Cómo funcionan los diferenciales

  • Thomas Dalton
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El diferencial es un dispositivo que divide el par del motor de dos maneras, permitiendo que cada salida gire a una velocidad diferente..

El diferencial se encuentra en todos los automóviles y camiones modernos, y también en muchos vehículos con tracción en las cuatro ruedas (tracción en las cuatro ruedas a tiempo completo). Estos vehículos con tracción en las cuatro ruedas necesitan un diferencial entre cada juego de ruedas motrices, y también necesitan uno entre las ruedas delanteras y traseras, porque las ruedas delanteras recorren una distancia diferente a través de un giro que las ruedas traseras..

Los sistemas de tracción en las cuatro ruedas de tiempo parcial no tienen un diferencial entre las ruedas delanteras y traseras; en cambio, se bloquean entre sí para que las ruedas delanteras y traseras tengan que girar a la misma velocidad media. Es por eso que estos vehículos son difíciles de girar sobre concreto cuando el sistema de tracción en las cuatro ruedas está activado..

Comenzaremos con el tipo de diferencial más simple, llamado diferencial abierto. Primero, necesitaremos explorar algo de terminología: la siguiente imagen etiqueta los componentes de un diferencial abierto.

Cuando un automóvil circula en línea recta por la carretera, ambas ruedas motrices giran a la misma velocidad. los piñón de entrada está girando la corona y la jaula, y ninguno de los piñones dentro de la jaula está girando; ambos engranajes laterales están efectivamente bloqueados a la jaula.

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Animación cortesía de Geebee's Vector Animations

Tenga en cuenta que el piñón de entrada es un engranaje más pequeño que la corona; esta es la última reducción de marcha del automóvil. Es posible que haya escuchado términos como relación del eje trasero o relación de transmisión final. Estos se refieren a la relación de transmisión en el diferencial. Si la relación de transmisión final es 4.10, entonces la corona tiene 4.10 veces más dientes que el piñón de entrada. Consulte Cómo funcionan los engranajes para obtener más información sobre las relaciones de engranajes..

Cuando un automóvil gira, las ruedas deben girar a diferentes velocidades..

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Animación cortesía de Geebee's Vector Animations

En la figura anterior, puede ver que los piñones de la jaula comienzan a girar cuando el automóvil comienza a girar, lo que permite que las ruedas se muevan a diferentes velocidades. La rueda interior gira más lento que la jaula, mientras que la rueda exterior gira más rápido..

Diferencial abierto: recto (600 KB)

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Diferencial abierto - Girar (1.1MB)

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El diferencial abierto siempre aplica la misma cantidad de esfuerzo de torsión a cada rueda. Hay dos factores que determinan cuánto torque se puede aplicar a las ruedas: equipamiento y tracción. En condiciones secas, cuando hay mucha tracción, la cantidad de torque aplicado a las ruedas está limitada por el motor y el cambio; en una situación de baja tracción, como cuando se conduce sobre hielo, la cantidad de torque se limita a la mayor cantidad que no hará que una rueda patine en esas condiciones. Entonces, aunque un automóvil pueda producir más torque, debe haber suficiente tracción para transmitir ese torque al suelo. Si le da más gasolina al automóvil después de que las ruedas comienzan a patinar, las ruedas girarán más rápido.

En hielo delgado

Si alguna vez ha conducido sobre hielo, es posible que conozca un truco que facilita la aceleración: si comienza en segunda, o incluso en tercera, en lugar de en primera, debido al cambio en la transmisión, tendrá menos torque disponible. a las ruedas. Esto facilitará la aceleración sin hacer girar las ruedas..

Ahora bien, ¿qué sucede si una de las ruedas motrices tiene buena tracción y la otra está en hielo? Aquí es donde entra el problema con los diferenciales abiertos.

Recuerde que el diferencial abierto siempre aplica el mismo par a ambas ruedas, y la cantidad máxima de par está limitada a la cantidad máxima que no hará que las ruedas patinen. No se necesita mucho torque para hacer que un neumático se deslice sobre el hielo. Y cuando la rueda con buena tracción solo recibe la cantidad muy pequeña de torque que se puede aplicar a la rueda con menos tracción, su automóvil no se moverá mucho..

Fuera del camino

Otro momento en el que los diferenciales abiertos pueden meterte en problemas es cuando conduces fuera de la carretera. Si tiene una camioneta con tracción en las cuatro ruedas o un SUV con un diferencial abierto tanto en la parte delantera como en la trasera, podría quedarse atascado. Ahora, recuerde, como mencionamos en la página anterior, el diferencial abierto siempre aplica el mismo torque a ambas ruedas. Si uno de los neumáticos delanteros y uno de los neumáticos traseros se despega del suelo, simplemente girarán sin poder hacer nada en el aire y usted no podrá moverse en absoluto..

La solución a estos problemas es la diferencial de deslizamiento limitado (LSD), a veces llamado Posicionamiento. Los diferenciales de deslizamiento limitado utilizan varios mecanismos para permitir una acción diferencial normal al dar la vuelta. Cuando una rueda patina, permiten que se transfiera más torque a la rueda antideslizante..

Las siguientes secciones detallarán algunos de los diferentes tipos de diferenciales de deslizamiento limitado, incluido el LSD tipo embrague, el acoplamiento viscoso, el diferencial de bloqueo y el diferencial Torsen..

El diferencial de deslizamiento limitado tipo embrague agrega un paquete de resortes y un juego de embragues al diferencial abierto. Imagen cortesía de la División de Productos de Control de Torque de Eaton Automotive Group

El LSD de tipo embrague es probablemente la versión más común del diferencial de deslizamiento limitado.

Este tipo de LSD tiene todos los mismos componentes que un diferencial abierto, pero agrega un paquete de primavera y un conjunto de embragues. Algunos de estos tienen un embrague de cono que es como los sincronizadores en una transmisión manual.

El paquete de resortes empuja los engranajes laterales contra los embragues, que están unidos a la jaula. Ambos engranajes laterales giran con la jaula cuando ambas ruedas se mueven a la misma velocidad y los embragues no son realmente necesarios; la única vez que los embragues intervienen es cuando sucede algo que hace que una rueda gire más rápido que la otra, como en un turno. Los embragues luchan contra este comportamiento, queriendo que ambas ruedas vayan a la misma velocidad. Si una rueda quiere girar más rápido que la otra, primero debe dominar el embrague. La rigidez de los resortes combinada con la fricción del embrague determina la cantidad de torque que se necesita para dominarlo..

Volviendo a la situación en la que una rueda motriz está sobre el hielo y la otra tiene buena tracción: con este diferencial de deslizamiento limitado, aunque la rueda sobre el hielo no es capaz de transmitir mucho torque al suelo, la otra rueda todavía obtiene el par que necesita para moverse. El par de torsión suministrado a la rueda que no está sobre el hielo es igual a la cantidad de torsión que se necesita para dominar los embragues. El resultado es que puedes seguir adelante, aunque todavía no con toda la potencia de tu coche..

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Los acoplamiento viscoso se encuentra a menudo en vehículos con tracción total. Se usa comúnmente para unir las ruedas traseras a las ruedas delanteras de modo que cuando un juego de ruedas comience a patinar, el torque se transfiera al otro juego..

El acoplamiento viscoso tiene dos juegos de placas dentro de una carcasa sellada que se llena con un fluido espeso, como se muestra a continuación. Un juego de placas está conectado a cada eje de salida. En condiciones normales, ambos juegos de placas y el fluido viscoso giran a la misma velocidad. Cuando un juego de ruedas intenta girar más rápido, quizás porque se está deslizando, el juego de placas correspondiente a esas ruedas gira más rápido que el otro. El fluido viscoso, atrapado entre las placas, intenta alcanzar a los discos más rápidos, arrastrando a los más lentos. Esto transfiere más torque a las ruedas de movimiento más lento, las ruedas que no se deslizan..

Cuando un automóvil está girando, la diferencia de velocidad entre las ruedas no es tan grande como cuando una rueda patina. Cuanto más rápido giran las placas entre sí, más torque transfiere el acoplamiento viscoso. El acoplamiento no interfiere con los giros porque la cantidad de torque transferido durante un giro es muy pequeña. Sin embargo, esto también destaca una desventaja del acoplamiento viscoso: no se producirá ninguna transferencia de par hasta que una rueda comience a patinar..

Un simple experimento con un huevo ayudará a explicar el comportamiento del acoplamiento viscoso. Si coloca un huevo en la mesa de la cocina, la cáscara y la yema están estacionarias. Si de repente gira el huevo, la cáscara se moverá a una velocidad más rápida que la yema durante un segundo, pero la yema alcanzará rápidamente. Para demostrar que la yema está girando, una vez que el huevo esté girando, deténgalo rápidamente y luego suéltelo; el huevo comenzará a girar nuevamente (a menos que esté duro). En este experimento, usamos la fricción entre la cáscara y la yema para aplicar fuerza a la yema y acelerarla. Cuando detuvimos la cáscara, esa fricción, entre la yema aún en movimiento y la cáscara, aplicó fuerza a la cáscara, lo que hizo que se acelerara. En un acoplamiento viscoso, la fuerza se aplica entre el fluido y los conjuntos de placas de la misma manera que entre la yema y la cáscara..

Imagen cortesía de la División de Productos de Control de Torque de Eaton Automotive Group

los diferencial de bloqueo es útil para vehículos todoterreno serios. Este tipo de diferencial tiene las mismas partes que un diferencial abierto, pero agrega un mecanismo eléctrico, neumático o hidráulico para bloquear los dos piñones de salida juntos.

Este mecanismo generalmente se activa manualmente mediante un interruptor, y cuando se activa, ambas ruedas girarán a la misma velocidad. Si una rueda se levanta del suelo, la otra rueda no lo sabrá ni le importará. Ambas ruedas seguirán girando a la misma velocidad como si nada hubiera cambiado..

los Diferencial de Torsen* es un dispositivo puramente mecánico; no tiene electrónica, embragues ni fluidos viscosos.

-El Torsen (de ColinaWhat Sensing) funciona como un diferencial abierto cuando la cantidad de par que va a cada rueda es igual. Tan pronto como una rueda comienza a perder tracción, la diferencia de par hace que los engranajes del diferencial Torsen se unan. El diseño de los engranajes del diferencial determina la relación de polarización de par. Por ejemplo, si un diferencial Torsen en particular está diseñado con una relación de polarización de 5: 1, es capaz de aplicar hasta cinco veces más torque a la rueda que tiene buena tracción..

Estos dispositivos se utilizan a menudo en vehículos de tracción total de alto rendimiento. Al igual que el acoplamiento viscoso, a menudo se utilizan para transferir potencia entre las ruedas delanteras y traseras. En esta aplicación, el Torsen es superior al acoplamiento viscoso porque transfiere el par a las ruedas estables antes de que ocurra el deslizamiento real..

Sin embargo, si un juego de ruedas pierde tracción por completo, el diferencial Torsen no podrá suministrar ningún par al otro juego de ruedas. La relación de polarización determina cuánto par de torsión se puede transferir, y cinco veces cero es cero.

*TORSEN es una marca registrada de Zexel Torsen, Inc.

Hummer!

El HMMWV, o Hummer, usa diferenciales Torsen® en los ejes delantero y trasero. El manual del propietario del Hummer propone una solución novedosa al problema de que una rueda se despegue del suelo: aplique los frenos. Al aplicar los frenos, se aplica torque a la rueda que está en el aire, y luego cinco veces ese torque puede ir a la rueda con buena tracción..

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  • Powertrax



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