Cómo funciona la tracción en las cuatro ruedas

Los Hummers funcionan con tracción en las cuatro ruedas. Ver imágenes de todoterreno.

Hay casi tantos tipos diferentes de sistemas de tracción en las cuatro ruedas como vehículos con tracción en las cuatro ruedas. Parece que cada fabricante tiene varios esquemas diferentes para proporcionar potencia a todas las ruedas. El lenguaje utilizado por los diferentes fabricantes de automóviles a veces puede ser un poco confuso, así que antes de comenzar a explicar cómo funcionan, aclaremos algo de terminología:

• Tracción en las cuatro ruedas - Por lo general, cuando los fabricantes de automóviles dicen que un automóvil tracción en las cuatro ruedas, se refieren a un medio tiempo sistema. Por razones que exploraremos más adelante en este artículo, estos sistemas están diseñados solo para usarse en condiciones de baja tracción, como fuera de la carretera o sobre nieve o hielo..
• Todas las ruedas motrices - Estos sistemas a veces se denominan tracción en las cuatro ruedas a tiempo completo. Los sistemas de tracción en las cuatro ruedas están diseñados para funcionar en todo tipo de superficies, tanto dentro como fuera de la carretera, y la mayoría de ellos no se pueden apagar..

Los sistemas de tracción en las cuatro ruedas a tiempo parcial y a tiempo completo pueden evaluarse utilizando los mismos criterios. El mejor sistema enviará exactamente la cantidad correcta de torque a cada rueda, que es el torque máximo que no hará que el neumático patine..

En este artículo, explicaremos los fundamentos de la tracción en las cuatro ruedas, comenzando con algunos antecedentes sobre la tracción y veremos los componentes que componen un sistema de tracción en las cuatro ruedas. Luego echaremos un vistazo a un par de sistemas diferentes, incluido el que se encuentra en el Hummer, fabricado para GM por AM General..

Necesitamos saber un poco sobre esfuerzo de torsión, tracción y deslizamiento de la rueda antes de que podamos comprender los diferentes sistemas de tracción en las cuatro ruedas que se encuentran en los automóviles.

El par es la fuerza de torsión que produce el motor. El par del motor es lo que mueve su automóvil. Las distintas marchas de la transmisión y el diferencial multiplican el par y lo reparten entre las ruedas. Se puede enviar más torque a las ruedas en la primera marcha que en la quinta porque la primera marcha tiene una relación de transmisión más grande para multiplicar el torque..

El gráfico de barras a continuación indica la cantidad de torque que está produciendo el motor. La marca en el gráfico indica la cantidad de torque que causará que la rueda patine. El coche que arranca bien nunca supera este par, por lo que los neumáticos no patinan; el coche que arranca mal supera este par, por lo que los neumáticos patinan. Tan pronto como comienzan a deslizarse, el torque cae casi a cero.

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Lo interesante del par es que en situaciones de baja tracción, la cantidad máxima de par que se puede crear está determinada por la cantidad de tracción, no por el motor. Incluso si tiene un motor NASCAR en su automóvil, si los neumáticos no se pegan al suelo, simplemente no hay forma de aprovechar esa potencia..

Por el bien de este artículo, definiremos tracción como la cantidad máxima de fuerza que el neumático puede aplicar contra el suelo (o que el suelo puede aplicar contra el neumático, son lo mismo). Estos son los factores que afectan la tracción:

El peso del neumático -- Cuanto más peso tenga un neumático, más tracción tendrá. El peso puede cambiar a medida que se conduce un automóvil. Por ejemplo, cuando un automóvil gira, el peso se desplaza hacia las ruedas exteriores. Cuando acelera, el peso se traslada a las ruedas traseras. (Consulte Cómo funcionan los frenos para obtener más detalles).

El coeficiente de fricción -- Este factor relaciona la cantidad de fuerza de fricción entre dos superficies con la fuerza que mantiene juntas las dos superficies. En nuestro caso, relaciona la cantidad de tracción entre los neumáticos y la carretera con el peso que descansa sobre cada neumático. El coeficiente de fricción es principalmente una función del tipo de neumáticos del vehículo y el tipo de superficie sobre la que circula. Por ejemplo, un neumático de NASCAR tiene un coeficiente de fricción muy alto cuando se conduce sobre una pista seca de hormigón. Esa es una de las razones por las que los autos de carreras de NASCAR pueden tomar curvas a velocidades tan altas. El coeficiente de fricción para ese mismo neumático en el barro sería casi cero. Por el contrario, los neumáticos todoterreno enormes y nudosos no tendrían un coeficiente de fricción tan alto en una pista seca, pero en el lodo, su coeficiente de fricción es extremadamente alto..

Deslizamiento de la rueda -- Hay dos tipos de contacto que los neumáticos pueden hacer con la carretera: estático y dinámico..

• contacto estático -- El neumático y la carretera (o el suelo) no se deslizan entre sí. El coeficiente de fricción para el contacto estático es más alto que para el contacto dinámico, por lo que el contacto estático proporciona una mejor tracción.
• contacto dinámico -- El neumático patina en relación con la carretera. El coeficiente de fricción para el contacto dinámico es menor, por lo que tiene menos tracción..

En pocas palabras, el deslizamiento de la rueda ocurre cuando la fuerza aplicada a un neumático excede la tracción disponible para ese neumático. La fuerza se aplica al neumático de dos formas:

• Longitudinalmente -- La fuerza longitudinal proviene del par aplicado al neumático por el motor o por los frenos. Tiende a acelerar o desacelerar el automóvil.
• Lateralmente -- La fuerza lateral se crea cuando el automóvil gira en una curva. Se necesita fuerza para hacer que un automóvil cambie de dirección; en última instancia, los neumáticos y el suelo proporcionan fuerza lateral.

Supongamos que tiene un automóvil con tracción trasera bastante potente y está conduciendo en una curva en una carretera mojada. Sus llantas tienen mucha tracción para aplicar la fuerza lateral necesaria para mantener su automóvil en la carretera mientras da la vuelta a la curva. Digamos que pisa el acelerador a mitad de la vuelta (no hagas esto!) - su motor envía mucho más torque a las ruedas, produciendo una gran cantidad de fuerza longitudinal. Si agrega la fuerza longitudinal (producida por el motor) y la fuerza lateral creada en el giro, y la suma excede la tracción disponible, acaba de crear el deslizamiento de la rueda.

La mayoría de las personas ni siquiera se acercan a superar la tracción disponible en pavimento seco, o incluso en pavimento plano y mojado. Los sistemas de tracción en las cuatro ruedas y en las cuatro ruedas son más útiles en situaciones de baja tracción, como en la nieve y en colinas resbaladizas..

El beneficio de la tracción en las cuatro ruedas es fácil de entender: si conduce cuatro ruedas en lugar de dos, tiene el potencial de duplicar la cantidad de fuerza longitudinal (la fuerza que lo impulsa) que los neumáticos aplican al suelo.

Esto puede ayudar en una variedad de situaciones. Por ejemplo:

• En la nieve -- Se necesita mucha fuerza para empujar un coche por la nieve. La cantidad de fuerza disponible está limitada por la tracción disponible. La mayoría de los autos con tracción en dos ruedas no pueden moverse si hay más de unas pocas pulgadas de nieve en la carretera, porque en la nieve, cada llanta tiene solo una pequeña cantidad de tracción. Un automóvil con tracción en las cuatro ruedas puede utilizar la tracción de los cuatro neumáticos.
• Fuera del camino -- En condiciones todoterreno, es bastante común que al menos un juego de neumáticos se encuentre en una situación de baja tracción, como al cruzar un arroyo o un charco de barro. Con la tracción en las cuatro ruedas, el otro juego de neumáticos todavía tiene tracción, por lo que pueden sacarte.
• Escalando colinas resbaladizas -- Esta tarea requiere mucha tracción. Un automóvil con tracción en las cuatro ruedas puede utilizar la tracción de los cuatro neumáticos para tirar del automóvil cuesta arriba.

También hay algunas situaciones en las que la tracción en las cuatro ruedas no ofrece ninguna ventaja sobre la tracción en dos ruedas. En particular, los sistemas de tracción en las cuatro ruedas no lo ayudarán a detenerse en superficies resbaladizas. Todo depende de los frenos y el sistema de frenos antibloqueo (ABS).

Ahora echemos un vistazo a las partes que componen un sistema de tracción en las cuatro ruedas..

El tipo de diferencial más común: el diferencial abierto

Las partes principales de cualquier sistema de tracción en las cuatro ruedas son los dos diferenciales (delantero y trasero) y la caja de transferencia. Además, los sistemas de medio tiempo tienen cubos de bloqueo, y ambos tipos de sistemas pueden tener componentes electrónicos avanzados que les ayudan a hacer un mejor uso de la tracción disponible..

Diferenciales Un automóvil tiene dos diferenciales, uno ubicado entre las dos ruedas delanteras y otro entre las dos ruedas traseras. Envían el par desde el eje de transmisión o la transmisión a las ruedas motrices. También permiten que las ruedas izquierda y derecha giren a diferentes velocidades cuando das una vuelta..

Cuando das una vuelta, las ruedas interiores siguen un camino diferente al de las ruedas exteriores, y las ruedas delanteras siguen un camino diferente al de las ruedas traseras, por lo que cada una de las ruedas gira a una velocidad diferente. Los diferenciales permiten la diferencia de velocidad entre las ruedas interiores y exteriores. (En la tracción a las cuatro ruedas, la diferencia de velocidad entre las ruedas delanteras y traseras es manejada por la caja de transferencia; discutiremos esto a continuación).

Hay varios tipos diferentes de diferenciales que se utilizan en automóviles y camiones. Los tipos de diferenciales utilizados pueden tener un efecto significativo sobre qué tan bien utiliza el vehículo la tracción disponible. Consulte Cómo funcionan los diferenciales para obtener más detalles..

Una caja de transferencia típica de tiempo parcial con tracción en las cuatro ruedas: la reducción del engranaje planetario se puede acoplar para proporcionar el engranaje de rango bajo.

Transferir caso

Este es el dispositivo que divide la potencia entre los ejes delantero y trasero en un automóvil con tracción en las cuatro ruedas..

Volviendo a nuestro ejemplo de giro en curvas: mientras que los diferenciales manejan la diferencia de velocidad entre las ruedas interiores y exteriores, la caja de transferencia en un sistema de tracción total contiene un dispositivo que permite una diferencia de velocidad entre las ruedas delanteras y traseras. Esto podría ser un acoplamiento viscoso, diferencial central u otro tipo de engranaje. Estos dispositivos permiten que un sistema de tracción total funcione correctamente en cualquier superficie..

los transferir caso en un sistema de tracción en las cuatro ruedas de tiempo parcial, bloquea el eje de transmisión del eje delantero con el eje de transmisión del eje trasero, por lo que las ruedas se ven obligadas a girar a la misma velocidad. Esto requiere que los neumáticos patinen cuando el automóvil da una vuelta. Los sistemas de tiempo parcial como este solo deben usarse en situaciones de baja tracción en las que es relativamente fácil que los neumáticos patinen. En concreto seco, no es fácil que los neumáticos patinen, por lo que la tracción en las cuatro ruedas debe desactivarse para evitar giros bruscos y un desgaste adicional de los neumáticos y la transmisión..

Algunas cajas de transferencia, más comúnmente aquellas en sistemas de tiempo parcial, también contienen un conjunto adicional de engranajes que le dan al vehículo un bajo alcance. Esta relación de transmisión adicional le da al vehículo un par adicional y una velocidad de salida súper lenta. En primera marcha en rango bajo, el vehículo puede tener una velocidad máxima de aproximadamente 5 mph (8 kph), pero se produce un par increíble en las ruedas. Esto permite a los conductores subir lenta y suavemente colinas muy empinadas..

Bloqueo de cubos

Cada rueda de un automóvil está atornillada a un eje. Los camiones con tracción en las cuatro ruedas a tiempo parcial suelen tener cubos de bloqueo en las ruedas delanteras. Cuando la tracción en las cuatro ruedas no está activada, los cubos de bloqueo se utilizan para desconectar las ruedas delanteras del diferencial delantero, los semiejes (los ejes que conectan el diferencial con el cubo) y el eje de transmisión. Esto permite que el diferencial, los semiejes y el eje de transmisión dejen de girar cuando el automóvil está en tracción en dos ruedas, lo que evita el desgaste de esas partes y mejora la economía de combustible..

Los cubos de bloqueo manual solían ser bastante comunes. Para activar la tracción a las cuatro ruedas, el conductor tenía que salir del camión y girar una perilla en las ruedas delanteras hasta que los cubos se bloquearon. Los sistemas más nuevos tienen cubos de bloqueo automático que se activan cuando el conductor cambia a tracción en las cuatro ruedas. Este tipo de sistema generalmente se puede activar mientras el vehículo está en movimiento..

Ya sea manual o automático, estos sistemas generalmente utilizan un collar deslizante que bloquea los semiejes delanteros al buje..

Electrónica avanzada

En muchos vehículos modernos de cuatro ruedas y tracción total, la electrónica avanzada juega un papel clave. Algunos automóviles usan el sistema ABS para aplicar selectivamente los frenos a las ruedas que comienzan a patinar; esto se llama control de tracción del freno.

Otros tienen embragues sofisticados controlados electrónicamente que pueden controlar mejor la transferencia de par entre ruedas. Echaremos un vistazo a uno de estos sistemas avanzados más adelante en el artículo..

Primero, veamos cómo funciona el sistema de tracción en las cuatro ruedas a tiempo parcial más básico..

Diagrama del sistema básico

El tipo de sistema de medio tiempo que normalmente se encuentra en las camionetas con tracción en las cuatro ruedas y los SUV más antiguos funciona así: el vehículo suele ser de tracción trasera. La transmisión se conecta directamente a una caja de transferencia. A partir de ahí, un eje de transmisión gira el eje delantero y otro gira el eje trasero..

Cuando se activa la tracción en las cuatro ruedas, la caja de transferencia bloquea el eje de transmisión delantero con el eje de transmisión trasero, por lo que cada eje recibe la mitad del par que proviene del motor. Al mismo tiempo, los bujes delanteros se bloquean..

Los ejes delantero y trasero tienen cada uno un diferencial abierto. Aunque este sistema proporciona una tracción mucho mejor que un vehículo con tracción en dos ruedas, tiene dos inconvenientes principales. Ya hemos hablado de uno de ellos: no se puede utilizar en la carretera debido a la caja de transferencia bloqueada.

El segundo problema proviene del tipo de diferenciales utilizados: un diferencial abierto divide el par de manera uniforme entre cada una de las dos ruedas a las que está conectado (consulte Cómo funcionan los diferenciales para obtener más detalles). Si una de esas dos ruedas se despega del suelo o está sobre una superficie muy resbaladiza, el par aplicado a esa rueda cae a cero. Debido a que el par se divide uniformemente, esto significa que la otra rueda también recibe par cero. Entonces, incluso si la otra rueda tiene mucha tracción, no se le transfiere torque. La siguiente animación muestra cómo reacciona un sistema como este en diversas condiciones..

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Animación de un sistema básico que encuentra varias combinaciones de terreno. Este vehículo se atasca cuando dos de sus ruedas están en el hielo.

Anteriormente, dijimos que el mejor sistema de tracción en las cuatro ruedas enviará exactamente la cantidad correcta de torque a cada rueda, siendo la cantidad correcta el torque máximo que no hará que ese neumático patine. Este sistema califica bastante mal según ese criterio. Envía a ambas ruedas la cantidad de torque que no hará que el neumático con el menos tracción para resbalar.

Hay algunas formas de realizar mejoras en un sistema como este. Reemplazar el diferencial abierto con un diferencial trasero de deslizamiento limitado es uno de los más comunes; esto asegura que ambas ruedas traseras puedan aplicar algo de torque sin importar qué. Otra opción es un diferencial de bloqueo, que bloquea las ruedas traseras juntas para garantizar que cada una tenga acceso a todo el par que ingresa al eje, incluso si una rueda no toca el suelo; esto mejora el rendimiento en condiciones todoterreno..

En la siguiente sección, echaremos un vistazo a lo que podría ser el último sistema de tracción en las cuatro ruedas: el del Hummer..

El vehículo militar AM General Hummer combina tecnología mecánica avanzada con electrónica sofisticada para crear lo que posiblemente sea el mejor sistema de tracción en las cuatro ruedas disponible..

El Hummer tiene un sistema de tiempo completo con características adicionales que se pueden activar para mejorar el rendimiento todoterreno. En este sistema, al igual que en nuestro sistema básico, la transmisión está conectada a la caja de transferencia. Desde la caja de transferencia, un eje de transmisión se conecta al eje delantero y otro al eje trasero. Sin embargo, la caja de transferencia del Hummer no bloquea automáticamente los ejes delantero y trasero juntos. En cambio, contiene un conjunto de engranajes de diferencial abierto que el conductor puede bloquear. En modo abierto (no bloqueado), los ejes delantero y trasero se pueden mover a diferentes velocidades, por lo que el vehículo puede circular en carreteras secas sin problemas. Cuando el diferencial está bloqueado, los ejes delantero y trasero tienen acceso al par del motor. Si las ruedas delanteras están en arenas movedizas, las ruedas traseras obtienen todo el torque que pueden soportar.

Diagrama del sistema Hummer, una característica interesante del Hummer son los ejes de engranajes que utiliza en cada rueda. Estos elevan toda la línea de transmisión, lo que le da al Hummer 16 pulgadas (40,64 cm) de distancia al suelo, más del doble de lo que tienen la mayoría de las unidades de cuatro ruedas..

Los diferenciales delantero y trasero son Torsen^® diferenciales. Estos diferenciales tienen un conjunto de engranajes único: tan pronto como detecta una disminución en el par en una rueda (lo que ocurre cuando un neumático está a punto de patinar), el conjunto de engranajes transfiere el par a la otra rueda. Los diferenciales Torsen pueden transferir de dos a cuatro veces el par de una rueda a la otra. Esta es una gran mejora con respecto a los diferenciales abiertos. Pero si una rueda no toca el suelo, la otra rueda aún no recibe par.

Para manejar este problema, el Hummer está equipado con un sistema de control de tracción del freno. Cuando un neumático comienza a patinar, el control de tracción del freno aplica los frenos a esa rueda. Esto logra dos cosas:

• Evita que la llanta se deslice, lo que le permite aprovechar al máximo su tracción disponible.
• Permite que la otra rueda aplique más torque.

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El sistema Hummer encuentra varias combinaciones de terreno: para que el Hummer se atasque, las cuatro ruedas tendrían que perder tracción.

El sistema de control de tracción del freno aplica un par significativo a la rueda que quiere patinar, lo que permite que el diferencial Torsen aplique de dos a cuatro veces ese par mayor a la otra rueda..

Pongamos el Hummer a prueba.

El sistema del Hummer es capaz de enviar una gran cantidad de torque a cualquier neumático que tenga tracción, incluso si esto significa enviarlo todo a un solo neumático. Esto hace que el Hummer se acerque bastante a nuestra definición de un sistema ideal de tracción en las cuatro ruedas: uno que suministre a cada neumático la máxima cantidad de torque que puede soportar..

Para obtener más información sobre la tracción en las cuatro ruedas y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

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