Constitución de la Caja de Cambios

La constitución de la caja de cambios puede clasificarse según la disposición del motor y la transmisión. Existen cajas transversales, usadas mayoritariamente en vehículos con motor y tracción en el mismo eje, como turismos europeos y motocicletas, y cajas con eje intermediario para casos donde motor y tracción están en diferente lugar, como en los vehículos con motor delantero y tracción trasera. Un ejemplo particular es el Audi A4, cuya disposición longitudinal comparte estructura con una caja transversal.

Las cajas transversales, de constitución sencilla, cuentan con dos ejes paralelos: el árbol primario, que recibe el movimiento desde el embrague, y el árbol secundario, que transmite dicho movimiento al piñón que acciona la cadena o diferencial. El árbol primario suele estar compuesto por un solo cuerpo con piñones tallados, mientras que el secundario incorpora los mecanismos rotatorios, piñones, sincronizadores y mecanismos de selección. Es importante destacar que los piñones no van fijados directamente al eje, sino que giran sobre una superficie lisa sin transmitir movimiento hasta ser engranados mediante sincronizadores.

Sincronizadores

Los sincronizadores se encargan de unir solidariamente un engranaje al eje, igualar las velocidades antes del acoplamiento y bloquear la conexión si no están sincronizados. Están compuestos por un cubo interior, una corona exterior y anillos de fricción que permiten un acoplamiento suave. Si las velocidades no coinciden, se produce un rascado.

Para evitarlo, se utilizan sincros compuestos con tres anillos de fricción que incrementan la superficie de contacto y mejoran la transición. El proceso de interdicción impide el acoplamiento hasta que se igualan las velocidades.

Sistema de Selección

El sistema de selección mueve los sincronizadores mediante horquillas, que están unidas a varillas desplazables con sistemas de fijación por bolas fiadoras y muelles para evitar movimientos involuntarios, así como un interbloqueo que impide engranar dos marchas simultáneamente. En motocicletas y coches de competición se usa un tambor selector en lugar de varillas.

Engranajes

Los engranajes son elementos clave de transmisión de par y velocidad. Se construyen en aceros resistentes y se clasifican en:

• Cilíndricos de dientes rectos: Usados en la marcha atrás y en vehículos de competición por su capacidad de soportar esfuerzos.
• Cilíndricos helicoidales: Permiten un engranaje más suave y silencioso, aunque requieren más engrase y presentan mayor desgaste.
• Cónicos helicoidales: Empleados en diferenciales para cambiar la dirección del giro en 90°, siendo silenciosos y con amplia superficie de contacto.

Los dientes de los engranajes transmiten la potencia mediante su perfil de forma evolvente, garantizando una transferencia eficaz del movimiento.

El Diferencial

El diferencial es el componente encargado de repartir el movimiento del árbol secundario hacia los dos palieres de la transmisión, permitiendo que ambas ruedas giren a distintas velocidades aunque reciban el mismo impulso del motor, y realizando una desmultiplicación del giro. Esto es esencial al tomar una curva, ya que cada rueda recorre una distancia diferente: la exterior gira más rápido que la interior.

El diferencial logra esta función mediante un conjunto de satélites y planetarios que se alojan en una carcasa giratoria movida por la corona, la cual transmite el movimiento desde el piñón del árbol secundario. En línea recta, los satélites giran solidariamente con la carcasa, transmitiendo el movimiento de forma simétrica; en curva, los satélites giran entre sí en contrarrotación, permitiendo la diferencia de velocidades entre los palieres.

Este sistema utiliza un engranaje hipoide, donde el piñón del secundario ataca a la corona por debajo de su centro, lo que permite un diseño más bajo y estable del vehículo, y un mayor contacto dentado, aumentando la robustez de la transmisión. El diferencial suele estar integrado en la caja de cambios, salvo en vehículos de tracción trasera, donde se instala como mecanismo independiente en el eje.

Además, el diferencial contribuye a reducir aún más las revoluciones, incrementando el par transmitido. En cada marcha, el giro del motor pasa por una serie de engranajes: piñón del primario, piñón del secundario, piñón del diferencial y corona del diferencial.

Componentes Adicionales

Las cajas incorporan componentes adicionales como rodamientos, que reducen el rozamiento entre ejes y carcasa; pueden ser de bolas, axiales, de rodillos, cónicos o de agujas. También existen rodamientos cerámicos, aunque poco comunes por su fragilidad. Los retenes evitan fugas de aceite y deben montarse correctamente, siendo recomendable su sustitución durante reparaciones. Las cajas también cuentan con sensores, como el de marcha atrás, que activa la luz correspondiente mediante un interruptor simple, o el sensor de velocidad, que mide la rotación del diferencial mediante señales eléctricas; una variación en el tamaño de las ruedas puede alterar la precisión del velocímetro.

Funcionamiento General

En cuanto al funcionamiento, el eje primario transmite el movimiento a los engranajes, siendo el sincro quien los acopla al eje secundario, transformando par y velocidad. En la marcha atrás, un piñón adicional se interpone entre engranajes, invirtiendo el sentido de giro y generando un sonido característico por sus dientes rectos.

Mando del Cambio

Finalmente, el mando del cambio puede ser manual (por varillas, cables o neumático) o automático (eléctrico, hidráulico o neumático), siendo los cables Bowden los más comunes actualmente por su flexibilidad y reducción de elementos mecánicos; en vehículos industriales se emplea presión de aire, mientras que las cajas automatizadas modernas funcionan mediante señales eléctricas que la unidad de control procesa en base a parámetros del motor y la conducción.