1 TEORIA BASICA DEL 4WD. Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.

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1 1 TEORIA BASICA DEL 4WD

2 Contenido 2 General 1.0 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas 1.1 Torque 1.2 Tracción 1.3 Por que las ruedas patinan? 2.0 Tracción a las cuatro ruedas y pérdida de tracción 3.0 Componentes 3.1 Diferenciales 3.2 Caja de transferencia 3.3 Bloque de cubos 4.0 Sistema Básico

3 General 3 Existen varios tipos de sistemas 4WD y cada fabricante tiene distintos métodos y esquemas para transferir potencia a las cuatro ruedas. El lenguaje usado por los distintos fabricantes pueede aveces ser algo confuso, por lo que comenzaremos explicando como trabajan y aclarar algunos términos: Tracción a las cuatro ruedas (Four-wheel drive, 4WD) Usualmente cuando los fabricantes dicen que un vehículo es 4WD, se refieren al sistema tiempo parcial (part time). Por razones que exploraremos más adelante en este artículo, estos sistemas solamente son usados en condiciones de la baja tracción, tales como condiciones fuera de carretera (off-road) o en nieve o hielo. Tracción a todas las ruedas (All-wheel drive) Este sistema a veces es llamado también tracción a las cuatro ruedas de tiempo completo (full-time four-wheel drive). El sistema All-wheel-drive ha sido diseñado para funcionar en todas las superficies, dentro de carretera (on road) y fuera de carretera (off road), y la mayoría de ellos no se puede deshabilitar o desconectar. Los sistemas part-time y full-time pueden evaluarse usando los mismos criterios. El mejor sistema enviará la cantidad exacta de torque a cada rueda, el cual será el máximo torque que no cause patinaje del neumático.

4 General 4 Engine: Motor Transmission: Transmisión o caja de cambios Transfer case: Transferencia Front drive shaft: cardán delantero Rear drive shaft: cardán trasero Front differential: diferencial delantero Rear differential: diferencial trasero

5 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas 5 Necesitamos saber un poquito sobre torque, tracción y patinaje de las ruedas antes de entender los diferentes sistemas 4WD que se encuentran en los vehículos Torque Torque es la fuerza de torsión que un motor produce. El torque que viene del motor es el que mueve el automóvil. Los engranajes de la transmisión y el diferencial multiplican el torque y lo dividen entre las ruedas. Mas torque puede ser enviado a las ruedas en 1a velocidad que en 5ta velocidad por que en 1a velocidad existe una relación de transmisión mas grande que en 5ta velocidad, por lo que la multiplicación de torque es mayor.

6 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas 6 La barra indica la cantidad de torque producida por el motor. La marca en el gráfico indica la cantidad de torque que causa que las ruedas patinen. El vehículo tendrá una buena salida si este torque no es excedido (las ruedas no patinan). El vehículo tendrá una mala salida si este torque se excede (la ruedas patinan). Tan pronto cuando las ruedas comienzan a patinar, el torque cae casi hasta cero.

7 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas Tracción Definiremos tracción como la máxima cantidad de fuerza que el neumático puede aplicar en contra del suelo o camino (o también que el camino aplica contra el neumático, es lo mismo). Estos son los factores que afectan la tracción: El peso sobre el neumático Mientras mas peso sobre el neumático, mas tracción existirá. El peso variará de acuerdo a las condiciones de marcha del vehículo. En instantes, cuando el vehículo realiza un giro, el peso cambia hacia las ruedas externas al giro; cuando acelera, el peso cambia hacia las ruedas traseras, etc. El coeficiente de fricción Este factor relaciona la cantidad de fuerza de fricción entre dos superficies con la fuerza que mantiene juntas a ambas superficies. En nuestro caso, relaciona la cantidad de tracción entre los neumáticos y el camino con el peso existente sobre cada neumático. El coeficiente de fricción depende del tipo de neumáticos y del tipo de superficie por donde se conduce el vehículo.

8 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas 8 Patinaje de la rueda - Existen dos tipos de contacto entre los neumáticos y el camino: contacto estático y contacto dinámico. Contacto estático - Es cuando entre el neumático y el camino no existe patinaje relativo. En este caso coeficiente de fricción es alto (mayor que en contacto dinámico) por lo que se provee de la mejor tracción. Contacto dinámico Es cuando entre el neumático y el camino existe patinaje. En este caso el coeficiente de fricción es bajo (menor que en el contacto estático) por lo que se obtiene una tracción pobre.

9 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas Por qué las ruedas patinan? Muy simple, el patinaje ocurre cuando la fuerza aplicada al neumático excede la tracción disponible en él. La fuerza es aplicada al neumático en dos formas: Longitudinalmente - La fuerza longitudinal viene del esfuerzo de torsión aplicado al neumático por el motor o por los frenos. Esta fuerza hace acelerar o decelerar (frenar) el vehículo. Lateralmente La fuerza lateral se crea cuando el vehículo es conducido girando en una curva. Esta fuerza hace que el vehículo pueda cambiar de dirección. La fuerza lateral es proporcionada por el neumático y el camino.

10 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas Transferencia de peso debido a la fuerza lateral Cuando el vehículo toma una curva, el peso de este se transfiere de la rueda interior a la rueda exterior. El índice de cambio es proporcional a la altura del centro de gravedad (CG), proporcional a la aceleración lateral (en g ) e inversamente proporcional a la trocha del vehículo. Esto es: Aceleración lateral x Peso x Altura del CG Transferencia de peso = Trocha del vehículo. Por ejemplo: Un vehículo gira en una curva generando 0,85 g, su trocha es de 1600 mm, la altura del CG es de 500 mm y pesa 1250 kg, entonces: Transferencia de peso = 0,85 (g) x 1250 (kg) x 500 (mm) 1600 (mm) = 332 kg

11 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas Transferencia de peso debido a la inclinación de la carrocería (body roll) La inclinación de la carrocería también produce transferencia de peso. Veamos la siguiente figura: New: nuevo Old: antiguo Roll center: centro de inclinación Weight: peso Es desplazamiento lateral del centro de gravedad (CG) es d

12 1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas 12 Ejemplo Un vehículo con una trocha de 1600mm, una altura del CG de 500mm y un peso de 1250kg, se inclina 10º cuando gira en una curva, entonces: d = 500 x sen10º = 86,8mm Luego, el peso de las ruedas exteriores puede calcularse como: Peso sobre ruedas exteriores = Peso x [ ( trocha / 2 ) + d ] trocha Peso sre = ( 1250 x ( ) ) 1600 = 693 kg Finalmente, las ruedas interiores soportan 557 kg (1250kg 693kg), por lo que la transferencia de peso es de 68 kg ((693kg 557kg) / 2).

13 2 4WD y baja tracción 13 Es fácil de entender el beneficio del 4x4: si se traccionan cuatro ruedas en vez de dos, usted tiene el potencial de duplicar la cantidad de fuerza longitudinal (fuerza que hace avanzar el vehículo) que aplican los neumáticos al camino. Esto puede ayudar en varias situaciones. Por ejemplo: En la nieve Se requiere bastante fuerza para mover el vehículo a través de la nieve. La cantidad de fuerza es limitada por la tracción disponible. La mayoría de los vehículos 2WD (tracción a dos ruedas) no pueden moverse si existen algunas pulgadas de nieve en el camino, por que en la nieve, cada neumático tiene sólo una pequeña cantidad de tracción. Un 4WD puede utilizar la tracción de todas sus ruedas. Fuera de carretera (Off road) En condiciones off-road, es muy común que en un eje se encuentre una rueda sin tracción, como al cruzar un riachuelo o un charco de barro. Con el 4WD el otro eje todavía tiene tracción, por lo que se puede seguir avanzando. Subir colinas resbalosas Esta tarea requiere mucha tracción. Un 4WD puede utilizar la tracción de todas sus ruedas para empujar el vehículo sobre la colina.

14 3 Componentes 14 Las principales partes de cualquier sistema 4WD son los dos diferenciales (delantero y trasero) y la caja de transferencia. Adicionalmente, el sistema de tiempo parcial tiene cubos de bloqueo, y ambos tipos de de sistemas (parcial y full) pueden tener avanzados sistemas electrónicos que ayudan al mejor uso de la tracción disponible.

15 3 Componentes Diferenciales. Un vehículo 4WD tiene dos diferenciales, uno entre las dos ruedas delanteras y otro entre las ruedas traseras. Ellos envían el torque desde el cardán a las ruedas. También permiten que las ruedas izquierda y derecha giren a distintas velocidades cuando se gira en una curva. Cuando se gira en una curva, las ruedas internas siguen una trayectoria distinta al de las ruedas externas, y las ruedas delanteras siguen una trayectoria distinta al de las ruedas traseras, entonces todas las ruedas giran a distintas velocidades. Los diferenciales permiten la diferencia de la velocidad entre las ruedas interiores y exteriores (En los AWD, la diferencia de velocidad entre las ruedas delanteras y traseras son manejadas dentro de la caja de transferencia, se discutirá mas adelante)

16 3 Componentes La Caja de Transferencia. Este dispositivo reparte el torque proveniente de la caja de cambios (o transmisión) entre el eje delantero y el eje trasero. Este es una típica transferencia de un 4WD de tiempo parcial. Los engranajes planetarios pueden ser engranados para proveer de alto torque en el rango bajo o LOW (4L). -Input (for transmission): Entrada (desde la transmisión). -Planetary Gear Reduction: Reducción de engranajes planetarios. -Rear Driveshaft: Cardán trasero. -Front Driveshaft: Cardán delantero. -Drive chain: Cadena de transmisión.

17 3 Componentes 17 La caja de transferencia en un 4WD parcial engancha el eje elantero y eje trasero, por lo que obliga a ambos ejes a girar a la misma velocidad o revoluciones. Debido a ello, cuando se gira en una curva, los neumáticos son obligados a patinar. Entonces en el 4WD parcial sólo se debe usar el 4x4 en condiciones de baja tracción en donde es relativamente fácil que los neumáticos patinen. En pavimento seco, no es fácil que las ruedas patinen, por lo que el 4x4 debe ser desconectado para prevenir que en las curvas se sobre esfuercen y dañen los neumáticos y los componentes del tren de potencia, como ejes y diferenciales (efecto de frenado).

18 3 Componentes 18 Algunas cajas de transferencias, comunmente las del tipo parcial, además cuentan con un conjunto de engranajes adicionales que permiten un rango bajo (LOW). Esta reducción de la relación de transmisión (generalmente mayor a 2:1), ofrece torque extra y una salida de velocidad super baja al vehículo. En 1ª marcha en el rango bajo, el vehículo tiene una velocidad tope de aproximadamente 8km/h, pero un increíble torque en las ruedas. Esto permite conducir lenta y suavemente por colinas muy escarpadas.

19 3 Componentes 19 Regresando al ejemplo cuando se gira en una curva: Mientras los diferenciales de los ejes delantero y trasero controlan la diferencia de velocidad entre las ruedas internas y externas, la caja de transferencia en los vehículos con sistema AWD tienen un dispositivo que permita la diferencia de velocidad entre las ruedas delanteras y las ruedas traseras. Este dispositivo es un diferencial central, un acople viscoso u otro tipo de conjunto de engranajes. Estos dispositivos permiten que los AWD funcionen correctamente en todas las superficies.

20 3 Componentes Eje de entrada 2. Eje intermedio 3. Eje de salida 4. Mensula y eje de salida delantera 5. Cadena 6. Motor de cambio 7. Bomba de aceite 8. Diferencial central (tipo planetarios) 9. Piñón superior 10. Mensula trasera 11. Cubo reductor (para 4H) 12. Eje y leva de cambio 13. Horquilla de cambio 14. Resorte de cambio 15. Eje piñón planetario (4H) 16. Conjunto engranajes planetarios

21 3 Componentes 21 Algunos fabricantes usan diferenciales regulares en conjunto con un acoplador viscoso VC el cual funciona como bloqueador automático de este diferencial cuando las condiciones lo requieran.

22 3 Componentes 22 Acoplador Viscoso (VC, Viscous Coupler o VCU, Viscous Coupler Unit)

23 3 Componentes Bloqueo de cubos. Cada rueda es apernada a un cubo. Los vehículos 4WD tipo parcial generalmente tienen bloqueo de cubos. Cuando el 4x4 no esta enganchado, el bloqueo de los cubos se usan para desconectar las ruedas delanteras del diferencial delantero, los semiejes (ejes que conectan el diferencial al cubo) y del cardán. Esto permite que el diferencial, los semiejes y el cardán no giren cuando se conduce en modalidad 2WD, de manera de reducir el desgaste de estas piezas y reducir el consumo de combustible. Comúnmente se utiliza el bloque de cubos tipo manual, en donde para enganchar el 4WD, el conductor debe bajarse del vehículo y girar la perilla de los cubos de las ruedas delanteras a la posición LOCK (bloqueo). Sistemas mas nuevos poseen sistema de bloqueo de cubos automáticos, los cuales se activan cuando el conductor conmuta a 4x4. Este sistema puede generalmente ser enganchado mientras el vehículo esta en movimiento. Cualquiera de estos sistemas, manual o automático, generalmente usan un collar deslizante que engancha el semieje al cubo.

24 4 Sistema Básico 24 El tipo 4x4 parcial comúnmente se encuentra en camionetas y antiguos SUV (Sport Utility Vehicle, Vehículo Deportivo Utilitario) y trabaja así: El vehículo en modalidad 2WD tracciona las ruedas traseras. La transmisión es apernada directamente a la caja de transferencia. Desde aquí, un cardán impulsa el eje delantero y otro cardán impulsa el eje trasero. - Half shaft: semieje - Locking hub: Bloque del cubo - Transfer case: Caja de transferencia - Rear shaft: Cardán trasero - Front shaft: Cardán delantero - Rear differential: Diferencial Trasero - Front differential: Diferencial delantero

25 4 Sistema Básico 25 Cuando el 4x4 es acoplado, la caja de transferencia engancha el cardán delantero al cerdán trasero, entonces cada eje (delantero y trasero) recibe la mitad del torque que viene del motor (50/50). En este momento, los cubos delantero están bloqueados. El eje delantero y trasero tienen un diferencial cada uno. A pesar que este sistema provee mucha mejor tracción que en 2WD, tiene dos desventajas principales: Ya discutimos una de ellas: no puede usarse en pavimento porque no diferencia la velocidad del eje delantero con el eje trasero, produciendo el efecto de frenado en las curvas. El segundo problema viene por el tipo de diferencial usado: Un diferencial reparte uniformemente el torque entre las dos ruedas que están conectadas a él. Si una de esas ruedas se sale del camino (no toca el suelo) o si está sobre una superficie muy resbaladiza, el torque aplicado a esa rueda cae a cero (gira libremente). Como el torque es aplicado uniformemente, significa que la otra rueda también recibe cero torque. Entonces aunque la otra rueda tenga disponible bastante tracción, ningún torque es transferida a ella (no gira).

26 4 Sistema Básico 26

27 4 Sistema Básico 27 Anteriormente dijimos que el mejor sistema 4WD envía la cantidad exacta de torque a cada rueda, la cantidad maxima de torque permisible la cual no hará patinar el neumático. Este sistema cumple pobremente este criterio, pues se enviará a ambas ruedas de un mismo eje la cantidad de torque máxima permisible de la rueda que tiene menor tracción. Existen algunas formas que mejoran un sistema como este. Reemplazar el diferencial normal (o diferencial abierto) por uno del tipo de deslizamiento limitado (o LSD, Limited Slip Differential) es una de las mas comunes. Este asegura que ambas ruedas de un eje dispongan de torque en cualquier circunstancia. Otra opción es un bloqueo de diferencial, el cual deshabilita la acción del diferencial uniendo los ejes de manera que ambas ruedas tengan torque en todo momento, incluso si una de ellas se despegue del suelo. Esto mejora el rendimiento en condiciones off road.

28 4 Sistema Básico 28 Diferenciales LSD