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Transmisiones - Monografía



 
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Mecánica. Automoción. Ejes. Juntas universales. Ruedas. Diferencial. Puente trasero



1. Introducción



La transmisión del movimiento de giro del eje de salida de la caja de cambios hasta las ruedas se realiza a través de los árboles de transmisión y el diferencial. Comencemos por diferenciar claramente los tipos de automóviles; los de tracción delantera y los de tracción trasera; es decir, los que sus ruedas motrices son las delanteras y los que son las traseras. A lo largo de la historia del automóvil se ha ido evolucionando y se ha pasado de la transmisión trasera (primero con el motor también trasero y luego con el motor delantero) a la delantera, que es ampliamente utilizada por los fabricantes en sus vehículos de pequeño y mediano tamaño, ya que el motor y la transmisión delantera ofrecen un mayor espacio aprovechable y un mejor comportamiento para el conductor habitual. Los problemas de los coches con la tracción delantera, proviene precisamente de la transmisión, aunque afortunadamente hoy en día la tecnología de engranajes y juntas homocinéticas ha superado los todos estos problemas.

2. Árbol de transmisión



Como ya hemos indicado anteriormente, la transmisión del movimiento de rotación desde el eje de salida de la caja de velocidades hasta las ruedas motrices se realiza mediante unos ejes de acero llamados transmisiones.

En los vehículos de tracción delantera, el eje de salida de las cajas de cambios transversales termina en un piñón cónico que da movimiento al diferencial que va integrado en la misma caja de velocidades. Con esta disposición, el movimiento se transmite directamente a las ruedas con dos palieres de acero. En cambio, en los vehículos con tracción trasera el grupo del diferencial se encuentra en el puente trasero. Para transmitir el movimiento de giro del eje de la caja de velocidades al grupo diferencial se usa un eje de acero hueco llamado árbol de transmisión.

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Tradicionalmente, se ha dispuesto de motor delantero y tracción trasera, ampliamente utilizado en los vehículos de tipo medio y alto como la gama 124,131 y 132 de SEAT. Aunque actualmente la mayoría de los vehículos de clase turismo utilizan motor delantero con tracción delantera, por ser esta disposición más compacta permitiendo reducir el tamaño de los automóviles.

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Como ya sabemos, la caja de velocidades va sujeta al motor y al chasis a través de fijaciones flexibles, y el puente trasero va fijado al chasis a través de la suspensión. Las posibles irregularidades que pueda haber en el terreno por el que se circula hacen que el puente trasero oscile hacia arriba o abajo mientras que la caja de cambios permanece rígida. Debido a este fenómeno, el árbol de transmisión debe de ser flexible. Dicha flexibilidad se logra montando dos juntas cardan en su extremos y, en caso de que la distancia entre la caja de velocidades y el puente trasero sea excesiva se parte en dos el árbol de transmisión que se unen entre sí por medio de otra junta cardan.

El árbol de transmisión está sometido a grandes esfuerzos de torsión y de flexión. Sufre una gran torsión debido a que debe transmitir todo el par del motor a las ruedas y vencer el par resistente, que es mayor cuanto más pese el vehículo en cuestión. Debido a esto es muy importante el tipo de material empleado para construir los árboles de transmisión, que generalmente suelen ser de acero. Los esfuerzos de flexión son consecuencia de la inercia de giro del propio árbol que tiende a producir un pandeo al que se opone la propia resistencia del material. Para evitar al máximo este pandeo los árboles de transmisión se fabrican huecos para reducir su peso al máximo y así, reducir los esfuerzos de flexión. Además se suelen sujetar al chasis por medio de una junta flexible de goma coma la que se muestra en la imagen.

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3. Juntas elásticas del árbol de transmisión



Las juntas elásticas de las que va provisto el árbol de transmisión permiten que el giro sea transmitido hacia las ruedas en cualquier ángulo en el que se encuentre los ejes de la transmisión.

El modelo más simple de junta elástica consiste en un anillo de caucho acoplado entre el eje de salida de la caja de cambios y el árbol de transmisión, llamado flector. Con este tipo de junta elástica evita las vibraciones y es capaz de seguir transmitiendo el par cuando la desalineación de la transmisión con respecto al eje de la caja de cambios no supere los 10º de inclinación. Debido a que este tipo de junta permite poca movilidad del árbol de transmisión, se usa en la mayoría de los vehículos actuales las denominadas juntas cardan.

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Los cardan estás formados por una cruceta a cuyos brazos se ensamblan las horquillas de los ejes del árbol de transmisión con intercesión de unos cojinetes de agujas por cada extremo de la cruceta. La gran ventaja de este tipo de juntas flexibles denominadas cardan frente al flector consiste en que son capaces de transferir amplios esfuerzos de giro.

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Pero tienen la desventaja de que cuando los ejes unidos a esta junta cardan giran desalineados, el eje de salida modificará periódicamente su velocidad con respecto al eje de entrada. Traduciéndose estos cambios de velocidad periódicos en esfuerzos angulares alternos que aumentan su fatiga. Cuanto mayor es el ángulo de desviación de los ejes mayor es la fluctuación de velocidad de estos, por consiguiente, las juntas cardan sólo son utilizables para desviaciones no superiores de 15º.

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Para lograr paliar este inconveniente de las juntas cardan se suelen montar dos de éstas, una a cada extremo del árbol de transmisión. De tal forma que los adelantos y retrasos producidos en el eje de la transmisión son absorbidos por la segunda junta cardan. Esta disposición de montaje con dos juntas cardan es el más empleado hoy en día por la mayoría de los fabricantes de vehículos y se le conoce como acoplamiento homocinético o junta homocinética. También pueden ir montadas dos juntas cardan en cada extremo del árbol de transmisión.

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4. Transmisión directa a las ruedas



En los vehículos de tracción delantera, la transmisión del movimiento procedente de la caja de velocidades transversal hasta las ruedas motrices se realiza directamente sin necesidad de montar puente trasero ni árbol de transmisión, ya que el diferencial va incorporado en la mima caja de velocidades.

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Para transmitir el movimiento de giro desde el diferencial de la caja de velocidades transversal hasta las ruedas se dispone de palieres con una junta homocinética especial a cada lado. Estas juntas homocinéticas son más sofisticadas que las juntas cardan del árbol de transmisión, ya que deben permitir movimientos más amplios de subida y de bajada, debidos a las irregularidades del terreno por el que se circula, y los movimientos y se mueven hacia los lados, de acuerdo con los movimientos de dirección al tomar una curva. Con éste “juego de cintura”, las juntas homocinéticas soportan condiciones severas de funcionamiento. Por lo tanto, aunque parezca sencillo, el trabajo de las juntas homocinéticas no lo es.

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Las primeras junta homocinéticas que se montaron estaban formadas por un doble cardan, donde el giro desigual del primer cardan lo absorbe el segundo, transmitiendo una rotación homogénea hacia las ruedas cualquiera sea su orientación.

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Actualmente, se usan las juntas homocinéticas de bolas formadas por una punta de eje, también llamada campana, que está conectada al buje de la rueda, a diferencia de la rótula.

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Dentro de la campana hay un espacio donde encajan perfectamente seis esferas de acero. A través de un anillo llamado jaula, se mantienen las esferas en el mismo plano, sin que salgan de su lugar. Un anillo interno, también con seis pistas, es acoplado a ellas.

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Este anillo está conectado al eje de transmisión. Con esta disposición, siempre que gira el eje, la pista lo acompaña, moviendo con él las esferas que harán que se mueva la campana. El movimiento de las esferas dentro de la campana permite que la junta homocinética trabaje en ángulos no superiores a los 47º.

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Los dos tipos de juntas homocinéticas mencionados se montan generalmente en el lado de la transmisión que se une a la rueda. Para el lado de la caja de cambios se suelen montar principalmente juntas de trípode deslizante, que permiten las variaciones de longitud de la transmisión que se producen con los movimientos oscilantes formados por la suspensión. Estas juntas están constituidas por un trípode de tres pernos a los que se le acoplan tres rodillos, que se introducen en las tres ranuras cilíndricas del cajeado. En el interior de este cajeado los rodillos pueden desplazarse, para variar así la longitud de la transmisión. Este cajeado va mecanizado con un estriado, que engrana con el planetario del diferencial. A esta junta, se le une el palier a través de un estriado sobre él.

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5. Puente trasero



En los vehículos con motor delantero y tracción delantera o en los vehículos con motor trasero y tracción trasera el conjunto del grupo diferencial, o puente trasero, está acoplado en el interior de la caja de cambios.

En los vehículos equipados con motor delantero y tracción trasero el grupo diferencial recibe el movimiento de giro a través del árbol de transmisión desde la caja de cambios lineal, que hace girar al piñón cónico de ataque que incide sobre la corona. La corona, a través del mecanismo del diferencial transmite el giro hasta los palieres y las ruedas. A este mecanismo se le conoce como par cónico o grupo piñón-corona.

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En la siguiente ilustración puede verse en detalle la disposición de montaje del par cónico junto al diferencial en el interior del envolvente del puente trasero. Puede apreciarse como el piñón cónico de ataque engrana sobre la corona a la que va fijado el grupo diferencial. El grupo diferencial está formado por dos engranajes planetarios, a los que se unen los palieres, y dos piñones satélites de menor tamaño.

A la caja del diferencial se le fija la corona dentada, que recibe movimiento a través del piñón de ataque, situado en la carcasa apoyado sobre los cojinetes cónicos de rodillos.

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En un puente trasero de tipo convencional, es decir, rígido, los palieres o semiejes van introducidos en el interior de las trompetas, apoyándose en un extremo en el conjunto diferencial y en el otro extremo se apoya en la misma trompeta con interposición de un rodamiento de bolas.

En caso de que el puente trasero tenga suspensión independiente para cada rueda los palieres irían al descubierto y provistos de juntas cardan que permitan el movimiento del las ruedas con respecto al chasis, ya que el puente iría acoplado al este. Por el contrario, en el sistema convencional de puente trasero rígido unido al chasis del vehículo a través del sistema de suspensión, los palieres irían guarecidos en el interior de las trompetas. Ya que no tiene que absorben los movimientos de las ruedas producidos por las irregularidades del terreno porque el puente trasero se mueve igual.

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El régimen de giro del motor en situaciones de conducción normales suele estar comprendido entre las 3.000 y las 6.000 r.p.m, que modificados por la caja de cambios, proporcionan en la cuarta velocidad, entre 70 y 140 Kilómetros por hora en un vehículo de tipo medio. Si esta velocidad de rotación se transmitiese directamente de la caja de cambios a las ruedas, con unas ruedas de tamaño normal, cuyo desarrollo medio es de metro y medio, nos proporcionaría una cuarta marcha a una velocidad entre 270 y 540 Kilómetros por hora, por lo que esta obligado a reducir considerablemente el giro de las ruedas para mantener un relación par /velocidad adecuada. Para ello se reduce aproximadamente entre 3:1 y 6:1, es decir que el motor debe dar entre 3 y 6 vueltas para que las ruedas motrices den una vuelta completa. Esta relación de desmultiplicación varía de unos vehículos a otros y depende del tamaño de los neumáticos montados y de la potencia del motor.

Esta desmultiplicación necesaria se obtiene gracias al piñón cónico de ataque que incide sobre un dentado helicoidal de una corona atornillada al diferencial. Para evitar que sean siempre los mismos dientes los que soporten la presión máxima, se elige la relación de desmultiplicación de tal forma que el número de piñones del piñón de ataque, llamado también engranaje hipoide, y de la corona del diferencial sea primos entre sí.

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Cuando el par motor que debe transmitirse a las ruedas motrices es excesivamente elevado, se dispone de un puente trasero con doble reducción. En el cual la corona del diferencial se monta sobre un eje del que forma parte un piñón recto con dentado helicoidal, que engrana a su vez con el piñón cónico de ataque. Con esta disposición se logra realizar la desmultiplicación usando dos piñones en vez de uno, con lo que se aumenta la robustez del conjunto.

6. Grupo diferencial



Una vez adaptada la desmultiplicación adecuada a la velocidad de giro para mantener una relación velocidad - par adecuada, nos encontramos con otro problema. Cuando el automóvil describe una línea recta, las ruedas de ambos lados dan el mismo número de vueltas. Pero en una trayectoria curva, la rueda exterior siempre recorrerá más espacio que la interior, por lo que si ambas girasen a la misma velocidad, la interior estaría obligada a efectuar un deslizamiento sobre el suelo, que llevaría, con la actual adherencia de los neumáticos, a una sensible reacción del par y a un comportamiento extraño del vehículo en curva, desgastando además los neumáticos de manera anormal.

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Para evitar estos inconvenientes, se dispone de un mecanismo llamado diferencial capaz de permitir el giro de las dos ruedas motrices a diferente velocidad al tiempo que transmite a ambas el esfuerzo necesario para mover el vehículo a la velocidad deseada por el conductor.

Este sistema esta constituido por dos engranajes cónicos llamados planetarios sobre los cuales se engranan otros piñones llamados satélites. Cuando al tomar una curva la rueda de la parte interior se opone al giro arrastra a los satélites del diferencial, haciendo que el planetario de la otra rueda gire un poco más rápido.

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En la imagen anterior se ha reproducido el despiece de un grupo diferencial en que observamos la corona del par cónico (12), que va acoplada sobre la caja del diferencial (5) mediante tornillos. En el interior de la caja del diferencial se alojan los engranajes satélites (2) por medio de un eje portasatélites (3), y los engranajes planetarios (4) por medio de las arandelas calibradas (1). En la imagen de al lado también podemos ver el despiece de un diferencial de forma más esquemática.

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Constituido así el mecanismo del diferencial, cuando el eje de salida de la caja de cambios empieza a girar, hace que a través del árbol de transmisión se transmita el giro hasta el piñón cónico de ataque que arrastra a la corona del par cónico, y con ella a toda la caja del diferencial. La caja del diferencial, voltea a los satélites al girar, haciendo que arrastren a los planetarios, que transmiten el giro hasta las ruedas, haciéndolas girar en el mismo sentido y a igual velocidad a ambas ruedas mientras que el vehículo se mantiene en línea recta.

Cuando el vehículo toma una curva, la rueda del lado interior siempre ofrece más resistencia al giro que la del lado exterior al tener que recorrer diferentes distancias. Al producirse esta resistencia, la rueda tira de los satélites que rodaran un poco haciendo que se reduzca la velocidad de giro de dicha rueda y aumente la velocidad de giro de la rueda del otro lado. De esta forma, lo que pierde de giro una rueda lo gana la otra, ajustándose automáticamente el giro de las ruedas al recorrido que les corresponde efectuar en las curvas.

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Autor:

Avilico





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