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Hoy os presentamos una nueva colaboración en 8000vueltas. En este artículo Juan Lasheras nos hablará de los diferentes tipos de diferenciales existentes y de sus características con una visión técnica y analizando sus efectos en la conducción. Al tratarse de un artículo muy extenso, por lo completo que es, lo hemos dividido en 2 partes, para que se haga más ameno (y para que os quedéis con ganas de más). Al final de la 2ª parte, si todo va bien, lo dejaremos en PDF para su descarga. No se trata de un artículo al uso de un blog, pero merece (y mucho) la pena dedicarle un tiempo a su lectura ya que ayudará a más de uno a aclarar sus ideas acerca de los “mal llamados” autoblocantes o diferenciales de deslizamiento limitado.

Delarosa

Diferenciales de deslizamiento limitado

El diferencial, tal y como lo conocemos hoy en día, fue inventado por Pecquer y fue utilizado por la misma razón por la que lo utilizamos actualmente, para tomar una curva con un eje solidario es necesario que exista deslizamiento en las ruedas, sobre todo en curvas muy cerradas.

Al tomar una curva las ruedas exteriores tienden a acelerarse y las interiores a frenarse para compensar la diferencia de distancia recorrida como consecuencia de los distintos radios por los que circulan.

Algunas de las razones por las que se acopla un diferencial es que se absorbe menos potencia del motor para girar, se consigue un menor radio de giro del vehículo para un determinado ángulo de giro de las ruedas y permite realizar maniobras a baja velocidad con precisión.

Una aproximación rápida del deslizamiento que se produce en los neumáticos como consecuencia de un eje solidario viene dado por la fórmula:

V_diff = (r_{1 –} r₂)/r₂

En dónde V_diff es la diferencia de velocidades entre la rueda exterior y la interior.

r₁ es el radio exterior

r₂ es el radio interior

Un diferencial libre permite que las ruedas exteriores e interiores aumenten y reduzcan su velocidad respectivamente para compensar la diferencia de radios en una curva. Otra de las características del diferencial libre es que el reparto de par entre los dos semiejes es el mismo, por tanto si una de las ruedas pierde adherencia, la fuerza total que seremos capaz de transmitir al suelo será exactamente el de la rueda con menos adherencia multiplicado por dos. Una solución simple es bloquear ambas ruedas de tal manera que giren solidarias, pero de nuevo nos encontraríamos con problemas de giro a bajas velocidades.

Todos los diferenciales que podemos encontrar se encuentran entre el diferencial libre y el bloqueado al 100%. A lo largo de los años se han visto un buen número de diferenciales de deslizamiento limitado que buscaban un compromiso entre giro a baja velocidad, baja resistencia y buen comportamiento cuando existen grandes diferencias de velocidad o par entre las ruedas, a menudo con el handicap de una mayor complejidad.

Tipos de diferenciales

Diferencial libre

Sin entrar en mayores detalles sobre el funcionamiento y los componentes de un diferencial libre que alguna foto y las referencias a la bibliografía, vamos a centrarnos en los conceptos más importantes.

Esquema de un diferencial libre.

En un diferencial libre real, existe fricción en los cojinetes y trenes de engranajes (teoría de Coulomb sobre la torsión recta) además de la resistencia que presentan los fluidos y que es proporcional a la velocidad.

Como puede verse en la siguiente figura, se muestra un pequeño escalón en el incremento de par (∆Torque) en el punto dónde el incremento de velocidades de los semiejes (∆RPM) se invierte. Esto es debido a la mencionada fricción interna del diferencial. El resultado es que esta fricción tiende a bloquear ligeramente los dos semiejes de forma solidaria, esto produce un pequeño valor de resistencia al deslizamiento, de tal manera que ante una diferencia de velocidades se manda algo más de par a la rueda que gira más despacio que lo que le correspondería teóricamente.

Como consecuencia de la fricción que se produce en el diferencial se produce un pequeño offset que tiende a enviar un pequeño porcentaje de par a la rueda que gira más despacio, es decir, la que ante una perdida de tracción tiene más capacidad de adherencia.

En la figura pueden observarse dos curvas, representando una un par grande y la otra uno pequeño, la diferencia de pares de estas dos curvas depende del diseño del diferencial, un incremento de la fricción interna supone un incremento de par mandado a la rueda que gira más lenta.

La principal desventaja de un diferencial libre es que en situaciones dónde hay poca adherencia (o bien se aplica mucha potencia) la fuerza tractora que podemos aplicar sobre la carretera viene limitada por la rueda con menos adherencia. Para maniobras a baja velocidad podemos utilizar el freno de mano (siempre que este frene el eje motriz) de forma que aumentamos el par en la rueda con menos tracción y por tanto, el mismo par aplicado en esa rueda será también aplicado a la otra, permitiéndonos salvar la situación.

Otra solución a la falta de tracción que se da con un diferencial abierto es bloquear parcialmente los dos semiejes incrementando la fricción interna del diferencial (por ejemplo precargando los satélites). De este modo hacemos que la rueda más lenta reciba más par. Según la figura anterior, este aumento de la fricción interna aumentaría el tamaño del salto (y por tanto el incremento de par) en el punto dónde las velocidades se invierten. Este incremento de presión cuando existe diferencia de velocidades entre ruedas generará más calor, por tanto, para un uso muy intensivo, puede ser necesario algún tipo de refrigeración.

En cualquier caso, y sabiendo que el diferencial libre tiene ciertas limitaciones, es un sistema totalmente válido en situaciones dónde la (baja) resistencia que genera es importante (curvas) y las perdidas de tracción no son habituales o por lo menos no representan un problema. Como por ejemplo en los grandes óvalos de las fórmulas americanas.

Además, un diferencial libre tiene la ventaja de ser el tipo de diferencial que menos influencia tiene sobre el comportamiento del vehiculo, principalmente porque no introduce momentos de guiñada bajo ninguna circunstancia, ya sea en aceleración o en retención. En situaciones dónde se supera la adherencia, el neumático interior actúa como una válvula de seguridad, ya que bajo esas circunstancias la rueda exterior conserva un cierto margen de adherencia lateral.

El circulo de adherencia representa los esfuerzos máximos a los que se ve sometido un neumático, las cargas exclusivamente longitudinales o laterales que puede soportar el neumático son mayores que una combinación (suma vectorial) de dos efectos. Este hecho es muy importante y puede hacernos comprender como un mismo tarado de diferencial puede producir subviraje o sobreviraje, dos efectos completamente opuestos.

Diferencial bloqueado 100%

En un diferencial bloqueado al ciento por ciento no existe la incógnita del incremento de velocidades, al ser un eje solidario, ambas ruedas giran a la misma velocidad, el par que se aplica a cada una viene determinado por una serie de factores relacionados entre sí como el radio de giro, las características del coche, el radio de circunferencia de las ruedas, la carga sobre el neumático o la fuerza lateral y longitudinal a la que esta siendo sometido en ese momento. Las curvas de tracción longitudinal y fuerza lateral de un neumático no son lineales, por tanto es muy complicado determinar como se reparte el par para una condición dada. La siguiente figura muestra el comportamiento característico de un eje bloqueado.

En la gráfica se muestra el comportamiento de un eje bloqueado, no hay diferencia de velocidades entre ruedas y la fuerza tractora máxima es aproximadamente la suma de la fuerza que es capaz de generar cada rueda.

Un diferencial con un tarado al 100% es muy útil cuando las condiciones de adherencia son muy malas. La fuerza total tractora capaz de transmitir al suelo es aproximadamente igual a la suma de las adherencias disponibles en cada rueda.

Los ejes bloqueados aportan un momento estabilizador produciendo un fuerte subviraje. Cualquier intento de hacer girar al vehículo trae como consecuencia que una de las ruedas trate de frenarse (la exterior) y la otra de acelerarse (la interior), el resultado es que el momento producido se opone al giro del vehículo. Para bien o para mal, este efecto disminuye a medida que aumentamos el radio de la curva.

Este momento estabilizador viene siempre acompañado de una fuerte resistencia a la rodadura. En los giros cerrados las ruedas deslizan consumiendo parte de la potencia del motor.

El BMW M1 Procar, monta en el eje trasero (motriz) un diferencial con un tarado del 100%, empujar un coche de este tipo en un pit-lane cuesta mucho, esta energía necesaria para mover el coche en parado supone igualmente una perdida de potencia cuando el vehículo negocia una curva.

Un eje trasero bloqueado al 100% tiene un efecto substancial en el manejo y el equilibrio dinámico del coche, sobretodo a baja velocidad, dónde la posibilidad de que una rueda patine todavía existe. Si a un coche que monta un diferencial libre se le substituye por uno bloqueado al 100% cabe esperar un comportamiento más subvirador en los rangos lineales y de transición de la aceleración lateral del neumático. Conseguir de nuevo el equilibrio requerirá un neumático delantero con más capacidad para soportar fuerzas laterales. Por el contrario, un coche nervioso o sobrevirador puede ser mejorado precisamente con un diferencial bloqueado.

En el límite de comportamiento del neumático, sometido a potencias muy altas, el diferencial bloqueado hará que ambas ruedas patinen simultáneamente perdiendo la capacidad para negociar curvas. Si el eje tractor o motriz es el trasero, este efecto provocará que desaparezca la mayor parte del momento estabilizador de ese eje.

Diferenciales de deslizamiento limitado

En este apartado se engloban los dispositivos cuyo funcionamiento se basa en la fricción mecánica, como norma general, un diferencial de deslizamiento limitado busca un compromiso entre un diferencial libre y uno totalmente bloqueado.

De discos

En este tipo de diferenciales, un conjunto de discos similares a los de un embrague, realizados en acero endurecido y funcionando con lubricantes especiales bloquean los dos semiejes o palieres de forma solidaria bajo determinadas condiciones de funcionamiento. La carga aplicada sobre los discos se consigue mediante dos métodos. El primero es precargando los juegos de discos mediante un muelle helicoidal o una arandela Belleville escogidos para proporcionar un valor mínimo de par que haga que se rompa la barrera estática que mantiene los ejes solidarios. La segunda, se consigue mediante un tallado de los dientes de los satélites especial, diseñado cuidadosamente para cargar los juegos de discos a medida que el par aumenta.

Esquema explosionado de un diferencial de deslizamiento limitado de discos.

Los cambios en la precarga del diferencial se consiguen cambiando el muelle helicoidal o la arandela Belleville. Los cambios en la parte sensible al par aplicado son función de los ángulos de presión de los engranajes y por tanto solo pueden ser modificados por el fabricante.

En un diferencial de discos una diferencia de velocidades entre ejes supone un bloqueo del diferencial, mandando par a la rueda que gira más despacio.

La zona de precarga, mantiene los semiejes unidos, en la zona de accionamiento de los discos puede llegar a transmitirse a la rueda con más capacidad de tracción hasta 2.9 veces el par disponible en la rueda con menos tracción, esta relación (TBR) depende de las características del diferencial y puede ser variado.

Salisbury axle

Otra variante de diferencial de deslizamiento limitado es el llamado Salisbury axle o más conocido como diferencial de rampas. Este diferencial también emplea un juego de discos para bloquear progresivamente los dos ejes de salida del diferencial juntos. En esta variante de diferencial de discos, el eje de los satélites descansa sobre unas rampas que son empujadas por este eje en función del par que entra al diferencial. Con este sistema el reparto de par puede variar en función de si estamos en fase de aceleración o de retención.

Existen muchas configuraciones de precarga, juegos de discos e inclinación de rampas que permiten que modificar las características de comportamiento sea relativamente sencillo. Este es el diferencial más utilizado en competición porque permite un amplio rango de configuraciones.

Torsen

El diferencial torsen original usa una combinación de trenes de engranajes en dónde se pueden encontrar tanto dientes rectos como con un gran ángulo de inclinación que sustituyen a los satélites de un diferencial libre convencional.

El nombre de Torsen viene de las palabras en inglés “torque sensing” que pueden ser interpretadas como que en función del par de entrada en el diferencial pueden cambiar las condiciones de operación del diferencial. El Torsen tiene algunas características distintas al diferencial de discos.

Cuando el par que entra en el diferencial es pequeño, los engranajes se encuentran poco cargados y si una rueda queda en el aire, el diferencial se comportara como un diferencial libre convencional. Es decir, en una situación dónde una rueda quede en el aire o con muy poca fricción, el diferencial no logrará sacarnos. A medida que se incrementa el par, los trenes de engranajes se cargan más y bajo unas determinadas circunstancias en las que se combinan par y velocidad los ejes se bloquean de forma solidaria. Los principales elementos que producen la fricción necesaria para mantener solidarios los dos ejes son el propio tren de engranajes.

Esquema del diferencial tipo Torsen (torque sensing, sensible al par).

Las características del Torsen son similares a las de otros diferenciales de deslizamiento limitado, pero tienen la ventaja de que el reparto de par entre los semiejes puede determinarse en un rango bastante amplio en función de los ángulos de hélice de los engranajes, los tipos de engranaje y los tratamientos superficiales, el problema es que precisamente debido a esto, la relación de pares entre ruedas (Torque Bias Ratio, TBR) solo puede ser modificada por el fabricante. Los valores se encuentran habitualmente entre 2,5:1 y 6 ó 7:1.

En un torsen, mientras que el neumático con menos tracción pueda asimilar el par enviado hasta el diferencial no habrá deslizamiento relativo entre neumáticos. Si se supera la adherencia del neumático, el lado que gira más lento recibe el par de la rueda que se ha acelerado multiplicado por el TBR. Es decir, con un TBR 2:1 estaremos mandando el 33% del par a un neumático y el 66% restante al otro, que en principio se encuentra en mejores condiciones para transmitir el par al suelo.

Cuando el fabricante diseña un Torsen con un TBR alto pero con baja fricción bajo cargas pequeñas implica que bajo condiciones de alto par se comporta prácticamente como un eje solidario mientras que cuando el par de entrada es pequeño, por ejemplo en una curva, se comporta prácticamente como un diferencial libre.

Existe también una variante de este tipo de diferenciales denominado Torsen II, dónde se reduce la fricción (y por tanto el TBR) cambiando la orientación de los ejes de los engranajes. Esto trae como consecuencia que la relación de par entre las ruedas sea algo menor, entre 1.8:1 y 3:1.

Torsen II, cambiando la orientación de los engranajes obtenemos distintas características de diferencial.

EL diferencial torsen se emplea por ejemplo en los vehículos del grupo Volkswagen de tracción total y motor longitudinal como diferencial central y por ejemplo en el Renault Megane Sport R26 o en el Honda Integra Type-R en el eje delantero. Esto se debe a que tienen un buen compromiso entre precio, fiabilidad y comportamiento. En competición, no es demasiado habitual ya que el TBR sólo puede ser modificado por el fabricante (aunque existen excepciones como el Torsen de Quaife) y su peso es bastante superior al de un diferencial de discos o de rampas.

Diferencial viscoso

El funcionamiento diferencial viscoso se basa en la utilización de un fluido de alta viscosidad y características especiales. Los dos semiejes o palieres están conectados entre ellos mediante un diferencial libre al que se le añaden unos juegos de discos que si bien se encuentran muy cerca unos de otros, no existe contacto entre ellos. El par transmitido es función de la diferencia de velocidades entre los semiejes y como en todos los diferenciales de deslizamiento limitado el par se manda a la rueda que más lenta gira.

Mientras que la mayoría de los fluidos y lubricantes pierden viscosidad con la temperatura, el fluido utilizado en el diferencial aumenta su viscosidad conforme la temperatura sube. De este modo, los discos, mediante el movimiento relativo entre ellos, calientan el fluido y los dos semiejes se van haciendo solidarios progresivamente, esto sucede una vez que el fluido sobrepasa ligeramente los 50º C.

Las pequeñas diferencias de velocidad producidas en las curvas no son suficientes como para bloquear el diferencial de modo que trabaja casi como un diferencial libre. Solamente el deslizamiento de un neumático genera suficiente calor como para bloquear el diferencial. El aumento de temperatura y por tanto el bloqueo del diferencial tardan cierto tiempo en ocurrir, como consecuencia existe cierto retraso de respuesta ante el deslizamiento de un neumático.

Grafica que representa la transmisión de par en función de la temperatura, nótese que la zona óptima de trabajo se encuentra entre 50 y 70º, a partir de 80 empieza a perder capacidad de transmitir par y a 100 la capacidad disminuye muy acusadamente.

Este tipo de diferenciales, por tanto, tiene más aplicación como diferencial central en vehículos de todo terreno que en vehículos de competición tanto de tracción como de propulsión, aunque si que es cierto que algunos vehículos de tracción total deportivos han montado este sistema, como por ejemplo las primeras versiones de los Subaru Impreza y de los Mitsubishi EVO, que además equipaban en el eje trasero un diferencial de discos y en el delantero un Torsen. Las versiones actuales de estos modelos montan los denominados “diferenciales activos”, pero eso ya es otra historia.

Los actuales Impreza y Evo vienen de fábrica con diferenciales activos, sin embargo, las primeras versiones venían hasta con 3 tipos de diferenciales de deslizamiento limitado, de discos, viscoso y torsen.

Hasta aquí esta primera parte de este monográfico de diferenciales. Es una lectura densa, pero inmensamente instructiva.

Si os ha gustado tambien podéis leer la 2ª parte: Diferenciales de deslizamiento limitado, su influencia en la conducción.