caja de cambios

Las cajas de cambio son un sistema que transforma la velocidad producida en la mecánica para adaptarlo a la velocidad que queremos que tengan las ruedas. De esta manera, en un mismo vehículo podemos circular a diferente velocidad aunque la mecánica funcione al mismo régimen de giro. Esto es posible gracias a que la caja de cambios se intercala entre el motor y las ruedas.

Supongamos un motorunido a una caja de cambios de cinco relaciones que tiene un desarrollo final a 1000 rpm de 8 km/h, 15 km/h, 21 km/, 30 km/h y 39 km/h en primera, segunda, tercera, cuarta y quinta respectivamente. De este modo tendríamos que el motor, funcionando siempre a 1000 rpm, impulsaría al vehículo a circular a 8, 15, 21, 30 ó 39 km/h dependiendo de la marcha que lleváramos insertada.
En este vídeoexplicamos mejor este aspecto considerando un cambio manual de cinco relaciones:
En los vehículos, la caja de cambios o caja de velocidades (también llamada simplemente caja) es el elemento encargado de obtener en las ruedas el par motor suficiente para poner en movimiento el vehículo desde parado, y una vez en marcha obtener un par suficiente en ellas para vencer las resistencias al avance,fundamentalmente las derivadas del perfil aerodinámico, de rozamiento con la rodadura y de pendiente en ascenso.
En función de esto, si la velocidad de giro (velocidad angular) transmitida a las ruedas es menor, el par motor aumenta, suponiendo que el motor entrega una potencia constante.
La caja de cambios tiene pues la misión de reducir el número de revoluciones del motor, según el par necesario en cadainstante. Además de invertir el sentido de giro en las ruedas, cuando las necesidades de la marcha así lo requieren. Va acoplada al volante de inercia del motor, del cual recibe movimiento a través del embrague, en transmisiones manuales; o a través del convertidor de par, en transmisiones automáticas. Acoplado a ella va el resto del sistema de transmisión.
Existe además otra razón para su uso.Debido a las características de construcción del motor de combustión interna, las curvas de par, potencia y rendimiento (razón entre potencia obtenida en la combustión y potencia útil entregada a la salida), tienen esta forma:


Esquema de curva par-velocidad de un motor de combustión
Obsérvese que hay una zona el la que el motor está entregando una potencia elevada, con un alto par y unrendimiento también elevado. Es deseable que el motor siempre estuviera funcionando en estas condiciones, sin embargo, cuando la velocidad del motor sobrepasa esta zona, se pierde par, además de que el rendimiento desciende rápidamente. Puede ser, que incluso si no se cambia de marcha, el motor no suministre suficiente par como para continuar acelerando el vehículo, además de todos los inconvenientesque supone tener elementos girando a velocidades tan altas como 7000-8000 rpm (para un motor corriente, esto supone alto desgaste , además de ruidos e incrementos demasiado elevados de temperatura, y a largo plazo puede originar el fallo de alguna pieza).
Debido a esto, es necesario reducir la velocidad del motor al sobrepasar esta zona (o bien aumentarla si lo que se hace es frenar el vehículo).Como no interesa alterar la velocidad del vehículo según las necesidades del motor, sino al contrario, se instala una caja de cambios que permite modificar la relación existente entre la velocidad angular de giro de las ruedas del vehículo y el giro del cigueñal (rpm que indica el tacómetro del vehículo). A través de las relaciones cinématicas de engranajes, se demuestra que esta relación es detipo lineal.


Velocidades
Supongamos que se tiene una caja de cambios de 4 velocidades que presenta una relación entre velocidad del vehículo y en el motor que obedece a la gráfica inferior. Obsérvese la zona de máxima eficiencia en color rojo. Cuando el vehículo llega a 20 km/h empieza el motor a funcionar fuera de dicha zona, lo que implica pasar a la 2ª velocidad. Al cambiar a dicha...