Caja de cambios (gearbox): cómo transforma potencia y par

Una caja de cambios es un método mecánico para transferir energía de un dispositivo a otro, aumentando el par mientras reduce la velocidad. El par es la potencia generada por la flexión o torsión de un material sólido. A menudo se usa como sinónimo de transmisión.

Ubicada en el punto de unión de un eje de potencia, la caja de cambios suele crear un cambio de dirección en ángulo recto, como en segadoras rotativas o helicópteros. Cada unidad se diseña con un propósito específico y la relación de engranajes proporciona el nivel de fuerza requerido. Esta relación es fija e inmutable tras la construcción; la única modificación posible es un ajuste que aumente la velocidad del eje con una reducción correspondiente del par.

Cuando se necesitan múltiples velocidades, una transmisión con varios engranajes aumenta el par reduciendo la velocidad de salida. Este diseño es común en transmisiones de automóviles. El mismo principio permite crear una sobremarcha (overdrive) que aumenta la velocidad de salida disminuyendo el par.

Un aerogenerador ejemplifica una caja de cambios muy grande. La turbina gira lentamente con gran par. La transmisión convierte esa potencia en la mayor velocidad pero menor par del generador eléctrico. Por su tamaño y potencia, los aerogeneradores tienen múltiples engranajes y etapas para asegurar salida constante aunque la velocidad de rotación fluctúe.

En automóviles hay tres tipos de transmisión: automática, manual o continuamente variable (CVT). La manual ilustra mejor una caja de cambios simple. En automáticas y CVT, las cajas son sistemas cerrados con mínima intervención humana.

La transmisión manual tiene dos sistemas: engranajes deslizantes (sliding mesh) y engranajes engranados permanentemente (constant mesh). El sistema deslizante usa engranajes rectos de corte recto. Giran libremente y requieren que el conductor sincronice el cambio de velocidad. Si el cambio no se sincroniza bien, chocan produciendo un ruido fuerte de rechinamiento.

El sistema constant mesh tiene engranajes helicoidales o de doble hélice cortados en diagonal, permanentemente engranados. Conos de fricción o anillos sincronizadores suavizan el cambio. Este tipo suele encontrarse en coches de carreras y maquinaria agrícola.