Tipos de tecnologías de transmisión integral 4×4 (II)

En capítulo I de este tema se ha explicado lo siguiente; aportaciones de la transmisión integral (círculo de adherencia),  particularidades de circular con 4×4 en piso adherente y sistemas con un eje motriz permanente y el otro conectable de forma manual o automática. En este capítulo II exponemos los sistemas de 4×4 permanente y los complementos de transmisión para todoterreno. Hay otros elementos implicados en los automóviles todoterreno, entre estos la suspensión y estructura de carrocería son muy importantes. Al final del artículo se dan enlaces complementarios.

El concepto de 4×4 permanente quiere decir que las cuatro ruedas reciben par motor en todas las condiciones de utilización. En curvas los dos ejes giran a velocidades diferentes, lo que en firme adherente supondría fatigas y desgastes para los neumáticos y transmisión (en automóviles 4×4 permanentes). Se evita esta situación con un diferencial central que recibe el par motor y lo reparte entre las transmisiones de los ejes, veamos las diferentes opciones técnicas para lograrlo. Como en el capítulo I utilizamos para cada sistema explicado implantaciones de automóviles 4×4 reales, y al final se ven los modelos implicados remarcando las particularidades de la transmisión 4×4 en cada caso.

4×4 permanente con bloqueo manual (diferencial central)

Empezamos por el sistema más simple de 4×4 permanente para el que nos basamos en la implantación del Land Rover Defender, esta es su tecnología;

    • Motor delantero longitudinal de 4 cilindros en línea
    • Caja de transferencia a continuación de la caja de cambios
    • El árbol de salida de la caja de cambios mueve un piñón
    • Que engrana con el diferencial central
    • Llevando el giro y par motor a las cuatro ruedas de forma permanente
    • En piso adherente el diferencial central está libre, adaptando el reparto de velocidad entre los dos ejes en curvas como lo hacen los diferenciales de cada eje con sus respectivas ruedas
    • En piso deslizante si una rueda patina se llevaría todo el par impidiendo el avance
    • Se soluciona incorporando un sistema de bloqueo del diferencial central mediante un acoplador y su palanca accionable por el conductor. Aunque con el diferencial bloqueado no se puedan adaptar las velocidades de los ejes en curvas, la baja adherencia permite que las ruedas patinen para compensarlo sin riesgos mecánicos
    • Al circular de nuevo sobre firme con adherencia se ha de desbloquear el diferencial central para que al quedar libre pueda adaptar la velocidad de los dos árboles de transmisión en curvas, de no hacerlo se dañarán neumáticos y transmisión

 

Como vemos este sistema 4×4 permanente reduce de forma continua el riesgo deslizamiento, pues las ruedas reciben permanentemente la mitad del par que con un único eje motriz, pero si la adherencia disminuye sensiblemente puede que el par que reciba alguna rueda supere su circulo de adherencia y sea necesario bloquear el diferencial central, como se ha explicado. Al circular de nuevo por piso con buen agarre se ha de desbloquear el diferencial central. Estas operaciones han de ser realizadas por el conductor en las situaciones adecuadas para poder avanzar sin dañar componentes mecánicos. Como se comentó en el capítulo I, la evolución de los automóviles 4×4 a usos particulares y de ocio ha hecho buscar soluciones técnicas que auto adapten el funcionamiento de la transmisión integral sin que tenga que intervenir el conductor, o facilitando sus actuaciones.

4×4 permanente con auto bloqueo progresivo del diferencial central

Para facilitar las intervenciones del conductor vamos a ver un sistema de auto bloqueo del diferencial central, con la base de la implantación de un Range Rover Sport:

    • Motor delantero longitudinal de 6 cilindros en V
    • Caja de transferencia después de la caja de cambios
    • Desde la caja de cambios el árbol de salida da movimiento a un piñón
    • Que engrana con la corona del diferencial central
    • El diferencial central reparte el par y velocidad a los elementos de transmisión de cada eje, 4×4 permanente
    • Sistema de bloqueo del diferencial central; un cárter acoplado a la corona del diferencial tiene dentro un conjunto de discos engranados en su dentado periférico interior
    • Otro conjunto de discos es solidario al árbol de transmisión trasero
    • El cárter está lleno de aceite, conformando con los dos conjuntos de discos un embrague multidisco en baño de aceite, tal como se explicó en el capítulo I
    • Un control electrónico acciona un sistema de empuje sobre los discos
    • El diferencial está libre en piso adherente, los discos están separados. Si la adherencia se reduce puede llegar a patinar alguna rueda impidiendo el avance
    • En piso deslizante si hay pérdidas de adherencia el control electrónico ejerce presión sobre los discos hasta que las cuatro ruedas giran sobre el piso
    • El reparto variable de par por el acoplamiento progresivo de los discos se va adaptando a las condiciones de adherencia y circulación

 

La tendencia teórica y genérica de los automóviles 4×4 en curva es neutra, deslizamiento al límite de adherencia de las cuatro ruedas, siendo laborioso recuperar la trayectoria. Esto nos lleva al siguiente sistema de 4×4 permanente. (En el artículo “Estabilidad” en la sección “Tecnología del automóvil” se explican los comportamiento en curva si te interesa).

4×4 permanente con diferencial asimétrico y auto bloqueo progresivo

Para compensar la tendencia neutra en curva y mejorar el paso de par a las ruedas traseras en aceleración, especialmente si el motor está delante, se suele incorporar el diferencial asimétrico; el reparto de par de base es diferente para cada eje, lo más frecuentes es 40% delante y 60% detrás (suele mantenerse el auto bloqueo progresivo). Lo vemos en la animación siguiente con la implantación de un Porsche Cayenne:

    • Motor longitudinal delantero de 8 cilindros en V
    • Caja de transferencia después de la caja de cambios
    • Desde la caja de cambios el árbol de salida da movimiento a un piñón
    • Que engrana con la corona del diferencial central asimétrico*; tiene una geometría y tamaño de sus engranajes que permiten un reparto de par diferente entre los ejes, generalmente más % detrás que delante para favorecer las aceleraciones (aumento de peso detrás) y compensar la tendencia neutra en curva al límite de adherencia
    • Bloqueo del diferencial central asimétrico; con un embrague multidisco en baño de aceite y control electrónico para el empuje sobre los discos
    • El diferencial asimétrico está libre en piso adherente, repartiendo el par según diseño, por ejemplo 40% delante y 60% detrás
    • Si patina alguna rueda en piso deslizante el control electrónico ejerce presión sobre los discos hasta que las cuatro ruedas giran sobre el piso
    • El reparto base de par se va adaptando a las condiciones de adherencia y circulación

 

El control electrónico permite anticiparse a posibles pérdidas de adherencia por las informaciones de velocidad, giro del volante y oscilaciones de la carrocería, para adaptar el bloqueo progresivo del diferencial central asimétrico a las deducciones del comportamiento del automóvil.

* Si sabes cómo funciona un diferencial cónico entenderás estas explicaciones; los satélites y planetarios que dan movimiento a los árboles de transmisión delantero y trasero son de distinto tamaño. Se han representado de mayor tamaño los satélites y planetario del la transmisión trasera, de forma que este eje recibirá más par motor sin patinamiento de ruedas. Como se ha comentado un reparto habitual es 40% delante y 60 % detrás. El diferencial asimétrico puede ser con piñones cónicos como el representado o con engranajes epicicloidales.

4×4 permanente con diferencial central autoblocante torsen

Hay más sistemas de bloqueo del diferencial central, entre estos el torsen de funcionamiento mecánico es muy interesante, por cómo funciona y para entender sus efectos en maniobras, lo vemos con la implantación de un Audi Quattro;

    • Motor delantero longitudinal de 5 cilindros en línea
    • Caja de transferencia detrás de la caja de cambios (puede estar integrada en esta)
    • Desde la caja de cambios el árbol de salida da movimiento a un piñón
    • Que engrana con la corona del diferencial central torsen*; se basa este diferencial en que un piñón con dentado “sin fin” puede hacer girar a otro con dentado helicoidal, pero a la inversa hará falta una fuerza adicional proporcional al ángulo del dentado “sin fin”
    • En piso adherente en recta no actúa el diferencial torsen al no haber diferencia de velocidad entre los ejes
    • Al girar la dirección con buena adherencia los ejes giran a diferente velocidad, y se produce el efecto de que los piñones helicoidales han de hacer girar a los de dentado “sin fin”, para lo que se necesita más par, hay que acelerar. Esto implica que en maniobras y curvas cerradas se nota como se reduce la velocidad y se tiene que acelerar para compensarlo
    • Si tiende a patinar alguna rueda en piso deslizante el efecto del diferencial torsen mantiene un buen reparto de par que permite seguir avanzando

 

Por diseño de la geometría del los dentados de los piñones helicoidales y “sin fin”, se puede determinar el comportamiento del torsen con más o menos necesidad de par para que haga el efecto diferencial, primando el avance en piso deslizante y todoterreno o para influir menos en las maniobras, se trata de opciones de compromiso en automóviles para diferentes usos.

Aunque la eficacia del diferencial torsen es buena en firme deslizante, los efectos para utilización en piso adherente hacen que se busquen soluciones que afecten menos a la conducción en coches 4×4 no especializados, desde sistemas parecidos al torsen, más simples, a los ya explicados del diferencial “normal” con embrague multidisco de bloqueo con control electrónico.

* Diferencial torsen (“torque sensitive”; sensible al par); la corona del diferencial mueve dos conjuntos de satélites con dentado recto engranados entre sí. Cada grupo enfrentado de dos satélites es solidario por el interior con un piñón con dentado “sin fin”. Cada uno de los piñones con dentado “sin fin” engrana con los respectivos planetarios de cada eje, que son piñones con dentado helicoidal. Hay al menos tres conjuntos de estos grupos de engranajes. Al final del artículo se facilitan enlaces a iinformaciones de este diferencial.

4×4 conectable manual con reductora

Cuando se busca un buen comportamiento del automóvil 4×4 fuera de carretera, en zonas agrestes con fuertes baches, subidas y bajadas muy inclinadas hablamos de un todoterreno, entonces se necesita algo más que el 4×4, bueno y también hay que diseñar otros aspectos afectados, pero en este artículo estamos centrados en la transmisión. Se ha de incorporar la “reductora” como vemos sobre la implantación de un Jeep Wrangler:

    • Motor delantero longitudinal de 4 cilindros en línea y 4×4
    • Aparecen dos piñones, uno con menos diámetro que el otro, que reciben el movimiento desde la caja de cambios y se pueden desplazar longitudinalmente como conjunto sobre las estrías del eje
    • Otros dos piñones de diámetro distintos están acoplados al árbol de transmisión trasero de propulsión permanente. En la posición de la imagen están engranados los dos piñones del mismo diámetro, de forma que no se altera la relación de salida de la caja de cambios. El conjunto de los cuatro piñones es lo que se conoce como “reductora”, aunque esta función la hacen dos como veremos
    • Aparece el sistema de conexión de la tracción (delantera), 4×4, que se explicó en el capítulo I, mediante un acoplamiento del árbol de transmisión delantero al trasero
    • Varillaje de accionamiento del acoplamiento 4×4
    • Varillaje de actuación de la “reductora”, conjunto de dos piñones de distinto diámetro
    • Palanca de transmisión accionable por el conductor; tiene como vamos a ver dos funciones. En el punto de partida la posición es “2” ( dos ruedas motrices, en este caso las traseras)
      • Conexión 4×4 por el conductor, se indica la posición “4”, cuatro ruedas motrices (suele haber un indicador en el cuadro)
      • Con dos movimientos más de la palanca de transmisión el conductor pasa por “N” (punto muerto de la caja de transferencia)* para llegar a “R”, “reductora” dónde como se ve cambia la posición de los piñones, ahora está engranado el “pequeño” de salida de la cala de cambios con el “grande” de la transmisión (estamos en 4×4), lo que aumenta el valor del par que reciben los ejes y reduce en la misma proporción la velocidad

 

Las posiciones de las dos relaciones de la caja de transferencias se llaman “largas” y “cortas o “reductora”. Circulando en cortas se puede desplazar el automóvil muy lentamente sobre grandes baches u obstáculos sin tener que hacer patinar al embrague. También se podrán afrontar subidas muy inclinadas si la adherencia lo permite. Y es una excelente ayuda para bajar estas pendientes contando con gran retención del motor. El hecho de que para conectar las “cortas” haya estar antes en 4×4, es para evitar que tanto par motor llegue a un único eje lo que podría someter a fuertes solicitaciones a sus componentes de transmisión. En los todoterreno se indica la relación de la reductora que suele estar en el entorno de 2:1, es decir multiplica el par de salida por 2 y divide la velocidad por 2. Circulando en “cortas” se dispone de todas las relaciones de la caja de cambios con más desmultiplicación.

* Neutro ”N”; esta posición de la caja de transferencia ha tenido utilidad en los todoterreno originales, acoplando un árbol adicional de transmisión a la salida del eje de la caja de cambios que llegue al exterior del vehículo se puede mover algún complemento externo, bomba de agua, poleas de arrastre, generador eléctrico, entre otros. Si te interesa este detalle lo puedes consultar en el artículo “Jeep Willys” en la sección del blog “Historia del automóvil”.

4×4 permanente con reductora

Los todoterreno con 4×4 permanente también cuentan con caja de transferencia con “reductora”, como vemos seguidamente sobre la implantación de un Mercedes G, que tiene además más complementos para poder circular casi por cualquier sitio:

    • Motor delantero longitudinal de 5 cilindros en línea y 4×4
    • El diferencial central mueve las transmisiones de los dos ejes
    • El piñón de la corona del diferencial tiene el mismo diámetro que el de salida de la caja de cambios con el que está engranado, no hay alteración de la relación
    • Es la posición “4L”; 4 ruedas motrices con diferencial central libre
    • Cuando el piso es deslizante…..
    • Se dispone de un sistema de bloqueo del diferencial central
    • Con su varillaje y accionamiento desde la palanca de transmisión manejada por el conductor
    • El conductor bloquea el diferencial central, posición “4B”; 4 ruedas motrices con diferencial central bloqueado
    • Aparecen a continuación dos piñones más, uno de pequeño diámetro unido a la salida de la caja de cambios y otro de más diámetro solidario al diferencial central, estos piñones conforman la “reductora” con relaciones “cortas”
    • Se ve el varillaje de desplazamiento del conjunto de piñones de salida de la caja de cambios y su acoplamiento con la palanca de transmisión del conductor
    • El conductor cambia de “largas”, “4B” a “cortas”, “R”
    • Bloqueo manual del diferencial trasero; con sistema de bloqueo y palanca que es accionada por el conductor
    • Bloqueo manual del diferencial delantero; sistema de bloqueo y palanca de accionamiento por el conductor
    • En estas condiciones están bloqueados los tres diferenciales, recibiendo las cuatro ruedas la misma velocidad, pues el par depende de la adherencia de cada rueda con el suelo
    • Esta situación es para casos muy extremos y se han de ir desconectando los diferenciales de los ejes en cuanto sea posible para evitar dañar la transmisión

 

Son contados los todoterreno “civiles” que incorporan de serie el bloqueo de los tres diferenciales (o los de los ejes si es un 4×4 conectable), el Mercedes G es desde mi punto de vista el mejor ejemplo (2015). Actualmente el bloqueo de los tres diferenciales se hace con accionamiento eléctrico y por el siguiente orden establecido de conexión; diferencial central, trasero y delantero y a la inversa para desbloquearlos, y tiene sus correspondientes testigos para información del conductor

Aplicaciones 4×4

Hemos utilizado implantaciones de automóviles reales para las explicaciones de las tecnologías 4×4 de este capítulo II, veamos ahora imágenes de los coches repasando las características de sus transmisiones 4×4:

    • Land Rover Defender; motor delantero longitudinal, 4×4 permanente con diferencial central de bloqueo manual
    • Range Rover Sport; motor delantero longitudinal, 4×4 permanente con diferencial central auto bloqueable por discos en aceite y control electrónico
    • Porsche Cayenne; motor delantero longitudinal, 4×4 permanente con diferencial central asimétrico auto bloqueable por discos en aceite y control electrónico

 

    • Audi Quattro; motor delantero longitudinal, 4×4 permanente con diferencial central torsen (autoblocante mecánico sensible al par)
    • Jeep Wrangler; motor delantero longitudinal, propulsión permanente con tracción conectable manual y “reductora”
    • Mercedes G; motor delantero longitudinal, 4×4 permanente, “reductora” y bloqueo manual de los tres diferenciales

 

En el artículo “Tipos del 4×4” en esta sección se explican las cuatro principales aplicaciones de la transmisión integral según los objetivos; todoterreno, todocamino (SUV), turismo 4×4 y prestacional

Cotas todoterreno

Los automóviles todoterreno han de tener unas características muy específicas para su adaptación fuera de carretera, cuanto mejor comportamiento tenga como todoterreno extremo peor será en carretera y a la inversa. Dos aspectos importantes son las suspensiones y estructura de carrocería, que no son objeto de este artículo centrado en la transmisión. Para tener una idea de lo que se espera de un todoterreno vemos a continuación sus características más señaladas, con imágenes de Jeep Willys;

    • Ángulo de ataque; al afrontar pendientes o superar obstáculo de frente sin que toque ningún elemento del automóvil
    • Ángulo de salida; al llegar al final de una bajada o descender de un obstáculo, se mide por detrás sin que toque el automóvil
    • Pendiente máxima superable; en 1ª “corta” en piso de buena adherencia indica el ángulo máximo de ascenso posible por par motor
    • Ángulo ventral (cresta); al superar una loma, cresta u obstáculo indica la cota en grados sin que toquen los bajos del coche
    • Inclinación lateral; máximo ángulo antes del vuelco con buena adherencia
    • Profundidad de vadeo; altura a la que puede llegar el agua sin que se produzcan daños mecánicos o entre al habitáculo
    • Cruce de puentes; altura que puede subir cada rueda antes de que despegue del suelo otra

 

La eficacia de  la transmisión integral es basa en la adherencia entre los neumáticos y el piso. Al haber muchas posibilidades de tipos de piso, asfaltos, tierra, arena, barro, hierba, piedra, dunas,…. cada una requeriría neumáticos específicos, por lo que se ha de elegir aquel o aquellos que ofrecen los mejores compromisos para los usos previstos.

 

Enlaces de interés

En el blog

    • En esta sección “Nuevas tecnologías”; “Tipos de tecnologías de transmisión integral 4×4 I”, “Tipos de automóviles 4×4” y “Formas de carrocería I y II”
    • En la sección “Historia del automóvil”; “Jeep Willys”, “Lada Niva” y “Audi Quattro”
    • En la sección “Actualidad”; “Todoterreno y todocamino” y “Deslizamiento límite de ruedas”
    • En la sección “Tecnología del automóvil”; “Carrocería II“
    • En la sección “Evolución de órganos y elementos”; “Elementos elásticos de suspensión I”

 

Otros enlaces

Diferencial central

http://prensa.audi.es/wp-content/uploads/2012/06/Audi-V8-Diferencial-central-planetario-con-embrague-multidiscoG.jpg

 

Bloqueo manual del/los diferencial/es

http://aficionadosalamecanica.com/images-transmision/diferencial-bloqueo-manual2.jpg

http://image.motortrend.com/f/18937521+w750/112_0906_02z+2009_mercedes-benz_g550+differential_lock_buttons.jpg

 

Auto bloqueo del diferencial

http://imagenes.km77.com/fotos/bbtcontent/clipping/KM7KPH20090623_0010/3.jpg

https://www.youtube.com/watch?v=WeLm7wHvdxQ

 

Diferencial central torsen

http://prensa.audi.es/wp-content/uploads/2012/06/Audi-A4-2004-diferencial-central-TorsenG.jpg

https://www.youtube.com/watch?v=Z9iPqIQ_8iM

 

Reductora con 4×4 conectable

http://tecnoautos.com/wp-content/uploads/2011/09/Kawasaki-_Mule-_610-4×4-XC_palanca_1.jpg?fb01da

 

Reductora con 4×4 permanente

http://yosauto.com/imagen/23-01-09-4334/Mitsubishi–14.jpg

 

Datos de reductora de un 4×4 y cotas todoterreno

http://www.km77.com/precios/jeep/wrangler/2011/wrangler-28-crd-sport2

http://www.km77.com/precios/land-rover/defender/2007/defender-110-sw-e4

 

General

http://www.autocasion.com/actualidad/reportajes/99274/como-funciona-la-traccion-total/

 

Marcar como favorito enlace permanente.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

19 + diez =

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.