Caja de cambio de velocidades

¿Por qué los automóviles necesitan una caja de cambio de velocidades?
La potencia y el par desarrollados por los motores térmicos varían en función del
régimen de giro. Normalmente el mayor par motor se obtiene a un régimen inferior al de la mayor potencia. La potencia de un motor varía fundamentalmente con el régimen.
Se observa que el par motor máximo se obtiene a 3000 rpm,
mientras que la potencia máxima a 5400 rpm.
Si el motor está trabajando en el intervalo fijado por
esas dos velocidades de giro y aumenta la resistencia a vencer
en la marcha del vehículo (ejemplo: subir una cuesta), se
provoca una disminución de la velocidad de régimen, pero
también un aumento del par motor desarrollado. Esto lleva a
una nueva condición de equilibrio a un régimen más bajo, por
lo que se dice que el funcionamiento del motor es estable en
el intervalo 3000-5400 rpm.
La velocidad de 3000 rpm es el límite inferior de
estabilidad de este motor. Si el motor está trabajando a un régimen inferior y aumenta la
resistencia a vencer en la marcha del vehículo, el régimen del motor cae, esto hará disminuir el
par y la potencia desarrollados. Por ello el motor se irá decelerando poco a poco hasta calarse.
Resulta evidente que hay que conseguir que el motor trabaje en el intervalo de
velocidades estable independientemente de la resistencia encontrada por el vehículo durante la
marcha. La caja de velocidades es el medio para conseguir dicho funcionamiento: es un
transformador de velocidad y par motor que altera par motor y velocidad de régimen, pero
respetando el producto de ambas (la potencia se conserva si despreciamos las pérdidas).

El par queda multiplicado por la relación de radios R2/R1 y la
velocidad de giro por la inversa de dicha relación. Si la relación de
radios fuese 3 el dibujo sería el de la derecha.
Esta posibilidad se aprovecha para transformar el par proporcionado por el motor, que
es prácticamente constante en el intervalo de funcionamiento estable, en otro par mayor capaz de
vencer la resistencia que se oponga a la marcha del vehículo. Para ello se montan entre el árbol
motor y el eje de las ruedas, parejas de engranajes con distintas relaciones de transmisión, de
manera que quedan acopladas las parejas de piñones más apropiadas a cada una de las
condiciones de marcha del vehículo.
Cajas de cambio automáticas pág. 2
La relación más corta de una caja de
velocidades ha de ser tal, que el par motor
resulte multiplicado lo suficiente para que el
vehículo:
1. Supere una pendiente
determinada, de un 25%
generalmente.
2. Sea capaz de arrancar en una
rampa del 15% con una
aceleración de 0.5 m/s2.