Sincronización de engranajes
Los vehículos equipados con transmisiones manuales (MT), transmisiones manuales automatizadas (AMT) y transmisiones de doble embrague (DCT) necesitan sincronizadores de engranajes para realizar un cambio de marcha (cambio ascendente o descendente). El propósito de un sincronizador de engranajes es sincronizar las velocidades de los ejes de entrada y salida de una caja de cambios. durante un cambio de marcha, antes de engranar la siguiente marcha.
Dentro de una caja de cambios, los sincronizadores están ubicados entre dos marchas adyacentes. Por ejemplo, las marchas 1-2 comparten el mismo mecanismo de sincronización, las 3-4 otro y lo mismo para la 5-6. No es obligatorio montar un sincronizador de marchas para la marcha atrás (R) porque, para engranar R, el vehículo debe estar detenido (si está en movimiento) y la velocidad del eje de salida será cero. Sin embargo, hay transmisiones manuales que también tienen sincronizadores para la marcha atrás.
Para comprender mejor los componentes principales de una transmisión y cómo funcionan, lea el artículo Cómo funciona una transmisión manual.
¿Por qué necesitamos sincronizadores de engranajes?
Para una transmisión manual determinada, imaginemos que queremos cambiar de 1st engranaje a 2nd engranaje. Los parámetros de la transmisión son los siguientes:
nIN = 3500 rpm
i1 = 3.4
i2 = 2.5
i0 = 3.1
nOUT = ?
dónde:
nIN [rpm] – velocidad del eje de entrada
nOUT [rpm] – velocidad del eje de salida
i1 [-] – relación de transmisión, 1st engranaje
i2 [-] – relación de transmisión, 2nd engranaje
i0 [-] – relación de transmisión, mando final (diferencial)
La marcha de arranque es la 1st engranaje. Cuando el conductor quiere activar los 2nd marcha, primero debe desconectar el motor de la transmisión, usando el pedal del embrague. Esto es necesario porque el cambio de marcha en una transmisión con mecanismos de engranajes simples, que están engranados (engranados) continuamente, no se puede realizar mientras el par motor se transmite a través de los engranajes, por lo que el embrague debe estar abierto.
Para pasar de 1st engranaje a 2nd marcha, la transmisión debe pasar a neutral por un corto período de tiempo.
En la imagen de abajo podemos visualizar el flujo de potencia del motor a través del 1st y 2nd engranajes. Para cada marcha vamos a calcular la velocidad de los ejes de entrada y salida.
cuando el 1st Cuando la marcha está engranada, la velocidad del eje de salida es:
Si queremos involucrar a los 2nd engranaje, la velocidad del eje de entrada debe ser:
Esto significa que el eje de entrada debe ser desacelerado desde 3500 rpm hasta 2573 rpm. Si se tuviera que realizar un cambio descendente 2-1, el eje de entrada debía ser acelerado de 2573 rpm a 3500 rpm. Aquí es cuando entran en juego los sincronizadores.
El sincronizador actúa como un embrague de fricción y desacelera (cambio ascendente) o acelera (cambio descendente) el eje de entrada, para igualar la velocidad de la siguiente marcha.
Imagen: Esquema de la caja de cambios con nombres de componentes
¿Cómo funciona un sincronizador de engranajes?
Los sincronizadores son esenciales para el cambio de marchas en transmisiones manuales. Su propósito es hacer coincidir (ajustar) la velocidad del eje de entrada (engranajes y masa secundaria del embrague) con el eje de salida (rueda).
Hay varios tipos de sincronizadores utilizados para transmisiones manuales. La forma más común de clasificación es en función del número de elementos de fricción (conos de fricción). Por tanto, tenemos:
- sincronizador de un solo cono
- sincronizador de doble cono
- sincronizador de triple cono
Imagen: Sincronizador de cono simple
Crédito: VW
- rueda de engranaje
- anillo sincronizador
- anillo de resorte
- elemento de bloqueo (puntal)
- cubo sincronizador (cuerpo)
- manga deslizante
Imagen: Conjunto del sincronizador de engranajes
Crédito: VW
El rueda de engranaje (1) está montado en el eje de salida de la caja de cambios. Puede girar con respecto al eje (movimiento radial) pero no puede tener un movimiento axial a lo largo del eje. Entre la rueda dentada y el eje se encuentran normalmente rodamientos de agujas que facilitan la rotación.
La rueda dentada tiene un “engranaje de embrague” integrado con cono de fricción. El engranaje del embrague se compone de un dentado de bloqueo y un cono de fricción. se llama un engranaje de embrague porque tiene la función de embrague, para engranar suavemente la próxima rueda dentada.
El engranaje del embrague hace coincidir la velocidad de la rueda dentada con la velocidad del cubo sincronizador. El montaje en la rueda dentada se realiza mediante prensa o soldadura por láser. Cuando se engrana el engranaje, los dientes externos (con bisel en ambos lados de los dientes) se entrelazarán con el bisel en los dientes internos de la manga de cambio.
Imagen: rueda dentada
El anillo sincronizador (2) también llamado anillo de bloqueo, anillo de bloqueo o anillo de fricción, tiene una superficie cónica que entra en contacto con el cono de fricción de la rueda dentada. El propósito del anillo sincronizador es producir un par de fricción para desacelerar/acelerar el eje de entrada durante un cambio de marcha.
El anillo sincronizador forma, junto con el cono de fricción de la rueda dentada, un “embrague cónico” que se puede acoplar y desacoplar mediante deslizamiento.
La superficie interior del anillo sincronizador tiene patrones roscados o ranurados para evitar la formación de cualquier película de aceite hidrodinámico. Si se crea una película de aceite entre el anillo sincronizador y el cono de fricción de la rueda dentada, se necesitarán mayores fuerzas de empuje y más tiempo para sincronizar las velocidades de los ejes.
Imagen: Anillo sincronizador
El elementos de bloqueo (4), también llamados chavetas de sincronizador, mecanismo central, chavetas de puntal o puntales alados están dispuestas en la circunferencia del cuerpo del sincronizador, en ranuras específicas, entre el manguito del sincronizador y el cubo del sincronizador.
Los elementos de bloqueo giran junto con el cubo sincronizador (5) y pueden moverse axialmente con respecto al casquillo deslizante (6). Los puntales se utilizan para la sincronización preliminar, lo que significa que generan la carga en el anillo sincronizador para realizar el proceso de sincronización.
Cuando está en punto muerto (sin marcha seleccionada), los elementos de bloqueo mantienen el casquillo deslizante en una posición central en el cubo sincronizador, entre ambas ruedas dentadas. Habitualmente, el conjunto sincronizador dispone de 3 elementos de bloqueo, distribuidos en un ángulo de 120°. En el caso de sincronizadores grandes, pueden existir 4 elementos de bloqueo distribuidos a 90°.
Imagen: concentrador sincronizador
El cubo sincronizador (5) está montado en el eje de salida, conectado rígidamente por una ranura. Puede moverse en la dirección axial pero no girar con respecto al eje. Contiene ranuras específicas que contendrán los elementos de bloqueo.
El resortes de anillo (3) se colocan a cada lado del cubo sincronizador y están destinados a mantener las cuñas del puntal en las ranuras designadas.
El manga deslizante (6), también llamado manguito de cambio, manguito sincronizador o manguito de acoplamiento, tiene en el lado externo una ranura radial para la horquilla de cambio. El interior tiene estrías que están en constante engrane con las estrías externas del cubo sincronizador. El manguito deslizante sólo puede moverse en dirección axial (izquierda-derecha), desde una posición neutral hasta una posición acoplada.
Imagen: Manga deslizante
Fases de sincronización de marchas
El proceso de sincronizacióncon el manguito deslizante comenzando desde una posición neutra (central) y terminando con un enganche total del engranaje, se puede describir en cinco pasos, como se muestra en la imagen siguiente.
El proceso de sincronización se describirá utilizando los parámetros:
F [N] – palanca de cambios fuerza
Δω [rad/s] – diferencia de velocidad entre la rueda dentada y el cubo sincronizador
TF [Nm] – par de fricción entre el anillo sincronizador y el cono de fricción
Ti [Nm] – par de inercia del eje de entrada, de los engranajes y de la masa secundaria del embrague
Imagen: Proceso de sincronización del cambio de marchas
Fase 1: asincronización
Antes de que comience el proceso de cambio de marchas, los elementos de bloqueo mantienen el casquillo deslizante en la posición intermedia. La fuerza del cambio genera el movimiento axial del casquillo deslizante, que empuja el anillo sincronizador hacia adelante contra el piñón cónico de fricción. La diferencia de velocidad entre la rueda dentada y el anillo sincronizador provoca la rotación del anillo sincronizador.
Fase 2: Sincronización (bloqueo)
Esta es la fase principal de la sincronización de velocidad. El casquillo deslizante se empuja más, lo que hace que las estrías internas (dientes) del casquillo deslizante y los dientes del anillo sincronizador entren en contacto. En esta fase, el par de fricción comienza a contrarrestar el par de inercia y la diferencia de velocidad comienza a disminuir.
Fase 3: Desbloqueo (girar hacia atrás el anillo sincronizador)
La fuerza de cambio se mantiene en el anillo sincronizador a través de los elementos de bloqueo y el casquillo deslizante. Cuando se logra la sincronización de la velocidad, la fuerza de fricción se reduce a cero y el anillo sincronizador se gira ligeramente hacia atrás.
Fase 4: Engranaje (buje sincronizador de giro)
El casquillo deslizante pasa a través del dentado del anillo sincronizador y entra en contacto con el dentado de bloqueo de la rueda dentada.
Fase 5: Enganche (bloqueo de marchas)
El casquillo deslizante se ha introducido completamente en el dentado de bloqueo de la rueda dentada. Los conos posteriores en el dentado del casquillo deslizante y el dentado de bloqueo del piñón evitan el desacoplamiento bajo carga.
Control de posición de engrane de marcha
En transmisiones manuales automatizadas (AMT) y transmisiones de doble embrague (DCT), la posición de la horquilla de cambio (manguito deslizante) se controla con sensores de posición.
En la imagen de abajo podemos ver cómo la posición del manguito deslizante cambia durante el proceso de cambio de marcha. El puesto se divide en cinco fases:
- Enfoque sincronizador
- Sincronización
- Engranaje de engranajes
- Retención de marcha
- engranaje relajarse
Imagen: Control de posición del cambio de marchas
En el Enfoque sincronizador En el estado (A), la horquilla de cambio (manguito deslizante) comienza desde una posición central y comienza a moverse hacia el anillo sincronizador. Cuando la posición de la horquilla de cambio permanece constante (P1), después del movimiento, significa que el anillo sincronizador ha golpeado el cono de fricción de la rueda dentada.
En esta fase se controla la posición (velocidad) de la horquilla de cambio y no la fuerza de cambio (fuerza de empuje). La fuerza de desplazamiento suele ser de entre 60 y 120 N.
Una vez detectado el contacto entre el anillo sincronizador y el cono de fricción, el Sincronización Comienza la fase (B). En esta fase la posición de la horquilla de cambio es constante y la fuerza de empuje aumenta gradualmente. Debido al par de fricción, el eje de entrada comienza a desacelerar. El final de esta fase es cuando la velocidad de los ejes de entrada y salida están sincronizadas (P2).
El Engranaje de engranajes La fase (C) comienza cuando la horquilla de cambio comienza a moverse nuevamente. En esta fase el casquillo deslizante pasa por el anillo sincronizador y comienza a engranar con el dentado de bloqueo de la rueda dentada. La fase finaliza cuando el casquillo deslizante alcanza la posición final y ya no puede avanzar.
En esta fase es fundamental tener un control preciso de la posición (velocidad) de la horquilla de cambio. Si se mueve demasiado rápido, al final de la carrera chocará contra la rueda dentada, provocando ruido de engranaje y posibles daños mecánicos.
Después de que la horquilla de cambio haya alcanzado la posición final, Retención de marcha Comienza la fase (D). En esta fase se mantiene una fuerza de empuje elevada sobre la horquilla de cambio durante un período de tiempo determinado, para garantizar que el engrane de la marcha sea completo.
En el engranaje relajarse (E), ya no se aplica fuerza sobre la horquilla de cambio y el engranaje se mantiene en su lugar debido al bloqueo mecánico del manguito deslizante con la rueda dentada.
La longitud total del recorrido de la horquilla de cambio puede ser de alrededor de 8 a 12 mm, con el punto de sincronización comenzando en 3 a 6 mm.
Fuerza de cambio de marchas (crédito: Hoerbiger)
El tamaño y cálculo del mecanismo sincronizador debe tener en cuenta varios parámetros, como:
- espacio de instalación
- Inercia mecánica para sincronizar.
- diferencia de velocidad del eje a sincronizar
- par a transmitir
- propiedades del aceite de transmisión
- parámetros de calidad del cambio de marchas
- sincronizando el tiempo
- longitud del recorrido de la horquilla de cambio
- fuerza máxima de cambio
- par de arrastre
- ciclos de carga
- interfaces
- datos spline
- holgura de las ruedas dentadas
- Tamaño de la ranura del manguito
La capacidad de un sincronizador está limitada por
- capacidad de par del casquillo deslizante, el cubo del engranaje y el dentado de bloqueo de la rueda dentada
- Capacidad del material de fricción (velocidad de deslizamiento, presión superficial, potencia de fricción, trabajo de fricción).
- disipación de calor a través del aceite, el anillo de sincronización y el cono de fricción
- Aceite de transmisión (viscosidad y estabilidad térmica).
El fuerza de cambio en el casquillo deslizante Fa [N] se calcula con la fórmula (fuente: Hoerbiger):
dónde:
α [rad] – ángulo del cono de fricción
j [kg·m2] – inercia de masa del eje de entrada, engranajes y embrague secundario
Δω [rad/s] – diferencia de velocidad de sincronización
nc [-] – número de conos
µ [-] – coeficiente de fricción del cono de fricción
dm [m] – diámetro medio del cono de fricción
TF [Nm] – par de fricción
La reducción de la fuerza de cambio en el manguito se puede realizar mediante:
- aumentando el diámetro del cono de fricción medio
- aumentar el número de conos de fricción (utilizando sincronizadores de doble o triple cono)
- aumentando el coeficiente de fricción
- reduciendo el ángulo del cono de fricción
Tiempos de cambio de marchas
El proceso de cambio de marchas es el mismo para cambios ascendentes y descendentes, pero los tiempos de cambio son diferentes. Durante un cambio ascendente, se debe reducir la velocidad del eje de entrada. Dado que hay pérdidas por fricción entre las partes móviles, la desaceleración del eje será más rápida.
Por otro lado, cuando se realiza una reducción de marcha, es necesario acelerar el eje de entrada. Las mismas pérdidas por fricción actuarán de la misma manera que intenta frenar el eje. Por lo tanto, se requiere un par de fricción más alto y un tiempo de sincronización más largo para sincronizar los ejes durante un cambio descendente.
El tiempo total de cambio para una transmisión manual depende principalmente del conductor y puede oscilar entre 0,5 y 2,0 s. Algunas transmisiones de doble embrague (DCT) de alto rendimiento pueden alcanzar tiempos de cambio de alrededor de 10 ms.
Sincronizador de doble cono
Generalmente se utiliza un mecanismo sincronizador de doble cono para el 1st y 2nd engranajes. El mecanismo sincronizador de doble cono es un dispositivo compacto capaz de realizar engranajes de alta resistencia. El mecanismo sincronizador reduce el tiempo de engrane (cambio de marchas) y mejora el funcionamiento (se requiere menos fuerza para engranar la marcha). El mecanismo de sincronización de doble cono incluye un anillo sincronizador, un doble cono y un cono interior.
Imagen: Sincronizador de doble cono (juego completo)
- rueda de engranaje
- dentado de bloqueo
- rodamiento de agujas
- cono interior
- doble cono
- anillo sincronizador
- cubo de engranaje
- manga deslizante
- elementos de bloqueo
Ejemplo de caja de cambios manual con diferentes mecanismos de sincronización
Transmisión Getrag Manualshift 6MTI550.
Imagen: Transmisión manual Getrag 6MTI550
Beneficios clave:
- Sistema modular para aplicaciones de par medio y alto, opcional 7ma velocidad posible
- Alta capacidad de par con bajo peso
- Listo para sistema start-stop (detección de marcha)
- Relación de transmisión flexible desparramar
Características clave:
| Parámetro | Valor | Observación |
| Par de entrada máximo [Nm] | 550 | mayor par posible |
| Peso [kg] | 44 | seco, sin volante bimasa (DMF) |
| Longitud de instalación [mm] | 630 | para una longitud de embrague de 156 mm |
| Relación de distribución de engranajes [-] | 5,5 – 6,9 | > 7 también posible |
| Distancia central [mm] | 88 | |
| Mecanismo de sincronización | ||
| 1st y 2nd engranaje | triple cono | |
| 3er engranaje | doble cono | |
| 4ta a 6ta y marcha atrás | un solo cono | |
| Otros | concepto de engranaje constante en el eje de salida Posibilidad de aplicación con tracción total. 7ma velocidad posible | |
Fuente: Getrag
Vídeo – proceso de sincronización del cambio de marchas
En el vídeo siguiente puedes ver claramente las fases de sincronización y cambio de posición de la horquilla.