Del motor a las ruedas, los dispositivos de transmisión del par motriz

Después de la desmultiplicación del giro del motor de la caja de cambios, la transmisión del par a las ruedas sin deslizamiento, con independencia de las condiciones de la calzada, es el segundo de los objetivos de los componentes de la cadena cinemática. De todos ellos, los diferenciales son los dispositivos destinados a gestionar la motricidad, tanto en movimiento rectilíneo como en curva….

Después de la desmultiplicación del giro del motor de la caja de cambios, la transmisión del par a las ruedas sin deslizamiento, con independencia de las condiciones de la calzada, es el segundo de los objetivos de los componentes de la cadena cinemática. De todos ellos, los diferenciales son los dispositivos destinados a gestionar la motricidad, tanto en movimiento rectilíneo como en curva.

Después de la desmultiplicación del giro del motor de la caja de cambios, la transmisión del par a las ruedas sin deslizamiento, con independencia de las condiciones de la calzada, es el segundo de los objetivos de los componentes de la cadena cinemática. De todos ellos, los diferenciales son los dispositivos destinados a gestionar la motricidad, tanto en movimiento rectilíneo como en curva.

En los últimos modelos de vehículo, los sistemas de bloqueo de diferencial utilizados durante años para evitar el deslizamiento están siendo sustituidos por la función de frenado selectivo del sistema ABS/ESP, un sistema menos costoso, pero de menor fiabilidad y eficacia.

En la función de transmisión de la potencia del motor al suelo, no todos los factores dependen del diseño de los componentes internos de la cadena cinemática; hay un aspecto adicional en la arquitectura del vehículo que influye notablemente en sus reacciones dinámicas: la disposición de la caja de cambios-motor-transmisión. Desde los inicios del automóvil, la disposición mecánica clásica ha venido siendo la de motor-cambio delantero longitudinal y propulsión trasera.

La disposición mecánica clásica se beneficia dinámicamente de la carga de peso que se transfiere al eje motriz al acelerar el vehículo y de un reparto de peso entre ejes muy equilibrado. A pesar de estas virtudes, su utilización se ha venido restringiendo en los últimos años a modelos de representación/altas prestaciones y a vehículos industriales debido, por un lado, al sobre-coste que implica la utilización del árbol de transmisión y, por otro, al sobreviraje que se produce al sobrepasar el límite de adherencia, una reacción dinámica inherente a los vehículos de propulsión que resulta muy exigente para un conductor medio, que, sin embargo, hará las delicias del conductor experimentado que domine la técnica del contravolante.

Existen disposiciones mecánicas todavía más exclusivas, que solo se utilizan en vehículos de altísimas prestaciones: la propulsión y el motor traseros, sea la de motor trasero-central, la más eficaz, aunque sus rápidas reacciones exigen un gran nivel de conducción, o la disposición de motor colgado por detrás del eje, utilizada en los Alpine y en los Porsche 911, cuya sobrecarga de peso proporciona una gran motricidad a cambio de un momento polar de inercia muy crítico, de modo que ofrece un tipo conducción peculiar y exigente, muy apreciada por los puristas.

A partir de los 70, la mayoría de los fabricantes adoptaron la posición de motor/cambio delantero, fuera en posición longitudinal o transversal, y tracción delantera

Esta arquitectura, disponible desde mucho tiempo antes, permitía unos menores costes de fabricación al prescindir del árbol de transmisión y un comportamiento de subviraje al sobrepasar el límite de adherencia mucho más intuitivo y predecible, y, por lo tanto, más fácil de corregir que el de los modelos de propulsión, en detrimento de un comportamiento dinámico menos efectivo sobre el papel, debido a la descarga de peso del eje motriz que se produce durante la transferencia de masas de la aceleración.

En lo que respecta a los dispositivos que conforman la cadena cinemática, el diferencial es el principal encargado de permitir el giro de las ruedas a diferente velocidad que se produce cuando el vehículo traza una curva, lo que posibilita  la transmisión de la potencia del motor al pavimento. Para conseguirlo, se sirve de una corona que gira a la velocidad del motor, pero desmultiplicada por la caja de cambios, la cual aloja unos planetarios engranados con unos semiejes satélite que giran solidarios a las ruedas.

Cuando el vehículo circula en línea recta, el giro de la corona transmite el movimiento a los planetarios. Si no hay movimiento relativo entre los dos planetarios, el movimiento de la corona se transmite por el engranaje a los satélites y, por lo tanto, a las ruedas. Cuando el vehículo describe un movimiento curvilíneo, el giro de los planetarios permite la diferencia de velocidad entre los semiejes satélite. La utilización de un diferencial central es igualmente necesaria en los vehículos de tracción integral permanente para salvar la diferencia de velocidad de giro entre las ruedas de los dos ejes.

Precisamente en la función más importante del diferencial, la de absorción del giro relativo entre semiejes al transmitir el par motriz, es donde reside su principal limitación dinámica: si una de las ruedas se encuentra en contacto con una superficie muy deslizante, la transmisión del par del motor se producirá por el semieje que ofrezca menor resistencia, por lo que el vehículo prederá la motricidad, un aspecto especialmente importante en la utilización todoterreno intensiva debido a las condiciones de baja adherencia del firme.

Para solventarlo, se proyectaron varias soluciones de bloqueo y limitación del deslizamiento del diferencial. En los primeros sistemas de accionamiento del bloqueo por palanca, el dispositivo de bloqueo impedía el movimiento de los satélites, lo que anulaba la diferencia de velocidad entre los planetarios-semiejes, por lo que la función solo podía accionarse en condiciones de muy baja adherencia. El bloqueo por palanca fue sustituido por sistemas de bloqueo por accionamiento neumático, en los que el bloqueo se realiza cuando el interruptor activa la electroválvula para que permita el paso de vacío de mando, y, más recientemente, por sistemas de bloqueo electrónico.

Pero los sistemas de bloqueo no solo son necesarios en la conducción off-road; el efecto de limitación del deslizamiento puede ser igualmente necesario en la conducción deportiva o de competición, en la que la transferencia de masas que se produce al trazar una curva puede provocar la pérdida de motricidad de la rueda interior a la trayectoria por el efecto del diferencial y, por lo tanto, una pérdida de velocidad de paso por curva y de tiempo. Para solventar esta dificultad dinámica, se proyectaron las siguientes variantes de dispositivos autoblocantes del diferencial:

  • El autoblocante de discos se basa en el rozamiento que se produce entre unos discos de fricción cuando los semiejes giran a diferente velocidad. Los discos, similares a los de fricción del embrague, provocan la transferencia de par hacia la rueda que gira más despacio, y pueden llegar a bloquear el giro solidario de los semiejes en determinadas condiciones. El cálculo del valor mínimo de porcentaje de transferencia de par se realiza en función de la precarga de los discos, obtenida mediante un muelle helicoidal o una arandela Belleville, o a partir de un tallado especial de los dientes de los satélites.
  • En el caso del diferencial de acomplamiento viscoso Ferguson, el bloqueo se produce debido al cambio de viscosidad del fluido que baña los discos que se encuentran entre los semiejes, lo que provoca el aumento de la transferencia de par. El par transmitido a la rueda que gira depende del aumento de la temperatura y, por lo tanto, de la presión del fluido.

En los años 90 se presentó un tipo de diferencial central de discos múltiples de embrague controlado mediante una gestión electrónica, que utiliza los sensores de velocidad del sistema ABS. El dispositivo realiza la transferencia del par motriz cuando se produce una diferencia de velocidad de giro entre ejes, desde un valor mínimo hasta un bloqueo total. Se trata de un tipo de diferencial cada vez más utilizado debido a su economía de fabricación, especialmente en los SUV. El control de la transferencia de par puede realizarse de modos diferentes:

  • Mediante la variación de la presión hidráulica interna que realiza un motor eléctrico comandado por una unidad de control, como el sistema Haldex del grupo VW. El diferencial de discos se ubica en el eje trasero, donde recibe el movimiento desmultiplicado del motor por el árbol de transmisión.
  • Mediante un servomotor que acciona un disco de mando, cuyo movimiento de giro se convierte en la fuerza axial de la palanca que oprime los discos de fricción, lo que aumenta la transferencia de par al eje delantero desde la caja de transferencia, como el sistema VTG de BMW.

Todos los sistemas de bloqueo de diferencial descritos podrían considerarse “reactivos”, puesto que la transferencia de par de bloqueo se realiza cuando ya se ha producido una cierta pérdida de motricidad. Sin embargo, existen sistemas de bloqueo de diferencial que podrían considerarse “activos”, en los que el reparto de par se produce antes que el deslizamiento. Son los siguientes:

  • El diferencial Torsen no utiliza discos de fricción como elemento de bloqueo, sino una combinación de trenes de engranajes que sustituyen a los satélites de un diferencial convencional. En este sistema, el porcentaje de transferencia de par depende del diseño de los ángulos de hélice de los engranajes, siempre que los semiejes encuentren resistencia al giro de las ruedas, permitiendo la diferente velocidad de giro de estas al tomar una curva.
  • El diferencial activo de control vectorial electrónico utiliza la información de parámetros de dinámica vehícular para anticipar la transferencia de par a la posible pérdida de motricidad o adherencia, lo que posibilita la máxima eficacia rutera. Para conseguirlo, el sistema dispone de dos engranajes epicicloidales, que permiten una diferente desmultiplicación de la velocidad de los semiejes en función del mando de frenado selectivo de los planetarios/corona, comandado electrohidráulicamente por la unidad de control por medio de embragues de discos múltiples. El diferencial activo, además de anticiparse a la pérdida de motricidad, es capaz de inducir un efecto direccional en el vehículo al aumentar la velocidad de giro de las ruedas exteriores en curva.

En los siguientes enlaces se facilitan algunos de los ejemplos de avería tipo del sistema de transmisión, extraídos de la actividad diaria de asistencia y documentación de la plataforma https://www.averiasresueltas.com:

Las limitaciones que plantea la legislación de utilización de los vehículos todoterreno fuera de carretera, la cada vez menor tolerancia a la superación de los límites de velocidad en vías convencionales y las necesidad de limitar los costes de producción son las razones esgrimidas por los fabricantes para el desarrollo de vehículos cada vez más sencillos desde un punto de vista mecánico, a los que se aplica la gestión electrónica ya utilizada en los sistemas de frenado de última generación.

Hasta que llegue el día en que se popularicen los vehículos ecológicos, en los que la transmisión de par motriz no está encomendada a un mecanismo de transmisión, sino a un motor eléctrico (que además realiza la función de aprovechamiento de energía/recarga de la batería en las fases de deceleración), parece evidente que la utilización de costosos sistemas de bloqueo de diferencial quedará relegada a algunas honrosas excepciones de modelos de corte muy deportivo o versiones de todoterrenos “puros”. El resto utilizará como sistema de control de motricidad la función de frenado selectivo de la rueda del ESP, combinada, en el mejor de los casos, con un diferencial central de discos múltiples. Aunque estos nuevos sistemas deberían permitir, sobre el papel, la transferencia de par a la rueda con más tracción, la experiencia de utilización está demostrando que la función de frenado selectivo es menos fiable y eficaz que los dispositivos de bloqueo tradicional.

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