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• Miguel Sinchi

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TREN DE FUERZA MOTRIZ

CAJA DE CAMBIOS

CAJAS DE CAMBIO MECÁNICO ENGRANAJES PARALELOS Un cambio de velocidades de engranajes paralelos consiste básicamente en una combinación de trenes de engranajes en los que todos los ejes son paralelos y la transmisión de movimiento se realiza desde el eje primario (conductor) al eje secundario (conducido) a través de un eje intermediario. Desde los primeros diseños hasta la actualidad, este tipo de cambio se puede realizar de dos modos diferentes:  De engranajes desplazables  De engranajes en toma constante y cambio por collarines  De engranajes en toma constante y cambio sincronizados

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De engranajes desplazables: estos son de dientes rectos y van sobre unos ejes paralelos sobre los que se desplazan poniéndose en toma para seleccionar una determinada velocidad. De engranajes en toma constante y cambio por collarines: desplazables los engranajes están en toma constante y van sobre ejes paralelos. El cambio de velocidad se obtiene bloqueando, mediante el collarín determinados engranajes para que giren solidarios con su eje. De engranajes en toma constante y cambio sincronizado: los engranajes también están en toma constante, pero los collarines que los bloquean para cambiar de velocidad un mecanismo de sincronización, los que permiten que el engrane se haga sin que rasquen los dientes. En los tres tipos de cambios citados la velocidad se cambia con la mano o con el pie. Por eso decimos que son cambios de velocidades mecánicos.

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CAMBIOS POR ENGRANAJES DESPLAZABLES El cambio de velocidades por engranajes desplazables es el más popular de todos para máquinas agrícolas e industriales. Consta de engranajes desplazables de dientes rectos y se caracteriza por su simplicidad. Respecto a los de toma constante presentaban una serie de problemas; los principales inconvenientes de este tipo de engranajes, estaban basados fundamentalmente en los siguientes efectos:  Aparición de sacudidas al engranar piñones a velocidades de giro diferentes.  Transmisión de esfuerzos excesivos sobre los dientes, y en consecuencia, rápido desgaste.  Imposibilidad de sincronización, al estar los engranajes girando con la velocidad de su eje de giro, que no es la misma.

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Existen dos tipos fundamentales de cambio por engranajes desplazables: a) El que lleva los ejes de entrada y de salida paralelos b) El que lleva los ejes de entrada y de salida en línea

a) Ejes de entrada y de salida en paralelo: El eje de entrada de movimiento es el activo, que acciona al eje de salida, que es pasivo y del que se transmite la fuerza. Por regla general, se emplea otro tercer eje intermedio para invertir el sentido del giro o para conseguir una desmultiplicación mayor todavía. Estos tres ejes son paralelos y se relacionan a través de sus respectivos engranajes. El mecanismo de cambio de velocidades ilustrado en la figura, permite obtener tres velocidades distintas de marcha hacia delante y una marcha atrás.

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Los engranajes D y E cambian la velocidad y el sentido de la marcha Ambos engranajes se desplazan sobre el eje de salida, pero giran solidarios con él por la unión con estrías. Todos los demás engranajes van fijos sobre su eje respectivo, excepto el engranaje F, que gira libremente sobre el eje de salida.

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Las líneas de puntos indican las posiciones de los engranajes desplazados. Cuando el engranaje D engrana con el engranaje A se obtiene la primera velocidad, la más corta de todas. Cuando el engranaje E se pone en toma con el engranaje B, se obtiene la segunda velocidad. Cuando el engranaje E se pone en toma con el engranaje F se obtiene la tercera velocidad, la más larga de todas en este caso. Cuando el engranaje D se pone en toma con el engranaje G se invierte el sentido de giro del eje de salida o pasivo. El tren de engranajes fijos

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intermedio ha quedado acoplado para obtener la marcha atrás del vehículo. El engranaje G gira obligado por el engranaje H, que está en toma constante con el engranaje A. Cuando no se ha puesto en toma ni el engranaje D, ni el engranaje E, el cambio de velocidades está en punto muerto.

b) Ejes de entrada y de salida en línea En este tipo de cambio, los ejes de entrada y de salida están en línea, pero sin conectar directamente. Un tercer eje llamado eje intermedio, tren fijo, o triplex, acopla el eje de entrada o primario con el eje de salida o secundario.

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En la figura se muestra la forma en que se transmite la fuerza cuando se selecciona la primera velocidad. La fuerza se transmite, desde el engranaje A que lleva el eje primario, al engranaje D del tren fijo. Al ser fijos todos los engranajes de este tren, la fuerza continua por el engranaje F al engranaje desplazable C sobre el eje de salida del cambio, al que obliga a girar transmitiendo la fuerza a las ruedas motrices. Este tipo de cambio de velocidades permite obtener una velocidad directa, eliminando el tren fijo al acoplar el engranaje A con el engranaje B, con lo que el eje primario transmite directamente la fuerza al eje de salida.

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Estos dos modelos básicos de cambio de velocidades por engranajes desplazables se emplean en la práctica con numerosas variantes. Es frecuente encontrar cambios de este tipo con diez velocidades de marcha hacia delante y dos velocidades de marcha atrás.

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A continuación con un ejemplo sencillo, el cálculo de la relación de transmisión de un tren de engranajes desplazables, válido también para el de toma constante, para cada una de las velocidades. La relación de transmisión para cada par de engranajes viene dado por la expresión:

Que dependerá del número de dientes de cada uno de los piñones. En la siguiente figura se muestra un ejemplo sencillo de este tipo de engranajes.

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Los acoplamientos para cada una de las velocidades, teniendo en cuenta que el movimiento se transmite desde el árbol primario (1) al intermediario (3) y de éste al secundario (2), es la siguiente:

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PRIMERA VELOCIDAD: Se obtiene por la desmultiplicación obtenida entre el piñón primario (a1) y el intermediario (a2), al acoplar los engranajes correspondientes a la 1º velocidad (d1 y d2)

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SEGUNDA VELOCIDAD Se obtiene por la desmultiplicación obtenida entre el piñón primario (a1) y el intermediario (a2), al acoplar los piñones (c1) y (c2), correspondientes a la 2º velocidad

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MARCHA ATRÁS Para la marcha atrás se realiza el acoplamiento de un piñón entre (e1) y (e2), con el objeto de invertir el sentido de giro.

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CAMBIOS DE ENGRANAJES EN TOMA CONSTANTE Y POR COLLARINES DESPLAZABLES El cambio de velocidades por collarines desplazables consta de ejes paralelos con engranajes en toma constante. En la posición de punto muerto los engranajes giran libres sobre sus ejes. Al meter una velocidad, se desplaza un collarín que bloquea un determinado engranaje para que tenga que girar solidario con su eje. Los engranajes helicoidales, aparte de otras ventajas, hacen menos ruido que los engranajes de dientes

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rectos que tienen que emplearse forzosamente en los cambios por engranajes desplazables. Por estar en toma constante y no poder desplazarse sobre su eje, uno de cada pareja de engranajes en toma tiene que girar libre sobre su eje cuando el cambio está en punto muerto. Cuando se conecta una velocidad, el engranaje correspondiente se acopla con su eje por medio de un collarín. Al sacar la velocidad se desplaza el collarín y el engranaje vuelve a girar de nuevo libremente sobre su eje.

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El collarín desplazable lleva estrías interiores por las que se acopla a su engranaje que, a su vez, está acoplado con el eje por medio de estrías. El engranaje helicoidal en toma constante se acopla con el eje al desplazarse el collarín y engranar sus estrías interiores con las estrías exteriores del engranaje pasivo. Las estrías de los engranajes y de los collarines tienen los extremos redondeados para facilitar el engrane.

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CAMBIOS DE ENGRANAJES SINCRONIZADOS

EN

TOMA

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CONSTANTE

Y

Este tipo de cambios está constituido por piñones de acero al carbono, obtenidos por un proceso de estampación y forja, y sus dientes son tallados en máquinas especiales, con un posterior tratamiento de temple y cementación que permitan adquirir la máxima dureza y resistencia al desgaste. Los piñones, engranados en toma constante para cada par de transmisión, están formados por dientes helicoidales, más silenciosos que los dientes rectos y que permiten un mejor contacto lateral entre los dientes, por lo que al ser la superficie de contacto mayor, la presión que actúa sobre ellos es menor y su desgaste más reducido. Así mismo, el número de dientes del piñón conductor y el conducido son primos entre sí de forma que el

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desgaste se reparte funcionamiento.

por

igual

y

se

evitan

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vibraciones

en

su

Por otro lado los piñones de los árboles primario y secundario poseen los dientes inclinados en el mismo sentido, mientras que los del árbol intermediario los tienen en sentido opuesto, debido a que para lograr un equilibrio perfecto del empuje axial que aparece en el contacto, la inclinación de los dientes ha de variar de un piñón a otro al ser los diámetros diferentes. Esta caja de cambios funciona de tal manera que los engranajes del secundario están siempre en contacto con los engranajes del eje intermediario, y por el hecho de no tener que desplazar los engranajes para la selección de una determinada velocidad, posibilita que los engranajes sean de dientes helicoidales.

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Con el vehículo en movimiento, el desenclavamiento de una marcha seleccionada, es una operación sencilla, pues solamente se requiere el desplazamiento de la corona del sincronizador. Con el vehículo en movimiento, para lograr un nuevo enclavamiento, se vuelve imprescindible igualar las velocidades de giro de las piezas a engranar, pues de lo contrario se producirían golpes en los dentados, que producen ruidos y posibles roturas

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El cambio de velocidades sincronizado lleva los engranajes en toma constante y se cambia de velocidad por medio de collarines desplazables, pero haciéndolo a través de un mecanismo que iguala la velocidad de giro de dos piezas antes de acoplarlas. La sincronización del cambio de velocidades se emplea para el cambio de marchas, en las que es preciso cambiar de velocidad en plena marcha. Los tipos de sistemas de sincronización varían de acuerdo al tipo de sincronizador que usa, teniendo:     

Sincronizador del tipo Borg Wagner. Sincronizador con cono y esfera de sincronización. Sincronizador por tetones Sincronizador por anillo de sincronización elástico. Doble sincronizador

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Sincronizadores tipo Borg Wagner También llamado sincronizador por bloqueo o sincronizador con cono y cerrojo de sincronización. Este tipo de sincronizador consta de las siguientes piezas: - Los anillos de bloqueo, frenos sincronizadores o anillos de sincronización. - Los aros de resorte o anillos elásticos. - El cubo, cuerpo de sincronización o selector interno. - El collarín de sincronización, manguito de cambio o selector externo. - Las chavetas o cerrojos de sincronización.

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El cubo va acoplado con el eje por medio de estrías y el selector externo va sobre el cubo. Los dos aros de resorte mantienen las chavetas aplicadas por dentro contra el selector externo. Los frenos sincronizadores, que son de bronce, llevan tres rebajes en los que encajan las chavetas.

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La superficie interior de los frenos sincronizadores es cónica y se adapta al cono del engranaje pasivo. Estos conos son los que sincronizan por fricción la velocidad del engranaje pasivo con la del eje a que se acopla.

Funcionamiento: Durante la sincronización el selector externo se desplaza hacia el engranaje pasivo de la velocidad seleccionada, arrastrando con él las chavetas, las que empujan el freno sincronizador, y el freno se

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aplica sobre el cono del engranaje pasivo. Al tener el engranaje pasivo y el selector externo girando a distintas velocidades, el freno sincronizador sufre una fricción llevando progresivamente que se igualen las velocidades. Esta fricción crea un par en el freno sincronizador apoyando fuertemente sus muescas sobre una de las caras de las chavetas. Hasta que las velocidades no se igualen, se apoyarán fuertemente las caras inclinadas de los dientes del freno sincronizador con las del selector externo, evitando el desplazamiento de este último

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Cuando las velocidades se iguala, desaparece el par en el freno sincronizador y los dientes del selector externo vuelven a ubicar al freno sincronizador en su posición inicial; y para completar la operación las estrías del selector externo pasan entre los dientes del freno sincronizador (por estar girando a la misma velocidad) y engranan con los dientes del cubo del engranaje pasivo. La anchura del alojamiento de las chavetas en el freno sincronizador es mayor que la anchura de las chavetas, en una magnitud tal, que el dentado del freno sincronizador puede desplazarse medio diente a la

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derecha o a la izquierda, con respecto al dentado del selector externo, entonces cuando existe el par resistente que hace girar el freno sicronizador contra la chaveta, queda medio diente desplazado el dentado del freno con el del selector, con lo que se impide el desplazamiento del selector externo, y cuando desaparece el par resistente, el freno sincronizador se ubica de tal forma que los dientes se alinean y permiten el desplazamiento del selector externo.

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Sincronizadores con cono y esfera de sincronización. Este tipo de sincronizador es similar al sincronizador Borg Wagner. El selector interno se acopla con el eje mediante estrías. El selector externo se desliza sobre el selector interno y está conectado con él por medio de muelles y bolas dispuestos radialmente en el cubo.

Funcionamiento: Para acoplar el engranaje pasivo, el conjunto se desplaza hacia él; el cono interno se pone en contacto con el cono del engranaje y lo arrastra por fricción hasta que ambos giran a la misma velocidad. En este momento los pequeños muelles mantienen las bolas de retención en la ranura del selector externo.

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Esta retención impide que el selector externo se salga del interno y pueda engranar con el engranaje pasivo antes de que se haya igualado la velocidad de giro de ambos por la fricción de los conos. Obligado por el mando de los cambios, el selector externo continúa desplazándose hacia el engranaje pasivo hasta que las bolas salen de la ranura comprimiendo los muelles, momento en que se produce ya el engrane.

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También se puede encontrar la variante, que usa frenos sincronizadores y en lugar de esferas usa unas trabas.

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Sincronizador por tetones El cubo que realiza la sincronización gira solidario con el eje por medio de estrías. Los aros de sincronización exteriores giran mediante estrías con su respectivo engranaje. Los aros de tetones se deslizan libremente en el cubo sincronizador.

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Funcionamiento: Al desplazar el cubo sincronizador hacia uno u otro lado, el aro de sincronización aplica el aro de tetones contra el cubo. El engrane del cubo sincronizador con el correspondiente engranaje pasivo no se puede producir por el biselado del taladro por el que entra el tetón y el bisel que lleva este mismo. Cuando todas las partes giran ya a la misma velocidad, se reduce la fuerza con que el cubo

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sincronizador tetones.

se

aplica

sobre

los

En ese momento los tetones se pueden meter a fondo en sus taladros y se produce el engrane de las estrías interiores del cubo sincronizador, con las estrías exteriores del engranaje pasivo. El engrane se facilita por el biselado de la transición de los tetones a la parte de mayor diámetro, el biselado de la boca de los taladros y el redondeado del frente de las estrías del cubo y del engranaje.

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Sincronizador por anillo de sincronización elástico. Constituido por un cubo guía unido con estrías al eje y por chaveteros al selector externo. En el piñón va montado un anillo de sincronización, en los extremos del anillo se dispone de una pieza de bloqueo; dentro del anillo de sincronización van dos bandas de bloqueo, apoyada en sus extremos en la pieza de bloqueo, todo el conjunto se cierra mediante un anillo de seguridad.

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Funcionamiento: Al conectar una marcha el selector externo se desplaza sobre el cubo guía, y se comprime contra el anillo de sincronización, la fricción gira el anillo de sincronización, con lo cual uno de sus extremos se apoya contra la pieza de bloqueo.

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Esta pieza de bloqueo comprime una de las bandas de bloqueo en el borde interior del anillo de sincronización. La pieza tope apuntala la banda de bloqueo y esta bascula. La banda de bloqueo ejerce fuerza sobre el anillo de sincronización, aumentando la fuerza de contacto entre el selector externo, el anillo de sincronización y la superficie de contacto del piñón. Hasta que no haya sincronismo entre el selector y el piñón, las fuerzas en el anillo de sincronización impide la

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disminución de su diámetro, por lo que el selector no puede conectarse. Cuando existe sincronismo entre el selector y el piñón, las fuerza en el anillo de sincronización desaparecen, y el anillo de sincronización retorna a su diámetro inicial, pudiendo desplazarse el selector y conectarse con el piñón.

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Doble sincronizador Este tipo de sistema de sincronización utiliza un segundo anillo sincronizador interior con un anillo sincronizador exterior. La doble sincronización viene a mejorar el confort de los cambios al bajar las marchas, debido a que las superficies friccionantes cónicas equivalen casi al doble de lo habitual, la capacidad de rendimiento

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de la sincronización aumenta en un 50 %, aproximadamente, reduciéndose a su vez la fuerza necesaria para realizar el cambio, aproximadamente a la mitad.