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DIFERENCIAL - Definición - Significado

Ideado en 1827, se adoptó ya en los primeros automóviles • Su función: permitir velocidades diferentes entre las dos ruedas motrices • La analogía con la polea • Diferenciales de piñones cilindricos y cónicos

Imagínese un automóvil con las ruedas motrices unidas por un eje rígido, movido por el árbol de transmisión por medio de un par cónico (o cilindrico, en el caso de un motor transversal): sobre cada rueda actúa el par M/2, si M es el par que afecta a la corona del par cónico.

Las ruedas motrices, a causa de la conexión rígida, son obligadas a girar con igual velocidad angular, es decir a dar el mismo número de vueltas en la unidad de tiempo. Esto no presenta inconvenientes especiales durante la marcha en línea recta. Sin embargo, cuando un vehículo toma una curva, la rueda interna efectúa un recorrido menor que el de la rueda externa y, puesto que ambos recorridos deben ser descritos en el mismo tiempo, se deduce que la velocidad angular de las ruedas es distinta. Si éstas se encuentran unidas por un eje rígido, al ser obligadas a girar a la misma velocidad angular, una de ellas resbala sobre el terreno, con grave daño para la duración de los neumáticos y para su adherencia al piso (en el límite se llega a producir un trompo); además, los ejes están sujetos a tal esfuerzo de torsión, que antes o después se produciría su rotura. Para evitar este inconveniente, desde los comienzos del automovilismo se contó con la adopción del diferencial, es decir de un mecanismo que permitiera a las dos ruedas girar a velocidades angulares diferentes en caso de necesidad.

Historia del diferencial

El diferencial fue inventado en 1827 por el mecánico francés Onesiphore Pecqueur (nacido en Pas-de-Calais en 1792 y fallecido en París en 1852), maestro de taller del Conservatorio de Artes y Oficios de París. Se dice que concibió la idea del diferencial mientras estaba trabajando en un modelo del carro de Cugnot.

El diferencial llegó a ser de aplicación bastante común en los primeros vehículos de vapor de la segunda mitad del siglo XIX: uno de los primeros ejemplos fue el del Clayton & Shuttle-worth de 1865.

En el curso de los años, la técnica de construcción del diferencial, como la del resto de los componentes del automóvil, se ha ido perfeccionando cada vez más, obteniendo asimismo grandes ventajas de los progresos paralelos de la metalurgia y de la tecnología.

El diferencial, en su forma más difundida, está constituido por: dos piñones cónicos, que toman el nombre de planetarios, unidos a los extremos de los semiejes, generalmente de perfiles estriados, y otros dos piñones cónicos, llamados satélites, montados en los extremos de un eje portasatélites y que engranan con los planetarios. Puesto que los ejes de los satélites no están fijos en el espacio, el diferencial es un engranaje epicicloidal. Cuando los pares que se han de transmitir son elevados, como por ejemplo en vehículos pesados, los satélites pueden ser 4 y van montados en una cruceta. Tanto los planetarios como los satélites son de dientes rectos, dadas las moderadas velocidades de funcionamiento y el bajo porcentaje de tiempo en el que existe movimiento relativo entre tales piñones: de hecho sólo existe movimiento relativo entre éstos cuando el vehículo toma una curva.

Los satélites, los planetarios y el eje portasatélites son generalmente de acero al carbono o débilmente tratado mediante cementación (así, el 16NiCr4: cargade rotura, 110 kg/mmz; carga de debilitación, 85 kg/mm2). Los planetarios y los satélites van montados en una armazón, denominada marco o caja, en general construida de fundición esferoidal (así, la GS 55/2: carga de rotura, 55 kg/mm2; carga de debilitación, 40 kg/mm2; HB=220 kg/mm2), que lleva en los extremos 2 ejes huecos apoyados en el cárter del diferencial por medio de rodamientos. Alrededor de la caja se fija la corona cónica que recibe el par motor del piñón de ataque del árbol de transmisión y lo transmite al eje portasatélites.

Principio de funcionamiento

El par motor M hace girar el eje portasatélites alrededor de los ejes de los planetarios que, sometidos cada uno a un par M/2, giran y comunican el movimiento a las ruedas. Los satélites no giran en torno a sus ejes, sino que tienen sólo por objeto formar una conexión rígida entre los planetarios. Esto ocurre cuando el vehículo marcha en línea recta.

El efecto de los satélites puede ponerse de manifiesto separando de la calzada las ruedas motrices, con el cambio en punto muerto: poniendo en rotación una rueda, la otra gira en sentido opuesto. Es la acción compensadora del diferencial: incrementar la velocidad de una rueda reduciendo la de la otra. Aplicando el caso de la tracción en línea recta al de las dos ruedas que giran en sentido inverso se obtienen todos los casos intermedios.

El funcionamiento del satélite puede considerarse, por analogía mecánica, como el de una polea. Las fuerzas Q, y Qd, ejercidas por los planetarios sobre el satélite, pueden interpretarse como pesos aplicados a los cabos de una cuerda enrollada en una polea.

Si R es la resistencia de rozamiento que se opone al movimiento de la polea y Qd>Q,, ésta se pondrá en rotación sólo cuando Qd-Q,>22. En otras palabras, la polea se mantiene parada hasta que la diferencia de las fuerzas aplicadas en los extremos de la cuerda supera la fuerza del rozamiento. Del mismo modo, el satélite no se mueve, por lo que las velocidades angulares de ambas ruedas motrices permanecen iguales, cuando la diferencia entre las fuerzas motrices es menor que el rozamiento interno del diferencial.

Cuando la diferencia entre las fuerzas aplicadas supera la resistencia de rozamiento, la polea gira de modo que el peso mayor baja y el menor sube con una velocidad v. Si la polea se mueve hacia arriba con una velocidad V, mayor que v, las velocidades absolutas resultantes de los extremos de la cuerda son: Vi mayor que la de la polea en el caso del extremo que sube (peso aplicado menor); Vd menor que la de la polea en el caso del extremo que desciende (peso aplicado mayor).

Como se deduce de la mecánica de la polea, la media artimética de las velocidades de los cabos de la cuerda debe ser igual a la velocidad de traslación del eje: V = (Vi + Vd)/2; por consiguiente, la media de las velocidades de rotación de las ruedas es igual a la del cárter del diferencial.

El diferencial reparte el par motor entre las ruedas en partes ligeramente distintas, a causa del rozamiento interno. La rueda externa, que es la que provoca la rotación del diferencial, recibe un par menor, mientras que sobre la interna actúa un par mayor. La diferencia entre estos pares corresponde al par de rozamiento interno del diferencial. En este hecho reside el punto débil del diferencial. En efecto, si una rueda supera el límite de adherencia, resbala y el par que absorbe es sólo el necesario para hacerla girar loca y, por consiguiente, puede despreciarse. El par que llega a la otra rueda es igualmente bajo (sólo difiere a causa del rozamiento interno del diferencial), de modo que el vehículo permanece inmóvil, ya que el par motor resultante es muy inferior al necesario para vencer la resistencia al avance.

En el caso de vehículos de tracción delantera, durante el viraje, dado que la fuerza de tracción resulta mayor sobre la rueda de la parte interior, por el rozamiento interno del diferencial se produce un efecto autoalineante del mismo en el caso de que el radio de rodadura sea positivo, y de desviación en el caso de que el mismo sea negativo. Para evitar reacciones excesivas en el volante, en los vehículos de tracción delantera, además de adoptar radios de rodadura pequeños, es conveniente que se logre que sobre las ruedas actúen fuerzas motrices poco distintas entre sí: ello se obtiene con diferenciales de elevado rendimiento interno. Por esta razón no es aconsejable, salvo casos muy especiales, el *bloqueo del diferencial.

Es interesante confrontar los pares motores que actúan sobre las ruedas reguladas por el diferencial. En el caso de diferencial con rozamiento interno nulo, los pares motores sobre las ruedas son iguales entre sí; pero si el rozamiento interno tiene un valor constante no nulo, los pares que actúan sobre las ruedas difieren al máximo en el valor del par de rozamiento.

Aplicaciones en el vehículo

Para transmitir el movimiento a las n ruedas motrices de un vehículo de forma cinemáticamente correcta (es decir, sin los consiguientes resbalamientos entre neumático y terreno) son necesarios n— 1 diferenciales. En efecto, de este modo, fijada la ley del movimiento de una rueda motriz, queda establecida la de todas las demás. En el caso de un vehículo con 2 ruedas motrices basta un diferencial normal para distribuir el par entre éstas; en cambio, con 4 ruedas motrices se precisan 3 diferenciales. Los 2 diferenciales colocados en cada eje reparten el par entre las 2 ruedas del mismo, y el diferencial intermedio distribuye el par entre los ejes delantero y trasero. La presencia de este último diferencial es particularmente útil cuando los pesos adherentes delantero y trasero son muy diversos entre sí: en este caso, para aprovechar por completo la adherencia es conveniente que los pares motores sean repartidos proporcionalmente a los pesos adherentes. Así, si sobre el eje delantero se cargan 2.000 kg y sobre el eje trasero 4.000 kg, es conveniente, a los fines de la adherencia, que el par motor del eje trasero sea el doble que el del eje delantero. Por tanto, si se quiere lograr una distribución de par como se ha dicho, se debería disponer de un diferencial asimétrico, es decir capaz de repartir el par motor de forma diversa entre los ejes delantero y trasero; ello se logra adoptando planetarios de diámetros diferentes: los pares resultantes son proporcionales a los diámetros de los planetarios respectivos.

Sin embargo, el diferencial intermedio debe ser bloqueable, pues, de otro modo, la ventaja de la tracción en las 4 ruedas sería ilusoria. En efecto, rebasar el límite de adherencia de una de las ruedas de un eje sería tanto como si no llegara par a ese eje; pero, análogamente, por la presencia del diferencial intermedio, no llegaría par ni siquiera al otro eje, con la consecuencia obvia de inmovilizar el vehículo.

Cuando 2 ruedas motrices de un vehículo recorren idéntico camino y tienen el mismo radio de rodadura, esto es, tienen la misma velocidad angular, no hace falta disponer un diferencial entre ellas; en este caso, el número de los diferenciales puede ser inferior al valor teórico. La mayor parte de los vehículos con 4 ruedas motrices carecen de diferencial intermedio: entre los diferenciales delantero y trasero sólo hay un árbol rígido. De este modo, los ejes dedelantero y trasero son obligados a dar igual número de vueltas para recibir el mismo par motor.

No faltan ejemplos de vehículos que carecen de diferencial; vale la pena recordar muchos autociclos de 4 ruedas, el prototipo del Lancia Lambda de 1921 y el Isetta de 1953; éste último, a causa de la reducida vía trasera, no requería el empleo del diferencial, mientras que en los demás casos las 2 ruedas estaban unidas a través de una rueda libre.

Han sido propuestos, y a veces utilizados, diferenciales distintos al de piñones cónicos. Un ejemplo lo constituye el diferencial de piñones cilindricos, utilizado en el Alfa Romeo 2500 (1939). En éste los satélites están constituidos por pares de ruedas dentadas cilindricas, cada una de las cuales engrana con uno de los planetarios, constituidos por 2 piñones cilindricos también, y con la otra rueda dentada del mismo satélite.

También ha sido propuesto un diferencial que, para la distribución del par, utiliza un sistema de tornillos sin fin. Tal diferencial se caracteriza por un elevado rozamiento interno (en las ruedas motrices); por tanto, pueden transmitirse pares sensiblemente distintos entre sí.

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