Viru+: El sistema de transmisión de un Formula 1 (Parte VI)
27 ago 2015  
205

En la anterior parte de esta viru+, te expliqué el funcionamiento de la caja de cambios de un F1. ¿Qué aún no lo has leído? Te recomiendo pinchar aquí para leerte la anterior.

Ya acabé con el segundo elemento principal que forma parte de la transmisión, esto es la caja de cambios. ¿Cuál es el siguiente? Pues toda vez que el par motor transmitido se aumenta en la caja de cambios, hay que transmitirlo a las ruedas a través de un mecanismo diferencial.

MECANISMO DIFERENCIAL

¿Qué es el mecanismo diferencial y para que sirve? Es un elemento mecánico formado por engranajes que permite, a las ruedas que traccionan, girar con diferentes velocidades en una curva. En recta el diferencial no actuaría y las dos ruedas girarían a la misma velocidad.

La explicación teórica está bien, pero siempre es mejor apoyarla en gráficos. Te enseño un mecanismo diferencial:

800px-Differentialgetriebe_Hinterachse_Porsche_Cayenne

El mecanismo diferencial puedes observarlo en esta fotografía. La gran rueda de engrane que ves a la derecha es una corona, que recibe el par motor transmitido desde la caja de cambios. A esta corona la mueve un piñón de ataque que gira solidario con el eje secundario de la caja de cambios.

Bien, la corona es la encargada de hacer girar todo el conjunto. ¿Se podría transmitir el par a las ruedas sólo usando la corona? Si, de hecho hay aún vehículos que no usan mecanismo diferencial para ahorrarse su peso. Ejemplos hay varios, como pueden ser los karts y los quads (en estos casos, la transmisión es por cadena), pero se hace en vehículos donde el peso es muy reducido. Lo ideal es el uso del diferencial para equilibrar su comportamiento en curva.

Anteriormente, en otras partes de esta viru+, te hablé de engranajes y trenes de engranaje. Bien, un mecanismo diferencial es un tren de engranajes especial, llamado tren epicicloidal. Un tren epicicloidal, también llamado engranaje planetariose compone de unos engranajes externos llamados planetas o satélites, los cuales giran alrededor de uno central llamado sol o planeta. Los satélites (es más común esta denominación) suelen estar montados sobre un portasatélites, que es un brazo cuyo centro de rotación es el engranaje central o planeta. En algunos casos, se incorpora un engranaje anular llamado corona que engrana con los satélites directamente. En el caso del diferencial, el que nos ocupa, la corona hace girar el portasatélites que, a su vez, arrastra a los satélites en giro alrededor de los planetas. Unas imágenes, que valen más que mil palabras, para explicarlo:

Differential_locked-2

Differential_free

Dos imágenes de un diferencial. La corona en morado, igual que el portasatélites (el brazo en U conectado a la corona) giran solidarios, junto con el satélite (en verde). Los planetas rosa y gris impulsan las ruedas, girando el satélite verde alrededor de ellos. Son en realidad dos satélites para equilibrar esfuerzos, el otro se encontraría en la parte superior del portasatélites. El diferencial funciona de dos maneras:

  • En rectadonde los satélites están bloqueados para rotar alrededor de su eje central,  pero se mueven solidarios al portasatélites. ¿Por qué se bloquean los satélites? No es que el sistema los bloquee a voluntad, es debido a que las dos ruedas ofrecen la misma resistencia al avance y no hay diferencias de par resistente. Esto produce un reparto del par saliente de la caja de cambios, de 50/50 a los planetas derecho e izquierdo.
  • En curva, donde los satélites se ven forzados a rotar alrededor de su eje central, porque hay una rueda que ofrece bastante más resistencia al giro que la otra. La rueda exterior a la curva gira más rápido que la interior porque los satélites le transmiten más del 50% del par a esa rueda. ¿Por qué? Porque la rueda interior a la curva genera mayor resistencia al giro y transmiten el movimiento a la otra rueda que gira más rápido y genera menor resistencia. Si el giro fuera infinitamente cerrado, la rueda interior no giraría y la exterior obtendría el 100% del par.

La imagen de la izquierda corresponde a un diferencial libre y la imagen derecha a un diferencial bloqueado. Es algo complicado de ver, pero si ves un vídeo quizá lo entiendas mejor.

Es una animación sencilla del funcionamiento interno del diferencial. Por supuesto habrás comprobado que no son engranajes cilíndricos normales. En realidad se necesita usar engranajes cónicos, ya que la transmisión de los esfuerzos se realiza entre ejes que forman ángulos rectos. En la animación también verás como los satélites se bloquean y los planetas giran por igual, que sería cuando el vehículo va en línea recta. Cuando los satélites giran, verás como uno de los planetas gira y el otro no, esto sería un caso extremo de una curva muy cerrada que obligue a que la rueda interior no deba girar. Lo normal no suele ser eso, sino curvas algo más amplias que obligan a las ruedas interiores a girar despacio, pero no a pararse.

El diferencial mecánico, como todo dispositivo, tiene sus limitaciones. En superficies resbaladizas y cuando las ruedas tractoras se encuentran, cada una, sobre distintas superficies; el diferencial encuentra problemas para evitar el patinaje de las ruedas. Se pierde tracción porque el diferencial no actúa correctamente y envía mucho par a la rueda que más patina. Esto se soluciona con el uso del diferencial autoblocante mecánico, que es un dispositivo que limita el efecto del diferencial en un porcentaje predeterminado. Es decir, limita la posibilidad de giro libre de una rueda respecto a la otra, hasta un porcentaje de resistencia fijo que se decide a criterio del diseñador. Hay 4 tipos de diferencial autoblocante:

  • De tipo mecánico en el que hay un muelle que hace actuar un mecanismo que aumenta el rozamiento interno. Esto ocurre cuando una rueda empieza a deslizar más de la cuenta y el muelle no encuentra resistencia en su elongación, activando el mecanismo que limita ese deslizamiento.
  • De tipo mecánico, llamado Torsen. En este tipo de diferencial, se sustituyen los satélites por tres pares de engranajes helicoidales y los planetas son tornillos sin fin. Esto hace al Torsen un sistema único en su clase. El diferencial Torsen (contracción del inglés torque sensitivereparte el deslizamiento en función de la velocidad de giro de cada rueda pero también permite que la rueda interior al giro reduzca su velocidad enviando menos par. Ningún sistema autoblocante mecánico es capaz de hacer esta doble función al mismo tiempo. El grado de deslizamiento es controlado mediante el ángulo que forman los dientes helicoidales con el mecanismo de tornillo sin fin. Se juega con ese ángulo para producir mayor o menor efecto autoblocante. Una imagen del dispositivo:

450px-Audi_quattro_AWD_system

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Audi_quattro_AWD_system.jpeg

  • De tipo mecánico, llamado de acoplamiento viscoso o diferencial Ferguson. En este caso, cada semieje esta conectado a un viscoacoplador formado por un juego de discos bañados en fluido muy viscoso (tipo silicona). El funcionamiento es mucho más sencillo que en el caso anterior. Cuando hay diferencias de giro entre las ruedas, el fluido se vuelve más viscoso y frena el giro de los discos. Se puede llegar a transmitir hasta el 100% de la fuerza al eje que mayor adherencia tiene.
  • De tipo electrónico, el cuál se vale de los sensores del ABS y frena la rueda con menor adherencia. También limita la potencia transmitida desde el motor a la transmisión, controlando los parámetros del motor para que este se frene.

No entro en materia más compleja porque no es el objetivo que persigo. Por otra parte, en la Formula 1 se usan diferenciales con control electrónico, muy sofisticados que controlan el tarado de bloqueo a la entrada, mitad y salida de las curvas. ¿Cómo funcionan? Mi compañero Jonathan Solanes hizo un muy buen artículo hablando de ello. Te invito a volver a leerlo para que comprendas mejor como se manipula o acciona este tipo de diferencial. Pincha aquí.

Y por ahora termino esta parte. Trataré de publicar la parte final de esta viru+ muy pronto. Espero vayas comprendiendo mejor como funciona el sistema de transmisión de un vehículo a motor, y especialmente el de un Formula 1.

Jero → http://www.twitter.com/jeroitim

Comentarios

  1. […] lo que necesitas saber sobre el diferencial y los tipos que hay. ¿No la has leído aún? Haz click aquí y la […]

Deja un comentario

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

Normas de participación
No necesitas estar registrado para comentar las noticias, pero tu mensaje puede tardar un poco en ser validado.
El tono de tu comentario debe ser respetuoso. No se admitirán insultos, descalificaciones, faltas de respeto, comentarios sexistas o racistas ni contenidos publicitarios. No abuses de mayúsculas o abreviaturas.
El objeto de lo que escribas será comentar la noticia, no de lo que dicen el resto de usuarios. Si no estás de acuerdo, razona porqué crees que se equivocan.
Los administradores podrán eliminar aportaciones que no cumplan estas reglas