Mecánica: Caja de cambios

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Función:

La función de ésta es proporcionar a la rueda la fuerza o par y la velocidad. Para entender esto podemos dar el ejemplo con los cambios de la bicicleta. Si ustedes ponen un cambio muy blando, están pedaleando mucho para avanzar poco, con lo cual se puede lograr subir una pendiente o arrastrar algo muy pesado porque logran mucha fuerza. Ahora si ponen un cambio muy duro no van a poder ni arrastrar algo ni subir una pendiente. Ese cambio se utiliza sólo cuando ya están en alta velocidad. Cuando están quietos ponen un cambio blando, cuando no pueden pedalear más rápido pasan a un cambio más duro y así con la misma velocidad que pedaleaban antes, ahora con el paso del cambio, van a poder ir mucho más rápido. Ahora vean como si los pedales fueran las rpm del motor, y es exactamente lo mismo. La 1ra marcha tiene mucha fuerza, pero el motor levanta altas vueltas y con suerte llegamos a los 50km/h. Cuando pasamos a segunda el motor baja las revoluciones, porque para la segunda marcha ir a 40 km/h no le significa ningún esfuerzo y si subimos las rpm del motor vamos a conseguir más velocidad, y así sucesivamente.
También podemos decir, que en la 1ra marcha donde tenemos más fuerza pero poca velocidad, pedaleamos en la bicicleta unas 10 veces, para que recién la rueda dé una sola vuelta. En la 2da marcha tenemos que pedalear 5 veces para que la rueda dé una vuelta. En la 3ra marcha 3 contra 1, y así hasta llegar a una marcha que es una vuelta de pedaleo por una vuelta de la rueda.
Claramente si nosotros estamos quietos y queremos dar una vuelta a la rueda con un solo pedaleo nos va a costar demasiado esfuerzo, pero si utilizamos otra marcha podemos hacer más pedaleos en vez de uno solo y así logramos avanzar sin tanto esfuerzo. La relación entre cada pedaleo y vuelta de rueda es un ejemplo no exacto para comprender la función de la caja pero es similar. En un motor, se compara las vueltas del cigüeñal contra las vueltas del piñón. Por ejemplo, en la 1er marcha podemos tener 5 vueltas del cigüeñal contra una vuelta del piñón, pero en la 5ta marcha es 1 a 1.

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Sus partes:

Acá tenemos 5 ejes o piezas.
- Eje primario y eje secundario. Cada eje tiene una serie de engranajes que cumplen la función de cada marcha, 1ra, 2da, 3ra etc. Algunos engranajes están sólidos al eje y otros están locos. Luego explicaremos eso.
- Selectora, cumple la función de desplazar los engranajes, con unas piezas en forma de "C", para lograr el pasaje de cambios.
- Eje de la palanca. Un extremo sale por fuera del motor y contiene la palanca de cambios que nosotros controlamos. En el otro extremo contiene una serie de piezas que comandan a la selectora.
- Eje de arranque o patada. Contiene un solo engranaje en la punta engranando con la 1ra marcha.

Estas fotos son de una moto 110cc con caja de 4ta. La imagen de los dos ejes (primario y secundario) es de otra moto con 5 marchas.

Funcionamiento:

Para poder entender todo el funcionamiento primero detallaremos un poco mejor las características de los ejes principales.
- Eje primario: tiene un extremo engranado directo con el embrague. Esto significa que nosotros al apretar el embrague dejamos sin tracción a la caja. Este eje contiene todos los ejes más pequeños. El de la 1º marcha es el más pequeño y el de la 5º marcha es el más grande. En este caso tenemos como engranajes fijos al eje la 1º 2º 3º y los locos son 4º y 5º.
- Eje secundario: un extremo sale por fuera del motor para colocar el piñón y a su vez la cadena. Este eje contiene todos los engranajes más grandes. Ahora tenemos el de la 1º marcha más grande y el de la 5º es el más chico. Los engranajes fijos son 4º y 5º y los locos son 1º 2º y 3º.

Todos los cambios están engranados continuamente con su pareja del otro eje, lo único que se modifica al pasar los cambios es el desplazamiento horizontal de algunos engranajes fijos, pero siempre están engranados con su pareja del otro eje.
Los engranajes fijos son los que están sólidos al eje, es decir que giran si o si juntos, eje con engranaje. Y los engranajes locos son los que giran libremente, sin girar junto al eje. Los fijos son los que pueden desplazarse horizontalmente hacia un lado u otro para poder enganchar y así arrastrar al engranaje loco que tienen a su lado. Dejo unas imagenes para que se pueda entender cómo es que un engranaje fijo puede arrastrar a un engranaje loco.

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Vemos que todos los engranajes fijos contienen un estriado en su interior, con el cual engranan con el eje, haciendo que giren ambos continuamente. Y los ejes locos tienen su interior totalmente liso, únicamente desliza sobre el eje. Pero tambíen vemos esos "dientes" que sobresalen en los fijos, y en el caso de los locos pueden tener otros dientes sobresaliendo, cavidades o agujeros pasantes. Estos "dientes" encajan en las cavidades o traban con los otros dientes de los engranajes locos. Entonces, un engranaje fijo, se desliza sobre el eje horizontalmente para fijar a un engranaje loco que tenga a su lado.



Veamos que sucede en cada posición de la selectora, es decir, punto muerto y todas sus marchas. Recuerden que la fuerza inicial es en el eje primario porque está conectada directamente con el embrague y el final es el eje secundario ya que en él va el piñón y cadena para enviar la fuerza a la rueda.
- Punto muerto: el giro del eje primario hace girar únicamente a los engranajes fijos, en este caso son 1º 2º y 3º, los locos son 4º y 5º entonces no giran. Pero 1º 2º y 3º del eje secundario son locos, entonces sería imposible que se transmita la fuerza al eje secundario de este modo.
- 1º: nuevamente el giro del eje primario hace girar a los engranajes de la 1º 2º 3º. Si ven la imagen, se darán cuenta que la 1º del eje secundario es loco, pero la 4º está a su lado y es fija. Entonces para que la 1º del eje secundario se vuelva sólida, la selectora desplaza horizontalmente a la 4º para enganchar sus dientes con la 1º y así arrastrarlo. En este momento, gracias a la 4º, se podría decir que la 1º se volvió sólida al eje. Y ahora sí conseguimos que ambos engranajes de 1º sean sólidos a su eje, por lo que comienza a transmitirse la fuerza al eje secundario.
- 2º: Engranaje fijo del eje primario y loco en el eje secundario. En el eje secundario tenemos la 5º fija a su lado, él se desplaza para arrastrar a la 2º convirtiéndola en sólida.
- 3º: Engranaje fijo en el eje primario y loco en el eje secundario. En el eje secundario tenemos la 5º y 4º fija, dependiendo del diseño podría ser cualquier de las dos que le pueda dar el arrastre. En este caso se nota que la 5º tiene sus dientes apuntando hacia la 3º.
- 4º: Ahora sería lo mismo pero a la inversa, en este caso el engranaje loco está en el eje primario y fijo en el secundario. Por lo tanto el que se desplaza la 3º del eje primario para arrastrar a la 4º. También podría ser la 1º, pero por lo general ese engranaje viene soldado al eje.
- 5º:  Nuevamente el engranaje loco está en el eje primario y el fijo en el eje secundario. En este caso el engranaje de 3º del eje primario se desplaza para arrastrar a la 5º.

Si, es muy complejo. Nada fácil de entender a la primera. Luego de todo esto nosotros tenemos entra cada engranaje una serie de arandelas de separación y arandelas ceguer. Por lo general las ceguer mantienen a los engranajes locos en su posición y las arandelas de separación mantiene cierta distancia entre algunos engranajes.
Cuando nosotros pasamos mal un cambio y genera ese ruido tan doloroso y espantoso, lo que estamos dañando mayormente son esos dientes que encastran entre engranaje y engranaje. Uno se imagina que es el dentado del engranaje propiamente dicho pero no. Detalle para tener en cuenta, la precisión y delicadeza que lleva una caja de cambios es extrema. Ante la más mínima centésima de milímetro de error la caja puede comenzar a fallar, generar ruidos etc, etc.

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