20.

CAJA DE CAMBIOS
La caja de cambios es el conjunto mecánico más importante de la cadena cinemática del vehículo, se coloca
detrás del embrague del cual recibe el par del motor. El eje primario de la caja de cambios engrana en el
disco del embrague y en la salida de la caja se encuentra el grupo reductor (modelos con tracción delantera)
y diferencial (en los vehículos con propulsión trasera), el árbol de transmisión transmite el par al conjunto,
grupo cónico y diferencial, colocado en el eje trasero. Existen dos tipos de cajas de cambios: cajas de cambio
manuales (de 2 y de 3 ejes) y las cajas automáticas, ambas con diferentes variantes.

En las cajas de cambio manuales el conductor selecciona las velocidades de forma manual, pisando el
embrague para desacoplar la transmisión de par del motor. En las cajas de cambios automáticas y una vez
seleccionada la velocidad por el conductor, la caja realiza de forma automática el cambio de velocidades. El
cambio de marchas se realiza sin necesidad de interrumpir el giro del motor. El cambio se realiza con carga.
Las cajas de cambios realizan las siguientes funciones:

• Acoplar las velocidades y transmitir el par que recibe del embrague al siguiente órgano de transmisión
(grupo reductor o árbol de transmisión) para poder circular con el vehículo.
• Realizar la marcha atrás en los desplazamientos que sea necesario.
• Permite tener el motor arrancado y el vehículo parado en punto muerto, semáforos, paradas, entre
otros.

La caja de cambios es un multiplicador o reductor del par del motor optimizando y aprovechando al máximo
la potencia del motor. El cambio en las velocidades cortas reduce el número de revoluciones que salen de
la caja y multiplica el par en la misma proporción, en las velocidades largas realizan el proceso inverso,
disminuye el par y aumenta las revoluciones de salida. Al reducir las revoluciones de salida en la caja el par
transmitido aumenta.

20.1 Escalonamiento del cambio

El momento de cambiar de marcha lo decide el conductor teniendo en cuenta los siguientes parámetros:
velocidad del vehículo, las revoluciones del motor, la carga del vehículo, la superación de pendientes, entre
otros.
Al analizar la gráfica de la caja de cambios manual, se determinar el momento de realizar el cambio para
conseguir el máximo rendimiento del vehículo o un consumo óptimo de combustible. Las máximas
prestaciones (alta potencia) se obtienen realizando el cambio a altas revoluciones (línea 2). El momento
ideal para un consumo reducido de combustible, el cambio de marchas, se encuentra en la zona de par
máximo (línea 1). Para conseguir potencia y un consumo optimizado, el cambio de velocidad se debe realizar
a las rpm o velocidad en km/h en las que se alcanza el par máximo.

En la caja de cambios manual, el punto del cambio idóneo de 1ª a 2ª se encuentra en el punto que la
velocidad alcanza el par máximo. Con la relación de transmisión de la 1ª y 2ª velocidad el punto de cambio,
se encuentra a las revoluciones de máxima potencia 5.700 rpm y a los 42 km/h aproximadamente. El punto
del cambio de 2ª a 3ª se encuentra en el punto que la 3ª velocidad alcanza el par máximo 4.900 rpm y a los
68 km/h aproximadamente. El momento del cambio de 3ª a 4ª se encuentra en el momento que la 4ª
velocidad alcanza el par máximo 4.100 rpm y a los 88 km/h aproximadamente. El cambio de 4ª a 5ª se
encuentra en el momento que la 5ª velocidad alcanza el par máximo 3.900 rpm y a los 116 km/h
aproximadamente.

Observando la gráfica y el escalonamiento de las velocidades se comprueba que el escalonamiento del

cambio en las velocidades altas, 3ª, 4ª y 5ª disminuye y que cuantas más velocidades tenga la caja de
cambios, mejor se puede aprovechar la potencia del motor y realizar un escalonamiento menor entre
velocidades.
20.2 Funcionamiento de la caja de cambios manual

Cuando el conductor decide seleccionar una velocidad, desplaza la palanca de cambios a la posición de
selección de 1ª, 2ª, 3ª, 4ª, 5ª. La palanca se encuentra unida a un mecanismo selector, cables o a una biela
de empuje y barra de mando, encargada de desplazar en el interior de la caja, la timonería de las horquillas
que abrazan las coronas desplazables de los sincronizadores. En cada velocidad se desplaza un carrete
desplazable que enclava el piñón o rueda dentada en su eje.

Al dejar fijos en sus ejes las dos ruedas dentadas de cada velocidad, la caja de cambios tiene una velocidad
engranada, transmite el giro de un eje al otro y se produce una relación de transmisión. Las relaciones de
transmisión de las velocidades de la caja dependen del número de dientes de cada rueda dentada. Cuando
la caja se encuentra en punto muerto (neutro), ninguna rueda dentada se encuentra enclavada al eje
secundario y todos los piñones giran locos.
 ACTIVIDAD 20
Conteste las siguientes preguntas:

¿Qué entiende usted por caja de cambios?

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

Detalle las tres funciones que realiza la caja de cambios

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

Cuál es el rango de velocidad y de revoluciones por minuto (r.p.m) a los cuales se debe realizar el cambio
de marchas en un vehícuo de 5 marchas

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………………………………………………….
 21. CONFIGURACIÓN DE LA CAJA DE CAMBIOS
La caja de cambios manuales son un conjunto mecánico formado por dos o tres ejes con ruedas dentadas
engranadas entre sí y que giran sobre rodamientos, los ejes se montan paralelamente. En uno de los ejes
las ruedas dentadas se encuentran fijas y en el otro eje las ruedas dentadas giran libremente.

El conductor desplaza la palanca de cambio y mediante un sistema de varillas y cables o neumáticamente

mueve una horquilla y enclava el piñón que gira loco con su eje, consiguiéndose de este modo las distintas
velocidades que disponga la caja. El mecanismo para enclavar las ruedas que giran libremente se conoce
como conjunto sincronizador.

En las primeras cajas de cambios, los piñones se desplazaban para engranarse con su pareja y los dientes
eran rectos. Con la incorporación de engranajes helicoidales, se desarrolló un sistema que permitía realizar
el cambio de relación sin tener que desplazar los piñones; a este diseño de cajas se le denomina de “toma
constante sincronizada”.

Todos estos elementos van alojados dentro de una carcasa con aceite para lubricar los distintos
mecanismos, sellada y hermetizada por medio de retenes para impedir la pérdida de aceite.
Constructivamente se emplean dos tipos de cajas de cambios según la posición del motor y el sistema de
transmisión empleado: cajas de cambio para tracción delantera y cajas de cambio para propulsión trasera y
tracción total.

21.1 Cajas de cambios para tracción delantera

Los vehículos con tracción delantera pueden montar el motor tanto longitudinal como transversalmente. Las
cajas de cambios para tracción delantera montan el diferencial y el grupo reductor en el mismo conjunto.
Las cajas de cambios de tracción delantera disponen de dos ejes, el eje primario y el eje secundario. El eje
primario engrana en el disco del embrague y el eje secundario transmite al grupo reductor y al diferencial.

La caja de cambios que dispone de cinco velocidades y marcha atrás, los ejes disponen de una rueda
dentada para cada velocidad formando una pareja de ruedas dentadas engranadas entre sí (menos la
marcha atrás), formando pares de engranajes que dan lugar a diferentes relaciones de transmisión.
En cada pareja de ruedas dentadas, una rueda se encuentra fija al eje y la otra gira libremente en el otro eje
hasta que se selecciona la velocidad, la selección consiste en enclavar o dejar fija la rueda dentada que gira
libremente. Las modernas cajas de cambios montan piñones móviles con sus correspondientes collarines y
sincronizadores indistintamente en los dos ejes primario y secundario.

21.2 Caja de cambios con dos árboles secundarios

Este tipo de cajas de cambios disponen de un árbol primario con piñones solidarios y dos árboles
secundarios de toma constante sobre los que se montan los piñones que giran locos y los sincronizadores
(figura 3.36). Los piñones de los árboles secundarios están engranados con los piñones del eje primario
pero no transmiten par alguno. La transmisión de par y el cambio de velocidad se realiza cuando se hace
actuar el sincronizador de la velocidad y se enclava el piñón, que gira libremente con su eje secundario.

Los dos árboles secundarios engranan sobre el mismo piñón helicoidal del grupo diferencial, cuando se
encuentra acoplada una velocidad solo transmite par el eje secundario de esa velocidad, el otro eje
secundario gira en vacío.
21.3 Cajas de cambios para propulsión trasera y/o tracción total

En este tipo de cajas, el motor suele encontrarse en posición longitudinal. La caja forma un conjunto
independiente que acopla en su salida el árbol de transmisión de los vehículos 4x2 o la caja de transferencia
en los vehículos 4x4. El giro entra y sale en la misma dirección, lo que obliga a disponer de un eje
intermediario.

El eje primario es el más corto de los ejes, solamente se encarga de transmitir el movimiento desde el disco
de embrague hasta el piñón del tren intermediario (piñón de toma constante).

El eje intermediario dispone de los piñones que actúan de conductores en las relaciones de transmisión,
están fijos y mecanizados en el mismo eje.
En el eje secundario se encuentran los piñones que giran locos, los sincronizadores y el piñón de marcha
atrás. Esta última se forma con tres piñones de dentado recto, uno en el eje intermediario y solidario a él,
otro en el secundario entre el piñón de primera y el de segunda, y por último otro que gira loco sobre un eje
independiente, llamado “piñón inversor”.
 ACTIVIDAD 21
Complete el siguiente Diagrama de Venn indicando al menos tres diferencias y dos semejanzas de cada tipo
de caja de cambios

Caja de cambios de tracción delantera Caja de cambios de dos ejes secundarios

Caja de cambios de tracción trasera