Caja de cambios

PROPOSITO DE LA CAJA DE VELOCIDADES
Los automóviles precisan de una caja de cambios debido a la forma de funcionamiento de los motores:

Todo motor tiene un número límite de rpm
La potencia y el torque máximos se obtienen sólo en una estrecha franja de rpm.

La caja de cambios posibilita el funcionamiento en esa banda de velocidades cercana a la de mayor rendimiento a través de las relaciones de engranajes entre motor y ruedas motrices. Lo ideal sería que fuera lo suficientemente flexible como para funcionar siempre en el valor máximo de eficiencia del motor. Esa es la idea detrás de la "transmisión variable continua" (CVT en inglés), donde habría infinitas relaciones de engranajes. Esto, que era impensable en el pasado por el costo, tamaño y confiabilidad para un auto de serie, está esbozándose como lo que vendrá (como el Toyota Prius, coche híbrido).
La caja de marchas se conecta al motor a través de un embrague. El eje de entrada a la caja, por lo tanto, gira la misma velocidad que el motor.

(de donde: engine=motor, clutch=embrague, transmission= caja de cambios, U-joint=cruceta Confused

, drive shaft=eje de transmisión, rear wheel=rueda trasera)

EJEMPLO DE CAJA SIMPLE
La siguiente secuencia muestra el pasaje desde punto muerto a un determinado cambio.

(de donde: gear selector fork=horquilla de la selectora Confused

, collar=collarín Confused

, from engine=del motor, to differential=al diferencial, layshaft=engranajes intermedios Confused

)
Veamos entonces:

El eje verde viene desde el motor a través del embrague (que permite efectuar un cambio, desconectando motor de caja). Este eje y el engranaje verde son una unidad.
El eje y los engranajes rojos en conjunto, porque también conforman una sola pieza, se llama tren intermediario o intermedio. El eje rojo y el verde se giran simultáneamente por el engrane de sus ruedas dentadas; de esta forma, cuando el motor está desembragado, el intermediario recibe toda la potencia directamente del motor.
El eje amarillo está ranurado y se conecta a través del eje de transmisión con el diferencial y de éste a las ruedas motrices. Si las ruedas giran, este eje gira.
Los engranajes azules giran libres alrededor del eje amarillo.
El collarín tiene el propósito de conectar uno de los engranajes azules al eje amarillo. Esto se logra debido a las salientes del collarín que calzan en el ranurado del eje amarillo y a los dentados laterales ("dientes de perro" ) que se insertan en los orificios de los engranes azules.

De este ejemplo se desprenden algunas cuestiones:

Si no se realiza bien la maniobra de embragado, se escuchará un horrible sonido de los dientes laterales del collarín tratando de acoplar al engranaje azul.
El ejemplo no posee "sincronizadores" (ver más adelante), por lo que se requerirá hacer la maniobra de "doble embrague" (usado con autos antiguos, con los cuales se debía presionar el embrague para desenganchar el motor de la caja, se libera el collarín a posición neutral, se desembraga para llevar al motor a régimen de la siguiente marcha, se vuelve a embragar, se conecta el collarín al engranaje correspondiente, para finalmente desembragar).
Se puede apreciar cómo se puede conmutar marchas con un simple movimiento de palanca

MODELO PARA CAJAS DE 4 MARCHAS Y REVERSA
Presionando el botón de la esquina inferior izquierda, se opaca/trasluce el collarín y seleccionando cada una de las posiciones de la palanca, se moverá la caja.

( http://static.howstuffworks.com/flash/transmission.swf )

Esquemáticamente sería algo así:

(de donde: idler gear=engranaje libre para la marcha atrás)
Hay 3 horquillas controladas por 3 barras que enganchan con la palanca de cambios. Mirándola desde arriba, se verían así en punto muerto, 1°, 2° y 3°:

SINCRONIZADORES

Las cajas manuales actuales incorporan sincronizadores para eliminar la maniobra de "doble embrague". El propósito es de permitir que roce entre el collarín y el engranaje antes que el dentado lateral acople. Si bien cada fabricante tiene su sistema, en general la idea es la siguiente.

El cono en el engranaje azul encaja en la zona cónica del collarín, y la fricción entre el cono y el collarín ayuda a sincronizar a éste con el engranaje. La parte externa del collarín entonces se desliza para engranar los dientes laterales.

(traducido de http://auto.howstuffworks.com/transmission.htm/printable )