4WD-transmision

1
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
TEORIA BASICA DEL 4WD
2
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
Contenido
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
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.
General
4
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
General
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
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.

1.1. 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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
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.

1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
7
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1.2. 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.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
8
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
• 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.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
9
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
1.3. ¿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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas

1.3.1. 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:

0,85 (g) x 1250 (kg) x 500 (mm)
Transferencia de peso = = 332 kg
1600 (mm)
11
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
Es desplazamiento lateral del centro de gravedad (CG) es “d”
New: nuevo
Old: antiguo
Roll center: centro
de inclinación
Weight: peso

1.3.2. 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:


12
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
1 Torque, Tracción y patinaje de las ruedas
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 x [ ( trocha / 2 ) + d ]
Peso sobre ruedas exteriores =
trocha

( 1250 x ( 800 + 86.8 ) )
Peso sre = = 693 kg
1600
Finalmente, las ruedas interiores soportan 557 kg (1250kg – 693kg), por lo
que la transferencia de peso es de 68 kg ((693kg – 557kg) / 2).
13
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
2
4WD y baja tracción
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
3.1. 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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
3.2. 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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
1. 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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
Acoplador Viscoso (VC, Viscous Coupler o VCU, Viscous Coupler Unit)
23
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
3
Componentes
3.3. 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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
4
Sistema Básico
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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
4
Sistema Básico

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
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
4
Sistema Básico

27
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
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”.

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.
4
Sistema Básico
28
Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.
4
Sistema Básico
Diferenciales LSD