A velocidade máxima de um automóvel depende da potência máxima do seu motor, desenvolvendo-se, está próximo do número máximo de rotações do motor.
As rodas do tipo médio, porém, apenas necessitam de girar à velocidade de 1000 r. p. m. , para percorrerem 110 km/h. , pelo que não podem ser ligadas diretamente ao motor. Deverá existir, portanto, um sistema que permita às rodas dar uma rotação completa enquanto o motor efetua quatro, o que se consegue por meio de uma desmultiplicação, ou redução, no diferencial.
É comum a relação de transmissão de 4:1 , entre a velocidade de rotação do motor e das rodas. Enquanto o automóvel se desloca a uma velocidade constante numa via plana, esta redução é suficiente. Contudo, se o automóvel tiver de subir uma encosta, a sua velocidade diminuirá e o motor começara a falhar.
A seleção de uma velocidade mais baixa (relação mais baixa) permite que o motor trabalhe a um maior número de rotações em relação às rodas, multiplicando-se assim o torque (binário motor).
Determinação das relações de desmultiplicações, ou redução – A desmultiplicação, ou redução, mínima numa caixa de cambio deverá elevar o torque o suficiente para que um automóvel, com a carga máxima, possa arrancar numa subida íngreme. Um automóvel de pequenas dimensões necessita de uma desmultiplicação, em primeira velocidade, de 3,5:1 e, normalmente, quando apresenta 4 velocidades, de 2:1 em segunda, 1,4:1 em terceira e 1:1 em Quarta, ou prise. Se estas relações forem multiplicadas por 4;1 , isto é, pela relação de transmissão entre a engrenagem do eixo do motor e a do trem fixo, as reduções resultantes entre as rotações do motor e as das rodas motrizes serão, respectivamente, 14:1, 8:1, 5,6:1 e 4:1. O mesmo automóvel, se for equipado com um motor mais potente, não necessitará de uma primeira velocidade tão baixa, pelo que as reduções da caixa de cambio poderão ser reguladas para 2,8:1, 1,8:1, 1,3:1 e 1:1. Quanto mais próximas forem as reduções numa caixa de cambio, mais fácil e rapidamente entrarão as mudanças.
Por outro lado, um motor mais potente poderá estar concebido de modo a permitir uma condução mais fácil., evitando que se tenham de mudar com frequência as mudanças. Esse efeito pode ser conseguido com uma caixa de 3 marchas mas não mais utilizado atualmente.
Engrenagem indireta – Nos automóveis que apresentam o motor e as rodas motrizes sobre o mesmo eixo, o diferencial situa-se normalmente entre o motor e a caixa de cambio para poupar espaço. A energia mecânica é transmitida à caixa de cambio por um eixo que passa acima do diferencial e transmitida a este por um eixo paralelo.
As engrenagens necessárias para se obterem as diferentes reduções encontram-se montadas nestes dois eixos.
Como se processa a mudança de marchas – Numa caixa de câmbio mudanças em que as engrenagens se encontram permanentemente engatadas, estas não podem estar todas fixas aos seus eixos pois, nesse caso, não seria possível o movimento.. Normalmente, todas as engrenagens de um eixo estão fixas a este, podendo as engrenagens dos outros eixos girarem à volta do seu próprio eixo até que se selecione uma desmultiplicação. Então, uma das engrenagens, torna-se solidária com o eixo, passando a transmitir a energia mecânica.
A fixação das engrenagens a um eixo processa-se por meio de sincronizadores estriados existentes neste último. Neste processo, cada sincronizador gira com o eixo podendo, contudo, deslizar ao longo deste para fixar as engrenagens, entre as quais está montado, ou permanecer solto, permitindo que as engrenagens girem livremente.
O engate móvel de dentes facilita a troca de marchas – Os sincronizadores tornan-se solidários com as rodas dentadas permanentemente engatadas pôr meio de um mecanismo designado pôr união de dentes.
Quando os dois conjuntos engatam, em consequência do deslizamento do sincronizador ao longo do eixo estriado, a engrenagem passa a girar solidária com aquele.
O sincronizador tem, normalmente uma série de dentes em cada face, de modo a poder engatar com as engrenagens dispostas de cada um dos seus lados. Num ponto intermédio o sincronizador não engata com nenhuma das duas rodas, pelo que estas podem girar livremente sem transmissão do movimento. Numa caixa de câmbio de prise direta existe ainda uma união de dentes móvel para ligar o eixo primário e o eixo secundário e permitir a transmissão direta do movimento às rodas, quando em prise.
Sincronização visando a mudança de velocidade
No tipo mais simples de caixa de câmbio de engrenagens sempre engatadas – atualmente já obsoleto – a mudança de velocidades fazia-se ruidosamente com esticões. Para que esta se processe mais suave e silenciosamente, os dois conjuntos de dentes devem atingir a mesma velocidade, de modo a poderem deslizar prontamente e sem se entrechocarem. Esta sincronização obtinha-se com uma breve parada no ponto morto quando se mudava de velocidade. Essa pausa em ponto morto permitia que o atrito e a resistência do óleo igualassem a velocidade de rotação do eixo primário e a da engrenagem ligada às rodas através da parte restante da transmissão.
Para encaixar uma mudança mais baixa, conseguia-se a sincronização por meio de uma dupla embreagem; isto é, passando para o ponto morto, acelerando o motor a fim de aumentar as rotações da engrenagem e desembreando novamente para engatar a velocidade apropriada.
Atualmente, os motoristas já não precisam de recorrer a uma dupla, graças à introdução de um dispositivo de sincronização nos colares deslizantes da caixa de cambio. Este dispositivo sincronizador existe, normalmente, para todas as velocidades, exceto a marcha ré. Alguns automóveis, contudo, não o possuem para a primeira velocidade.
O funcionamento do sistema sincronizador é idêntico ao de uma embreagem de fricção. Quando o sincronizador é forçado a deslizar de encontro à engrenagem na qual deve engrenar, um anel cônico existente na engrenagem, em frente dos dentes, entra em contato com a superfície de um orifício cônico – existente no sincronizador -, à qual se ajusta. O atrito resultante do contato das superfícies cônicas eleva ou reduz a velocidade da engrenagem livre até torna-la igual a velocidade do eixo primário.
Os mecanismos sincronizados atuais incluem um dispositivo que impede o movimento do sincronizador e não permite que os dentes engatem antes de se obter uma sincronização perfeita.
Se as peças em rotação não girarem à mesma velocidade, por a embreagem não estar devidamente desembreada, a alavanca de mudanças resistirá aos esforços do motorista para muda-la de posição.
Atualmente, são utilizados três sistemas diferentes que produzem todos eles os mesmos efeitos. Um deles recorre a um anel retardador que mantém separados os dois conjuntos de dentes até que aqueles girem à mesma velocidade.