenada: frecuencia de rotacin del motor.

3. Se establece la frecuencia estable del motor: se encuentra cerca del torque mximo (n). Se traza una lnea paralela al eje de abscisa.

4. Se traza una lnea paralela al eje de abscisa desde la frecuencia nominal del motor.

5. Se traza una lnea desde el origen hasta el punto de intercepcin de la frecuencia nominal del motor y la velocidad mxima que se quiere conseguir del vehculo, Vmx, (recta OA).

6. La pendiente OA es igual a la relacin de la transmisin principal (pion de ataque y corona), siempe y cuando la 4. sea directa.

7. Se sita el punto B en la intercepcin de la recta OA y la recta n.

8. El tramo BA corresponde a la 4. velocidad (directa).

9. En B, el rgimen del motor es el mnimo fijado n, para poderlo llevar a la frecuencia nominal n, manteniendo la misma velocidad del vehculo se requiere de la accin de una reduccin, que en este caso sera la 3.

10. De la misma manera se obtienen la 2. y la 1.


progresin geomtrica

11. Entonces se cumplir que:

Vmx / V3 = n/n ; => V3 = (n'/n) Vmx;

V3 / V2 = n/n' ; => V2 = = (n'/n) V3 ; => V2 = (n'/n)2 Vmx;

V2 / V1 = n/n' ; => V1 = = (n'/n) V2; => V1 = (n'/n)3 Vmx

De tal forma que se forma una progresin gemetrica de razn: n'/n

12. Igualmente, el lmite inferior de la velocidad en ralenti del motor n'' se consigue en los puntos E, F y G.


progresin geomtrica

Analicemos dos casos particulares:

13. Si se intercala una 4a. Velocidad entre V3 y Vmx, se forma el tringulo AB'C''. Entoces hay recubrimiento entre ambas velocidades.

14. Si se sustituye la 3. por otra de mayor multiplicacin se obtendr el tringulo AB2B2. Manteniendo el criterio de no bajar de n, cuando se llega a B, es decir a n, se pone en juego la relacin de la nueva 3., obligando al vehculo a bajar de velocidad, de V3 a V3. Entonces aparece un hueco entre la directa y la 3.

En ambos casos, no todas las relaciones de marchas guardan una progresin geomtrica, pero se calculan de igual forma.

El segundo criterio se aplica en vehculos industriales (autobuses y camiones) de largo recorrido, dotndoles de una caja con una cantidad elevada de marchas, para hacer funcionar el motor, casi de manera permanente, independientemente de la marcha seleccionada, en la zona de mximo rendiemiento especfico. Con esto se consigue mejores velocidades medias, ms comodidad en la conduccin, economa de combustible y seguridad.

Diagrama de velocidades de un auto

Diagrama de pendientes

(del ejemplo anterior)

EJEMPLOS !!!

EJEMPLO:

DODGE CHARGER

SRT8 SUPER BEE

Potencia nominal:

425 hp (SAE) @6200 rpm

Torque Mximo:

58.0 kg.m @

3600 rpm

Relaciones de

Transmisin:

Principal: 3.06Caja:I: 3.59

II: 2.19

III: 1.41

IV: 1.00

V: 0.83

EJEMPLO:

CHRYSLER

ASPEN LIMITED

ARRIBA:

CARACTERSTICA EXTERNA DE

VELOCIDAD

ABAJO:

DIAGRAMA DE VELOCIDADES

CHRYSLER

ASPEN LIMITED

Potencia nominal

335 hp (SAE) @5400 rpm

Torque mximo

51.8 kg.m @4200 rpm

Relaciones de

Transmisin:

Principal: 3.06Caja:

I: 3.00

II: 1.67

III: 1.00

IV: 0.75

V: 0.67

EJEMPLO:

CHRYSLER

ASPEN LIMITED

ARRIBA:

CARACTERSTICA EXTERNA DE

VELOCIDAD

ABAJO:

DIAGRAMA DE VELOCIDADES

CAJAS DE CAMBIO DE

VELOCIDADES TIPO

ESTNDAR

Tren de potencia de un tractor

Transmisin de un flujo (a) y de

doble flujo (b)

1 . Embrague monodisco

2. rbol primario caja

3. Engranes de toma constante

4. Caja de cambios de velocidad

5. rbol hacia la toma de fuerza

6. Embrague de la t. fe f.

7. Toma de fuerza

8. Embrague de t. de f.

9. Eje tubular de t. de f.

Ubicacin de las partes

principales de la transmisin

Frmula traccional:

a) 4x2 (2WD)

b) 4x4 (4WD)

c) 6x6 (6WD)

1 Eje delantero no motriz2 - Caja de cambios de velocidades

3 Uniones cardnicas4 - Puente motriz trasero

5 Unin intermedia6 Diferencial entre ruedas

delantero con puente motriz

7 - Caja de renvo o de

transferencia

8 Puente motriz intermedio

Caja de cambios escalonada de tres rboles,

de cuatro escalones, de tres vas y

con marcha directa.

1. rbol primario

2. rbol secundario

3. rbol intermediario

4. Sincronizador de 3 y 4.

4 velocidades hacia delante + reversa

CAJAS DE CAMBIOS DE

VELOCIDAD TIPO

ESTNDAR

1

2

3

4

VIDEO

El sincronizador y sus partes

Es un dispositivo, cuya finalidad

en una caja de velocidades con

engranes en toma constante,

permite acoplar la transmisin

del eje motriz al conducido,

utilizando un embrague de tipo

cnico para igualar las

velocidades angulares entre

ambos rboles.

Al ejercer una pequea fuerza

sobre la palanca se aproximan

las superficies cnicas 5 y 6 y

por Friccin se igualan las

velocidades y entonces se acopla

el manguito 4 con la corona 2 del

engrane correspondiente.

El cubo 9 se encuentra unido

mediante sus estras interiores al

rbol conducido

Caja de cambios de un tractor: de nueve escalones, de cuatro vas,

de toma directa y dos velocidades de reversa.

Est conformada por cuatro rboles y reductor de

dos escalones:1 - Grupo reductor; 2 - desplazable para 4,5,7 y 8a., 3 Horquillas, 31-rbol primerio, 42 . Secundario, 28 intermedio y

56- de velocidades reducidas

1

2

3

Caja de un tractor: de dos rboles, con inversor reductor, de cuatro vas, de ocho velocidades hacia delante y

cuatro hacia atrs

1- rbol primario.

2- rbol secundario.

3-Grupo reductor

inversor

1

2

3

Aumentador del momento torsional

mediante sistemas planetarios de un tractor

1. Embrague 19 acoplado:

Giran en conjunto el rbol

motriz 1 con el pin central,

el disco del embrague y el

rgano conductor con los

satlites fijos en sus propios

ejes con igual velocidad y

tambin al pinn central

conducido 31.

2. Embrague desacoplado: al

llegar el movimiento al

planeta 1, tiende el rgano con

los satlites a girar en sentido

contrario, el embrague de

rueda libre transmite

el giro al planeta 31. En este

caso se reduce la velocidad de

giro y aumenta el torque

transmitido.

MEDIANTE LOS DOS

EMBRAGUES Y EL FRENO 18

TRABAJA EL PLANETARIO

SIN NECESIDAD DE

DETENER EL TRACTOR!!!

Caja de cambio de velocidades de un tractor: de cinco vas,

de siete escalones y una velocidad de reversa.

Con el aumentador del momento torsional la cantidad de cambios

se duplica

1- rbol primario

2 bol secundario3 rbol intermedio4 rbol de la reversa

1

23

4

Esquema cinemtico de una

transmisin

Caja de velocidad

Integrada en un solo

cuerpo con los dems

elementos de la

Transmisin (no

Desmontable):

Tres rboles, tres

Vas, seis veloc.

Principales y dos red.

1 grupo reductor2 Inversor3 Caja de cambios4 trans. Principal5 DiferencialDnde est la TP?

1

2 3

4

5

Caja de cambio de velocidades de un tractor de 8

velocidades hacia delante y 4 hacia atrs, de toma

constante, accionados por sincronizadores y de 4 rboles.

A rbol primarioD rbol secundario

B y C rboles intermediariosa, b, c y d Sincronizadores

Velocidades:Normal (Low) y R: I IV

Aceleradas (Hight): V VIIIN y R mediante (a)

A mediante (b)

Flujo de potencia:Normales:

I: 2-5, 5-10, 12-16

II: 2-5, 5-10, 13-17

III: 2-5, 5-10, 11-15

IV: 2-5, 5-10, 9-14

Aceleradas.

V: 3-6, 5-10, 12-16

VI: 3-6, 5-10, 13-17

VII: 3-6, 5-10, 11-15

VIII: 3-6, 5-10, 9-14

Reversa:

I: 1-8, 12-16

II: 1-8, 13-17

III: 1-8, 11-15

IV: 1-8, 9-14

Caja de reenvo o transferencia

A

A- Mecanismo de rueda libre:

Cuando Las ruedas traseras giran

ms rpido que las delanteras

(condicin sin patinaje), la rueda

libre gira libremente y no se

transmite potencia hacia las ruedas

delanteras.

Cuando el patinaje de las ruedas

traseras sobrepasa el 6%, se

Bloquea la rueda libre y se

transmite torque hacia

las ruedas delanteras.

Si se desea doble traccin (4WD)

constante, se realiza mediante la

horquilla 3 y el engrane 10 (unido

rgidamente con el eje 2)

encajado en la corona del

engrane 8, mismo que est unido

permanentemente con la caja de

velocidades .

Animacin

..\Animaciones\caja_de_cambios.html

Caja de velocidades estndar

tpica de autos, de 4 velocidades.

Caractrsticas:

Engranes de dientes

helicoidales que son menos

ruidosos y pueden

transmitir mayores torques.

Los dientes rectos solo para

la reversa.

Es caracterstico que la

ltima velocidad sea una

supermarcha (i >1)

Bibliografa consultada

1. Arias-Paz, M. 1977. Manual del automvil. Ede. Pueblo y educacin, La Habana, Cuba.

(En biblioteca del departamento).

2. Carcajosa, M. 2005. Ingeniera de Vehculos. Ed: Alfaomega Grupo Editor. Mxico.

3. Chudakov, D. A. 1977. Fundamentos de la teora y el clculo de tractores. Ed: MIR,

Mosc, Rusia.

4. Gurevich, Sorokin.1977.Tractores y Automviles. Ed: MIR, Mosc.

5. Revistas: Automvil, Mxico.

6. Manual de tractores John Deere.

GRACIAS !!!

cajas de cambio de velocidades 1

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