Diferenciales de deslizamiento limitado, su influencia en la conducción (2 de 2)

21/04/2008 25 comentarios →

por Lasheras en Colaboraciones, Técnica

(Continuación del artículo de diferenciales 1ª parte)

Influencia del diferencial en el comportamiento del coche: subviraje y sobreviraje.
Ya se ha mencionado que un diferencial bloqueado induce un efecto estabilizador en el comportamiento del vehiculo, es decir: genera subviraje, si bien en algunas circunstancias esto puede ser beneficioso, en competición suele ser perjudicial.

Debido a que el grip de un eje bloqueado aumenta, se necesitará más potencia de giro delantera, es decir, más agarre en el eje delantero para mantener el vehículo neutro. A menudo, cuando notamos una deficiencia en uno de los dos ejes del coche, ponemos todo nuestro empeño en analizar el porque y tratar de solucionar el problema, sin embargo, lo lógico es preguntarse si ese mal comportamiento es intrínseco de ese eje, o por el contrario, una mala puesta a punto del contrario es el responsable del mal. Por ejemplo, si un coche con un tarado de diferencial duro subvira, pero con menos tarado las ruedas patinan, deberemos jugar con las posibilidades de regulación del eje delantero, de este modo conseguiremos el principio básico de la puesta a punto, aprovechar al máximo la adherencia de cada neumático.

Ford Mustang con un grave subviraje.

Un diferencial de deslizamiento bloqueado al 100% puede influir de otras maneras en el comportamiento de un vehiculo. La rueda interior pretende girar más despacio que la exterior, al ser solidarias esto produce que ambas ruedas tengan que deslizar ligeramente. Lo ideal, ya que las ruedas han de girar solidarias, es que cada rueda trabaje en un rango de deslizamiento del neumático lo más igual y reducido posible durante las curvas. En la siguiente figura, se puede ver como el máximo agarre del neumático se da en la zona no lineal de la gráfica, es decir, dónde está deslizando, sabiendo que esa zona, en un circulo de adherencia, delimita el límite en el que hay agarre, cualquier fuerza en otra dirección supondría la pérdida de adherencia, es éste fenómeno el que se utiliza en las competiciones de drifting. Jugando con la transferencia de pesos se saturan los neumáticos en el sentido de la aceleración lateral, una vez en ese punto cualquier aceleración longitudinal dará como resultado un deslizamiento del neumático, el hecho de utilizar diferenciales tarados muy duros o al 100 es porque una vez la rueda interior está deslizando, con un diferencial blando sería imposible mantener a la exterior deslizando también, ya que la fracción de par enviada a esa rueda con estos diferenciales es muy pequeña.

En competición en circuitos, cuando se produce sobreviraje, no suele suceder exactamente igual que en el drifting, el principio es el mismo, sin embargo las cosas suceden en orden inverso. Habitualmente se sale de la curva traccionando al máximo de las posibilidades del neumático, el neumático interior se descarga y el exterior se carga, y una pequeña aceleración lateral puede hacer que el neumático se sature. Si abrimos gas, demasiado pronto, cuando el vehículo aún esta con el volante girado y soportando el neumático carga lateral, lo saturaremos y por tanto se producirá el subviraje.

La máxima adherencia que puede entregar un neumático se da cuando este está deslizando en torno a un 10%, a partir de este valor la adherencia comienza a disminuir. El tarado del diferencial influye en gran medida en los neumáticos y por tanto debemos considerar este efecto a la hora de configurarlo

Estas dos situaciones, siempre que sea en un vehículo de tracción trasera, producirán el deslizamiento del eje trasero. En un tracción delantera, la saturación de los neumáticos posteriores sólo es posible mediante aceleraciones laterales o mediante una frenada, pero una vez en este punto, si conseguimos controlar el ángulo de guiñada, como no es posible producir aceleraciones longitudinales en ese neumático, y la velocidad tenderá a reducirse, el eje trasero volverá su sitio.

Como conclusiones podemos decir que el diferencial de deslizamiento limitado puede contribuir tanto al subviraje como al sobreviraje dependiendo del tipo de vehículo, de circuito y del tarado y tipo de diferencial. El cómo distribuyamos las diferencias entre velocidades de las ruedas puede ser usado para paliar un mal comportamiento o para potenciar el comportamiento deseado, el diseño y la puesta a punto de un vehiculo con diferencial de deslizamiento limitado es bastante más complicado que en un vehiculo con diferencial libre, pero una vez que se es capaz de aprovechar estos efectos, el diferencial se convierte en un elemento fundamental en competición.

Puesta a punto
El desafío que plantea la puesta a punto de vehículos de competición es que todo afecta a todo lo demás. Por tanto, aunque en general es mejor hacer sólo un cambio de configuración cada vez, es necesario conocer las interacciones que existen entre los diferentes cambios que se realizan. Un cambio que se haga para mejorar un comportamiento en concreto puede hacer que el vehículo sea en general menos efectivo.

La puesta a punto es una tarea muy difícil, que requiere muchos compromisos para poder adaptarla a cada circuito y a la capacidad y gustos del piloto. A menudo, no se puede conseguir un set-up óptimo para el tiempo de tests del que se dispone y el piloto tiene que aceptar las deficiencias que puedan quedar.

La elección del tipo de auto-blocante a emplear es muy importante, ya que la mayoría de los tipos introducen tirones no deseables para la condición de aceleración combinada con giro.

Los diferenciales de deslizamiento limitado más usados en competición son los llamados comúnmente de rampas o Salisbury, que permiten una configuración relativamente sencilla de la precarga (muelle) y del TBR (discos y ángulos de rampas).

Básicamente el funcionamiento del diferencial puede describirse como:

Más presión en los discos = más bloqueo del diferencial.

En los diferenciales de rampas se puede configurar la cantidad de bloqueo del diferencial tanto en aceleración como en retención. Una menor cantidad de discos es capaz de soportar un par menor, cuando este par, generado mediante fricción, es superado, los palieres comienzan a girar a distintas velocidades. Lógicamente, cuantos más discos utilicemos mayor es la fricción máxima y por tanto mayor es el par capaz de transmitir tanto en aceleración como en retención.

Pero la cantidad de bloqueo del diferencial no depende solo de los discos. Cuando se configura un diferencial, se suelen dar tres datos. Si por ejemplo tenemos un diferencial 45/45/4, el primer número indica el ángulo de las rampas en la fase de aceleración, el segundo el ángulo de las rampas en fase de retención y el tercer número indica el número de discos utilizados, en la mayoría de los vehículos el tercer número no suele poder modificarse, aunque es cierto que ciertos diferenciales permiten jugar, en efecto, con el número de discos, y también con el coeficiente de fricción de los mismos.

Configuración del diferencial de rampas de un monoplaza de GP2, se puede ver el ángulo de las rampas en retención (60º) y en aceleración (20º). En este caso, estos datos los proporciona el fabricante como set-up base a partir del cual empezar a realizar modificaciones.

Cuanto mayor es el ángulo de la rampa menor es la componente horizontal de fuerza y por tanto menor el bloqueo que se produce en el diferencial, siendo por ejemplo 80º un tarado del diferencial «suave» y 30º un tarado «duro».

La explicación de este fenómeno es relativamente sencilla, cuando el eje o bulón del satélite apoya sobre la rampa (movimiento longitudinal) este pretende mover la carcasa, que solo permite desplazamientos transversales al sentido de la marcha, como las fuerzas aplicadas sobre la rampa solo pueden transmitirse de forma normal a ésta, el ángulo determina, para un mismo movimiento longitudinal, el valor del movimiento transversal. Así, para una fuerza de, por ejemplo, valor 10 N con un ángulo de rampa de 30º la componente transversal será: 10cos30=8.66 N pero para un ángulo de rampa de 80º será: 10cos80=1.74 N, es decir, un ángulo de rampa de 30º supone un bloqueo casi cinco veces mayor que un ángulo de 80º.

A menudo se habla de que el diferencial XX/XX es mejor para tal circuito que el YY/YY, en realidad esto no significa nada si no se tiene en cuenta el número de discos de fricción empleados ya que un diferencial con ángulos pequeños (más bloqueo) pero menos discos (menos bloqueo) puede ser, aunque parezca lo contrario debido a los ángulos de rampa empleados, más suave que otro diferencial con mayores ángulos pero más discos. La siguiente tabla muestra la cantidad de bloqueo de diferencial en función de los ángulos de rampas empleados y del número de discos.

Bloqueo de diferencial		Nº de discos
Bloqueo de diferencial		1	2	3	4	5	6
Ángulos	30	1,732	2,598	3,464	4,330	5,196	6,062
	35	1,638	2,457	3,276	4,095	4,914	5,733
	40	1,532	2,298	3,064	3,830	4,596	5,362
	45	1,414	2,121	2,828	3,535	4,242	4,949
	50	1,286	1,929	2,572	3,215	3,858	4,501
	55	1,147	1,721	2,294	2,868	3,441	4,015
	60	1,000	1,500	2,000	2,500	3,000	3,500
	65	0,845	1,268	1,690	2,113	2,535	2,958
	70	0,684	1,026	1,368	1,710	2,052	2,394
	75	0,518	0,777	1,036	1,295	1,554	1,813
	80	0,347	0,521	0,694	0,868	1,041	1,215
	85	0,174	0,261	0,348	0,435	0,522	0,609

Esta tabla que relaciona los el bloqueo del diferencial en función de los ángulos de rampas y del número de discos utilizados.

La gráfica es sencilla de interpretar, por ejemplo un 30/60/2 significa un bloqueo de 2.598 en aceleración y de 1.500 en retención.

Existen varias combinaciones que dan un valor de bloqueo muy similar, y que por tanto, serían perfectamente válidos, no obstante, un diferencial es un componente en cuyo interior existen elementos que trabajan en contacto unos con otros y por tanto las temperaturas que se alcanzan pueden poner en entredicho el correcto funcionamiento, por eso ante dos configuraciones posibles de rampas y discos, escogeremos siempre aquella que utilice más discos ya que la disipación del calor será mayor, un diferencial que sobrepasa su temperatura de funcionamiento pierde rendimiento e incluso puede acabar comportándose como un diferencial libre.

Fase de aceleración
El objetivo en las carreras es conseguir salir de la curva tan rápido como sea posible, si nuestro tarado de diferencial en aceleración es demasiado suave, es decir, si el par que es capaz de transmitir antes de que exista diferencia de velocidades entre ruedas no es lo suficientemente alto para la curva que estamos negociando, al abrir gas, sobrepasaremos la capacidad de fricción de los discos. Esto significa que la rueda con menos capacidad de tracción empezará a patinar haciendo que la rueda exterior, que esta más cargada, y por tanto tiene más capacidad de tracción, no aproveche todo su potencial. No hace falta decir que esto nos hace perder un valiosísimo tiempo por vuelta además de destrozar el neumático interior.

Por el contrario, si escogemos un tarado de diferencial demasiado duro, todo el par motor será transmitido a las dos ruedas, y si este es capaz de superar la adherencia que pueden proporcionar los neumáticos, ambos deslizaran al mismo tiempo, produciendo una derrapada violenta y difícil de controlar. Si el motor no tiene la suficiente potencia para sobrepasar la adherencia del neumático la tendencia será subviradora.

Porsche 911 GT3 Cup saliendo de una curva deslizando ligeramente, un diferencial con un tarado un poco más duro podría solucionar el problema.

Por tanto, la elección del set up del diferencial debe ser un compromiso, existen múltiples combinaciones y debemos procurar conseguir aquella que haga al coche más efectivo y al mismo tiempo permita la piloto ir más cómodo.

Fase de retención
El objetivo en esta fase de la negociación de la curva es de nuevo entrar lo más rápido posible pero matizando ciertos aspectos, necesitamos un buen control del vehículo que nos permita seguir la trazada más adecuada para conseguir la máxima aceleración a la salida de la curva, puedes ganar una décima en una buena entrada en curva, pero perderás 3 si sales mal. Volviendo a la misma dinámica que para la fase de aceleración supongamos un diferencial tarado muy suave, a la entrada de la curva el coche tenderá o sobrevirar, metiéndonos demasiado pronto en la curva, lo que echa por tierra la técnica de colocar bien el coche para salir rápido. Este efecto se produce por el hecho de que las ruedas traseras pueden rodar a distintas velocidades y por tanto no ejercen a penas momento estabilizador. En el extremo opuesto, nos encontramos con un eje bloqueado al 100% lo que, como ya se ha comentado, introduce un fuerte momento subvirador.

Ligero subviraje a la entrada de la curva, un diferencial menos «duro» en retención mitigaría este efecto.

De nuevo, el tarado del diferencial debe ir en busca de un compromiso que permita al coche entrar en curva sin subviraje ni sobreviraje, evidentemente, existen muchas combinaciones posibles dependiendo del tipo de circuito, del piloto y del vehículo. Por tanto será importante tener una cierta base empírica. Es a partir de aquí dónde empieza «el arte«.

La maniobra punta-tacón consiste en dar un golpe de acelerador a la vez que se está pisando el freno. El objeto de esta maniobra es elevar el régimen del motor antes de engranar una marcha más corta, bien para eliminar la eventual retención que produciría el motor, o bien -si además se hace doble embrague- para facilitar el engranamiento de la marcha.

Posicionamiento de los pies para realizar la maniobra de punta-tacón

Desde el punto de vista del comportamiento del vehículo con un diferencial de deslizamiento limitado, la maniobra punta tacón se realiza con el objetivo de reducir la retención del motor sobre la transmisión o bien, si lo miramos al revés, reducir la fuerza que tiene que hacer el neumático para acelerar el motor. Con esto lo que estamos haciendo es reducir la acción del diferencial en la fase de retención, el eje de los satélites actúa sobre las rampas con mayor fuerza cuanta más diferencia de pares existe entre los semiejes del diferencial y el eje de entrada, al reducir este par (la retención) estamos haciendo que el diferencial bloquee menos, es decir que permita una mayor diferencia de velocidades, esto sólo ocurre durante un corto periodo de tiempo, pero es lo suficientemente grande como para inscribir el coche en la curva con mayor libertad.

La estabilidad en línea recta, tanto en tracción como en retención, no suele ser un problema en un circuito, sin embargo existen ciertas circunstancias en las que un diferencial de deslizamiento limitado puede causar inestabilidades. Por ejemplo, si acelerando fuerte con el volante ya recto, pisamos con una de las ruedas una superficie deslizante como una mancha de aceite, tierra, un piano mojado…, con un diferencial de deslizamiento limitado, la rueda que sí tiene adherencia, generará un par que hará girar al vehículo precisamente el la dirección de la superficie deslizante, y será tan rápido y violento que es muy probable que acabemos fuera de pista, en este aspecto un diferencial libre o con un tarado muy blando tiene una de sus grandes virtudes, la rueda que no tiene adherencia se encarga de hacer de válvula de seguridad «tirando» todo el par sin generar ninguna reacción sobre el rueda con mas adherencia.

En vehículos con tracción en un solo eje, la tracción degrada al final la capacidad de generar fuerza lateral del neumático y por tanto el eje no tractor suele tener más adherencia, así por ejemplo al final de una carrera, un tracción delantera habrá desgastado más los neumáticos delanteros y por tanto adolecerá de subviraje mientras un tracción trasera lo hará de sobreviraje. Por tanto, y sabiendo que al final de la carrera, el comportamiento del coche puede que tenga poco que ver con el que tenía a principio de la carrera, deberemos tener en cuenta este especto a la hora de configurar el diferencial.

Sirva la siguiente tabla como orientación para resolver los problemas de comportamiento en el vehículo mediante el ajuste del diferencial:

Bloqueo del diferencial	Efecto sobre el comportamiento	Efecto secundario
Aumento en aceleración y retención	Aumenta el subviraje	–
Aumentar en aceleración	Mas subviraje cuando aceleramos	Más estabilidad al salir de las curvas
Aumentar en retención	Más subviraje al soltar gas	Más estabilidad en frenadas con apoyo (entrada de curva)
Disminuir bloqueo en aceleración y en retención	Aumenta el sobreviraje	–
Disminución en aceleración	Aumenta sobreviraje a la salida de la curva	Menos estabilidad a la salida de las curvas pero mayor capacidad de giro
Disminución en retención	Aumenta sobreviraje a la entrada de la curva	Menos estabilidad al entrar en curva pero más agilidad y facilidad para inscribir el coche

Es bueno terminar un artículo con una cita que resuma el contenido del mismo;

«Driving a car as fast as possible is all about maintaining the highest possible acceleration level in the appropriate direction»

(Pilotar un coche tan rápido como sea posible se resume en mantener el máximo nivel de aceleración en la dirección adecuada).

Peter G. Wright Team Lotus Technical Director

Este artículo es la segunda parte del monográfico sobre diferenciales. La primera parte se puede encontrar en diferenciales de deslizamiento limitado, una visión general (1 de 2).

Puedes descargar este artículo completo en PDF (Partes 1 y 2).

Sobre el autor:

Juan Lasheras, además de un amigo y compañero de faena, es Ingeniero técnico Mecánico y en la actualidad trabaja en un equipo de la Formula 3. Nuestro agradecimiento por parte de todo el equipo de 8000vueltas por su colaboración con nosotros, esperamos que en el futuro puedan surgir nuevos artículos. Gracias.

Bibliografía y fuentes

Libros y documentos.

RACE CAR VEHICLE DYNAMICS – Milliken & Milliken. SAE.1995.
RACE CAR Engineering & Mechanics – Paul Van Valkenburgh. 2000.
Documento SAE Nº 942485. Oversteer/Understeer Characteristics of a Locked Differential.
Motocicletas, Comportamiento Dinámico y Diseño de Chasis. Tony Foale. 2002
The Succesfull Race Car Driver – Robert Metcalf. SAE. 2000.
Ingeniería del Automóvil. P. Luque. Ed. Thomson. 2008.
GP2 User Manual. Dallara.2005.
Manual de Usuario F300 (Fórmula 3) de Dallara. 2003.

Artículos e Internet