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Transmisión Po wer Shift

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Teoría de Funcionamiento

¿Por qué se necesita una caja de cambios? Bueno, la caja de cambios se hace necesaria porque un motor por sí solo no basta. El trabajo que se realiza con la maquinaria de construcción requiere tanto velocidades altas como bajas, pero en cada velocidad el par motor tiene que ser suficiente.

El problema está en que un motor sólo da realmente potencia en una gama determinada de revoluciones por minuto (R.P.M)

Si el motor funciona por debajo de dicha gama no tendrá la potencia necesaria. Se podría construir un motor con un par enorme en una gama amplia de r.p.m. pero tendría que ser tan grande...

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...que se necesitaría un King-Kong para operarlo. Por esta razón, se utiliza una caja de cambios con la que se mantiene el motor a las r.p.m. apropiadas, realizando así un trabajo que de otra manera sería o demasiado lento o demasiado rápido para ese motor. La caja de cambios es lo que da la flexibilidad necesaria para trabajar a diversas velocidades. Entonces, ¿qué es una caja de cambios?

Es un conjunto de engranajes y ejes que transmiten la energía del motor a las ruedas de tracción de la maquinaria.

Y esta caja de cambios ofrece tres grandes ventajas.

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En primer lugar, no hay que tener trabajando constantemente la máquina mientras el motor esté funcionando. Basta poner la caja de cambios en punto muerto para que el motor siga girando aunque la maquinaria esté totalmente parada.

En segundo lugar, cuando son grandes la potencia y el par motor que se necesitan, como por ejemplo, para subir algo pesado, se tiene una relación de desmultiplicación elevada en la caja de cambios. Esta elevada relación de desmultiplicación es lo que se denomina, comúnmente, primera velocidad.

Y, finalmente, cuando se necesita velocidad se tiene una relación de desmultiplicación baja o marcha directa.

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Hay todo tipo de cajas de cambio. Existen los tipos de engranajes de desplazamiento sincronizado, en los que estos engranajes son deslizantes y el embrague es mecánico de fricción.

Tenemos también la caja de cambios automática, que utiliza un fluido hidráulico para accionar las cintas de embragado. En este tipo de caja de cambios, los engranajes no deslizan, sino que están siempre engranados. Un regulador controla la velocidad y la carga y dirige el aceite hidráulico a aquellas cintas de embrague que proporcionan la mejor relación de desmultiplicación para el trabajo que se está realizando. Para suavizar el proceso, este tipo de transmisión toma su potencia de un acoplamiento hidráulico.

Las cajas de cambio Clark “Power-Shift” son parecidas a una caja de cambios automática, en cuanto que los engranajes están constantemente engranados y la potencia procede de un convertidor de par. Pero en lugar de cintas de embrague de este tipo, lleva discos de embrague que acoplan las velocidades, y estos embragues hidráulicos no se activan como ningún tipo de regulador mecánico, sino que son accionados por el propio conductor.

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De aquí se deduce que, si se entienden estos embragues hidráulicos de disco, se tendrá un conocimiento bastante bueno de lo que es, en general, una transmisión “Power Shift”.

Construyamos uno de estos embragues desde el principio y veremos algunas inteligentes ideas técnicas. Imaginemos un eje con acanaladuras en su superficie y un disco con dientes que encajan en las acanaladuras.

Como se puede observar, un disco como éste puede deslizarse hacia delante y hacia atrás sobre las acanaladuras pero no puede girar independiente del eje.

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Imaginemos ahora, un cilindro con acanaladuras en su superficie interior y un disco con orejetas para deslizarse por esas acanaladuras.

También en este caso, el disco puede deslizarse hacia delante y hacia atrás, pero como sus orejetas encajan en las acanaladuras, el disco no puede girar independientemente del cilindro.

Si cogemos el eje acanalado y lo colocamos en el interior del cilindro acanalado, alternando los discos de tal manera que uno de ellos encaje en el cilindro y el contiguo en el eje habremos formado un embrague elemental.

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Todos los discos de este mecanismo se pueden deslizar hacia delante y hacia atrás, pero algunos sólo podrán girar con el cilindro y otros únicamente con el eje.

Si se instala un pistón en un extremo y se establece una vía de paso para aceite a alta presión, quedará completado el mecanismo. Imaginemos que el cilindro está girando y el eje no. Si el aceite fuerza al pistón contra los discos, estos últimos se comprimirán formando un “sándwich” de fricción. Los discos del cilindro, al ser presionados contra los discos del eje, obligan a todo el mecanismo a girar como un conjunto unitario. Y así es como funciona un embrague hidráulico. Clark ha refinado este mecanismo elemental con una serie de mejoras que hay que comprender. Pero antes, hay que conocer unos cuantos principios básicos de hidráulica.

Aquí tenemos dos pistones en un cilindro lleno de aceite. Si se ejerce presión sobre el pistón A, el aceite transmitirá esta presión a todas las superficies interiores, pero la única que cederá ante esa presión será la cara inferior del otro pistón, B.

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Si los dos pistones son del mismo tamaño, al hacer presión sobre el pistón Al pistón B saldrá por el cilindro con la misma velocidad a que se presiona sobre el pistón A, y exactamente con la misma fuerza.

Si el pistón B es más pequeño que el pistón A, al hacer presión sobre el pistón A, el pistón B saldrá por el cilindro mucho más deprisa que a la velocidad a que se presione sobre A, pero con menos fuerza. Como se ve estamos transformando la fuerza en velocidad.

Si la superficie inferior del pistón B es mayor que la del pistón A, al presionar sobre el pistón A el pistón B saldrá de su cilindro más lentamente de lo que baja el A, pero con más fuerza. En este caso obtenemos fuerza a cambio de velocidad. Veamos que, el tamaño de la superficie del pistón determina la velocidad a que se mueve el pistón y la fuerza con que lo hace.

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Ahora estamos ya en condiciones de comprender la forma de trabajar del pistón escalonado de Clark. Este pistón tiene dos superficies. Cuando se envía el aceite al pistón, el fluido solo actúa inicialmente sobre la superficie pequeña del pistón escalonado, el cual se mueve rápidamente hacia los discos, pero no con su fuerza máxima.

Como los discos comprimidos oponen resistencia al movimiento del pistón, el aceite se ve forzado a rodear los bordes de la superficie menor del pistón y empieza a actuar sobre la superficie mayor ejerciendo una fuerza enorme. Hay embragues que utilizan un pistón con escalón hacia fuera y otros que usan un pistón con escalón hacia adentro. Cualquiera que sea el caso, se utiliza el mismo principio: a mayor superficie mayor fuerza. El pistón escalonado de diseño patentado por Clark, trabaja contra la resistencia de los discos del embrague para aplicar una gran fuerza con rapidez y suavidad. Hasta ahora, solamente hemos visto cómo se aplica el embrague. Veamos la manera de soltarlo.

Lo primero que hay que hacer es soltar la presión del aceite de la parte posterior del pistón. Esto permite que los muelles de retroceso del pistón, que habían sido comprimidos por el movimiento de éste, empujen a dicho pistón y lo separen de los discos. Pero la liberación de la presión del aceite no basta para hacer todo el trabajo. Parte del aceite puede escapar por el conducto de entrada.

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Pero como el cilindro está girando rápidamente, el aceite fluye, por la acción de la fuerza centrífuga, hacia el exterior del cilindro, haciendo difícil la salida del mismo por el conducto central. Ahora bien, si la fuerza centrífuga crea el problema, también la fuerza centrífuga puede resolverlo.

En una rampa del borde exterior del cilindro hay una bola de retención.

La fuerza centrífuga obliga a esta bola subir por la rampa, dejando libre un conducto de escape del aceite. Esta bola permite soltar rápidamente el embrague.

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Al volver a aplicar el embrague, la alta presión del aceite fuerza a la bola de retención a situarse sobre el cuello del conducto de escape impidiendo una pérdida de presión. Con esto, hemos aprendido dos de los refinamientos introducidos por Clark en el embrague hidráulico de una caja de cambios Power Shift: el pistón escalonado y la válvula de retención de bola. Pero hasta ahora no hemos considerado más que un esquema muy simplificado del embrague.

Este es otro esquema que ya da mejor una idea de la construcción real de este mecanismo:

Las superficies pequeña y grande del pistón escalonado...

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...los discos....

...los muelles de retroceso del pistón.

...el conducto de entrada...

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....y el conducto de escape con la bola de retención.

Repasemos ahora la forma en que el aceite acciona el embrague. El aceite a alta presión pasa por el conducto de entrada, forzando al pistón contra los discos y comprimiendo los muelles de retroceso.

Al dejar de aplicar presión, el aceite retrocede y escapa por el conducto de entrada, pero también lo hace por la válvula de retención de la bola, abierta por la fuerza centrífuga.

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Una caja de cambios Power Shift no es más que una serie de estos embragues que blocan entre sí engranajes y ejes para seleccionar diferentes relaciones de desmultiplicación o el punto muerto. Esta caja de cambios Power Shift tiene un embrague para cada una de las cuatro velocidades, más otro para marcha adelante y un último para marcha atrás. Es decir, una caja de cambios de cuatro velocidades tiene un total de seis embragues hidráulicos. En cualquier momento en que el vehículo se esté moviendo estarán acoplados de los embragues: el embrague de marcha adelante o el embrague de marcha atrás, y uno de los embragues de las cuatro velocidades.

Estos embragues se accionan mediante un dispositivo denominado válvula de mando de la caja de cambios, la cual va montada en la parte superior del cárter de la caja de cambios. Esta válvula de mando realiza dos funciones controla la presión del aceite sobre los embragues y permite o impide que el aceite fluya hacia los diferentes embragues...

...como si fuera un policía de tráfico que dirige el aceite por un camino y detiene el paso del que quiere ir por otro camino. Empecemos la presión.

por explicar cómo la válvula regula

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El aceite se bombea hacia la válvula mediante una bomba de engranajes, algunas veces denominada bomba de carga del convertidor. Pero los embragues sólo trabajan correctamente cuando lo hacen dentro de un margen limitado de presión.

La válvula reguladora de presión consiste en una corredera de cuero templado que se desplaza muy ajustada en un orificio. El aceite que entra en la caja de cambios procedente de la bomba de carga tiene que pasar por la válvula reguladora. Después de salir de esta válvula, el aceite accionará un embrague de velocidad y ahí se para. Al detenerse en el embrague el flujo del aceite aumenta la presión y el aceite fluye por un conducto que hay detrás de la corredera, obligando a ésta a moverse contra el muelle. A medida que la corredera se desplaza, va abriendo una lumbrera que permite que el exceso de aceite cargue al convertidor de par. Todo esto ocurre en una fracción de segundo.

El muelle que mantiene la tensión contra la corredera es lo que regula la presión del embrague en la caja de cambios.

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Para accionar los diferentes embragues se utilizan elementos muy similares.

Después de haber pasado el aceite por la corredera del regulador de presión, se dirige hacia la corredera de marcha adelante/marcha atrás. Cuando la corredera se encuentra en la posición que muestra la figura, se acciona el embrague de marcha adelante.

Y en esta posición acciona el de marcha atrás.

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Esta posición corresponde al punto muerto.

Inmediatamente al lado se encuentra la corredera que determina la primera, segunda, tercera o cuarta velocidad.

Primera...

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Segunda...

Tercera...

...o cuarta. Y como la corredera de marcha adelante/marcha atrás es independiente de la corredera de selección de velocidad, se puede tener cualquiera de estas velocidades, tanto en marcha atrás como en marcha adelante. Observamos, por tanto, que en una válvula de mando de caja de cambios intervienen, básicamente, tres correderas.

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En primer lugar, la corredera que regula la presión.

Después la que nos determina la marcha adelante o la marcha atrás.

Y, por último, la que selecciona la velocidad. En los manuales de taller hay diagramas más detallados en los que se explican los circuitos de potencia de las distintas transmisiones Power Shift.

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El diagrama ilustra el aumento gradual de la presión de la transmisión modulada. Y la figura, la válvula moduladora.

Bueno, esto es todo. Una transmisión Power Shift no es otra cosa que una serie de embragues que blocan entre si engranajes y ejes para seleccionar diferentes relaciones de desmultiplicación y las marchas adelante y atrás.

Y esta selección se lleva a cabo por medio de la válvula de mando de la caja de cambios que dirige el aceite a cualquiera de los embragues que seleccione el conductor.

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