4WD-transmision

7/29/2019 4WD-transmision

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Centro de Entrenamiento Automotores Gildemeister S. A.

TEORIA BASICA DEL 4WD


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Contenido

General1.0 Torque, Traccin y patinaje de las ruedas

1.1 Torque

1.2 Traccin

1.3 Por que las ruedas patinan?

2.0 Traccin a las cuatro ruedas y prdida de traccin

3.0 Componentes

3.1 Diferenciales

3.2 Caja de transferencia

3.3 Bloque de cubos

4.0 Sistema Bsico


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Existen varios tipos de sistemas 4WD y cada fabricante tiene distintos mtodos y

esquemas para transferir potencia a las cuatro ruedas. El lenguaje usado por los

distintos fabricantes pueede aveces ser algo confuso, por lo que comenzaremosexplicando como trabajan y aclarar algunos trminos:

Traccin a las cuatro ruedas (Four-wheel drive, 4WD) Usualmente cuandolos fabricantes dicen que un vehculo es 4WD, se refieren al sistema tiempoparcial (part time). Por razones que exploraremos ms adelante en este artculo,

estos sistemas solamente son usados en condiciones de la baja traccin, talescomo condiciones fuera de carretera (off-road) o en nieve o hielo.

Traccin a todas las ruedas (All-wheel drive) Este sistema a veces esllamado tambin traccin a las cuatro ruedas de tiempo completo (full-timefour-wheel drive). El sistema All-wheel-drive ha sido diseado para funcionar en

todas las superficies, dentro de carretera (on road) y fuera de carretera (off road), yla mayora de ellos no se puede deshabilitar o desconectar.

Los sistemas part-time y full-time pueden evaluarse usando los mismos criterios.

El mejor sistema enviar la cantidad exacta de torque a cada rueda, el cual ser el

mximo torque que no cause patinaje del neumtico.

General


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General

Engine: Motor

Transmission:

Transmisin o cajade cambios

Transfer case:

Transferencia

Front drive shaft:

cardn delantero

Rear drive shaft:cardn trasero

Front differential:

diferencial delantero

Rear differential:

diferencial trasero


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1 Torque, Traccin y patinaje de las ruedas

Necesitamos saber un poquito sobre torque, traccin y patinaje de las ruedasantes de entender los diferentes sistemas 4WD que se encuentran en los

vehculos.

1.1. Torque

Torque es la fuerza de torsin que un motor produce. El torque que viene del

motor es el que mueve el automvil. Los engranajes de la transmisin y eldiferencial 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 relacin de transmisin mas grande que en 5ta velocidad,

por lo que la multiplicacin de torque es mayor.


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La barra indica la cantidad de torque producida por el motor. La marca en el

grfico indica la cantidad de torque que causa que las ruedas patinen. El vehculo

tendr una buena salida si este torque no es excedido (las ruedas no patinan). El

vehculo tendr 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.



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1.2. Traccin

Definiremos traccin como la mxima cantidad de fuerza que el neumtico puedeaplicar en contra del suelo o camino (o tambin que el camino aplica contra el

neumtico, es lo mismo). Estos son los factores que afectan la traccin:

El peso sobre el neumtico Mientras mas peso sobre el neumtico, mas

traccin existir. El peso variar de acuerdo a las condiciones de marcha delvehculo. En instantes, cuando el vehculo 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 friccin Este factor relaciona la cantidad de fuerza de

friccin entre dos superficies con la fuerza que mantiene juntas a ambassuperficies. En nuestro caso, relaciona la cantidad de traccin entre los

neumticos y el camino con el peso existente sobre cada neumtico. El

coeficiente de friccin depende del tipo de neumticos y del tipo de superficie por

donde se conduce el vehculo.



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Patinaje de la rueda - Existen dos tipos de contacto entre los neumticos y el

camino: contacto esttico y contacto dinmico. Contacto esttico - Es cuando entre el neumtico y el camino no existepatinaje relativo. En este caso coeficiente de friccin es alto (mayor que en

contacto dinmico) por lo que se provee de la mejor traccin.

Contacto dinmico Es cuando entre el neumtico y el camino existe

patinaje. En este caso el coeficiente de friccin es bajo (menor que en elcontacto esttico) por lo que se obtiene una traccin pobre.



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1.3. Por qu las ruedas patinan?

Muy simple, el patinaje ocurre cuando la fuerza aplicada al neumtico excede la

traccin disponible en l. La fuerza es aplicada al neumtico en dos formas:

Longitudinalmente - La fuerza longitudinal viene del esfuerzo de torsinaplicado al neumtico por el motor o por los frenos. Esta fuerza hace acelerar o

decelerar (frenar) el vehculo.

Lateralmente La fuerza lateral se crea cuando el vehculo es conducidogirando en una curva. Esta fuerza hace que el vehculo pueda cambiar de

direccin. La fuerza lateral es proporcionada por el neumtico y el camino.


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1.3.1. Transferencia de peso debido a la fuerza lateral

Cuando el vehculo toma una curva, el peso de este se transfiere de la rueda

interior a la rueda exterior. El ndice de cambio es proporcional a la altura del centro

de gravedad (CG), proporcional a la aceleracin lateral (en g) e inversamente

proporcional a la trocha del vehculo. Esto es:

Aceleracin lateral x Peso x Altura del CGTransferencia de peso =

Trocha del vehculo.Por ejemplo:

Un vehculo gira en una curva generando 0,85 g, su trocha es de 1600 mm, laaltura 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)


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Es desplazamiento lateral del centro de gravedad (CG) es d

New: nuevo

Old: antiguo

Roll center: centro

de inclinacin

Weight: peso

1.3.2. Transferencia de peso debido a la inclinacin de la carrocera(body roll)

La inclinacin de la carrocera tambin produce transferencia de peso. Veamos la

siguiente figura:


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Ejemplo

Un vehculo con una trocha de 1600mm, una altura del CG de 500mm y unpeso de 1250kg, se inclina 10 cuando gira en una curva, entonces:

d = 500 x sen10 = 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).


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2 4WD y baja traccin

Es fcil 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 vehculo) que aplican los neumticos al camino.Esto puede ayudar en varias situaciones. Por ejemplo:

En la nieve Se requiere bastante fuerza para mover el vehculo a travs dela nieve. La cantidad de fuerza es limitada por la traccin disponible. La mayora

de los vehculos 2WD (traccin a dos ruedas) no pueden moverse si existen

algunas pulgadas de nieve en el camino, por que en la nieve, cada neumticotiene slo una pequea cantidad de traccin. Un 4WD puede utilizar la traccin

de todas sus ruedas.

Fuera de carretera (Off road) En condiciones off-road, es muy comn queen un eje se encuentre una rueda sin traccin, como al cruzar un riachuelo o un

charco de barro. Con el 4WD el otro eje todava tiene traccin, por lo que sepuede seguir avanzando.

Subir colinas resbalosas Esta tarea requiere mucha traccin. Un 4WDpuede utilizar la traccin de todas sus ruedas para empujar el vehculo sobre la

colina.


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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 teneravanzados sistemas electrnicos que ayudan al mejor uso de la traccin disponible.


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3 Componentes

3.1. Diferenciales.

Un vehculo 4WD tiene dos diferenciales, uno entre las dos ruedas delanteras y otro

entre las ruedas traseras. Ellos envan el torque desde el cardn a las ruedas.

Tambin 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 ruedasgiran 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 discutir mas adelante)


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3 Componentes

3.2. La Caja de Transferencia.

Este dispositivo reparte el torque proveniente de la caja de cambios (o transmisin)

entre el eje delantero y el eje trasero.

Este es una tpica 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

transmisin).-Planetary Gear Reduction: Reduccin de

engranajes planetarios.

-Rear Driveshaft: Cardn trasero.

-Front Driveshaft: Cardn delantero.

-Drive chain: Cadena de transmisin.


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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 neumticos son obligados a patinar.

Entonces en el 4WD parcial slo se debe usar el 4x4 en condiciones de baja traccin

en donde es relativamente fcil que los neumticos patinen. En pavimento seco, no es

fcil que las ruedas patinen, por lo que el 4x4 debe ser desconectado para prevenir

que en las curvas se sobre esfuercen y daen los neumticos y los componentes del

tren de potencia, como ejes y diferenciales (efecto de frenado).


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3 Componentes

Algunas cajas de transferencias, comunmente las del tipo parcial, adems

cuentan con un conjunto de engranajes adicionales que permiten un rangobajo (LOW). Esta reduccin de la relacin de transmisin (generalmentemayor a 2:1), ofrece torque extra y una salida de velocidad super baja al

vehculo. En 1 marcha en el rango bajo, el vehculo tiene una velocidad

tope de aproximadamente 8km/h, pero un increble torque en las ruedas.

Esto permite conducir lenta y suavemente por colinas muy escarpadas.


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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 vehculos con sistema AWD tienen undispositivo 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 tipode conjunto de engranajes.

Estos dispositivos permiten

que los AWD funcionen

correctamente en todas las

superficies.


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3 Componentes

1. Eje de entrada

2. Eje intermedio

3. Eje de salida

4. Mensula y eje de salidadelantera

5. Cadena

6. Motor de cambio

7. Bomba de aceite

8. Diferencial central (tipo

planetarios)

9. Pin 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 pin planetario (4H)

16. Conjunto engranajes

planetarios


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3 Componentes

Algunos fabricantes usan diferenciales regulares en conjunto con un acoplador

viscoso VC el cual funciona como bloqueador automtico de este diferencial cuando

las condiciones lo requieran.


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3 Componentes

Acoplador Viscoso (VC, Viscous Coupler o VCU, Viscous Coupler Unit)


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3 Componentes

3.3. Bloqueo de cubos.

Cada rueda es apernada a un cubo. Los vehculos 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 cardn. Esto permite que

el diferencial, los semiejes y el cardn no giren cuando se conduce en modalidad

2WD, de manera de reducir el desgaste de estas piezas y reducir el consumo decombustible.

Comnmente se utiliza el bloque de cubos tipo manual, en donde para enganchar

el 4WD, el conductor debe bajarse del vehculo y girar la perilla de los cubos de las

ruedas delanteras a la posicin LOCK (bloqueo). Sistemas mas nuevos poseen

sistema de bloqueo de cubos automticos, los cuales se activan cuando el

conductor conmuta a 4x4. Este sistema puede generalmente ser enganchadomientras el vehculo esta en movimiento.

Cualquiera de estos sistemas, manual o automtico, generalmente usan un collar

deslizante que engancha el semieje al cubo.

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4 Sistema Bsico

El tipo 4x4 parcial comnmente se encuentra en camionetas y antiguos SUV (Sport

Utility Vehicle, Vehculo Deportivo Utilitario) y trabaja as:

El vehculo en modalidad 2WD tracciona las ruedas traseras. La transmisin esapernada directamente a la caja de transferencia. Desde aqu, un cardn impulsa el eje

delantero y otro cardn impulsa el eje trasero.

- Half shaft: semieje

- Locking hub: Bloque del cubo

- Transfer case: Caja de transferencia

- Rear shaft: Cardn trasero

- Front shaft: Cardn delantero

- Rear differential: Diferencial Trasero

- Front differential: Diferencial delantero

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4 Sistema Bsico

Cuando el 4x4 es acoplado, la caja de transferencia engancha el cardn delantero

al cerdn trasero, entonces cada eje (delantero y trasero) recibe la mitad del torque

que viene del motor (50/50). En este momento, los cubos delantero estnbloqueados.

El eje delantero y trasero tienen un diferencial cada uno. A pesar que este sistema

provee mucha mejor traccin 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 estn conectadas a l. Si una de

esas ruedas se sale del camino (no toca el suelo) o si est sobre una superficie

muy resbaladiza, el torque aplicado a esa rueda cae a cero (gira libremente). Comoel torque es aplicado uniformemente, significa que la otra rueda tambin recibe

cero torque. Entonces aunque la otra rueda tenga disponible bastante traccin,

ningn torque es transferida a ella (no gira).

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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 opcin es un

bloqueo de diferencial, el cual deshabilita la accin 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 offroad.

Anteriormente dijimos que el mejor

sistema 4WD enva la cantidad

exacta de torque a cada rueda, la

cantidad maxima de torque

permisible la cual no har patinar el

neumtico. Este sistema cumple

pobremente este criterio, pues se

enviar a ambas ruedas de un mismo

eje la cantidad de torque mxima

permisible de la rueda que tiene

menor traccin.

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Diferenciales LSD

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