Diferencial de deslizamiento limitado

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Un diferencial de deslizamiento limitado ( LSD ) es un tipo de tren de engranajes diferencial que permite que sus dos ejes de salida giren a diferentes velocidades, pero limita la diferencia máxima entre los dos ejes. Los diferenciales de deslizamiento limitado a menudo se conocen por la marca comercial genérica Positraction , una marca propiedad de General Motors y utilizada originalmente para sus vehículos de la marca Chevrolet . ^[1]

En un automóvil, a veces se utilizan estos diferenciales de deslizamiento limitado en lugar de un diferencial estándar, donde brindan ciertas ventajas dinámicas, a expensas de una mayor complejidad.

En 1932, Ferdinand Porsche diseñó un coche de carreras de Gran Premio para la empresa Auto Union . La alta potencia del diseño provocó que una de las ruedas traseras experimentara un giro excesivo a cualquier velocidad hasta 160 km/h (100 mph). En 1935, Porsche encargó a la firma de ingeniería ZF que diseñara un diferencial de deslizamiento limitado para mejorar el rendimiento. ^{[ cita requerida ]} Los "pasadores deslizantes y levas" de ZF estuvieron disponibles, ^[2] y un ejemplo fue el Tipo B-70 utilizado durante la Segunda Guerra Mundial en los VW militares ( Kübelwagen y Schwimmwagen ), aunque técnicamente no se trataba de un diferencial de deslizamiento limitado, sino de un sistema compuesto por dos ruedas libres , que enviaban toda la potencia del motor al giro más lento de las dos ruedas. ^[3]

Los diferenciales de deslizamiento limitado fueron ampliamente introducidos por los fabricantes de automóviles estadounidenses a fines de la década de 1950 y se comercializaron bajo una amplia variedad de nombres comerciales. A principios de 1956, Packard introdujo un diferencial de deslizamiento limitado tipo embrague bajo la marca comercial Twin Traction , promocionándolo como una ayuda para conducir en condiciones climáticas invernales severas. ^[4] En 1957, General Motors (GM) introdujo un sistema competidor para los vehículos de la marca Chevrolet bajo el nombre Positraction . En pocos años, otras marcas automotrices estadounidenses introdujeron sistemas similares bajo una variedad de nombres, incluidos Safe-T-Track para la marca Pontiac de GM y Anti Spin para su marca Oldsmobile , mientras que Ford Motor Company introdujo Traction-Lok ​​para los vehículos Ford y Directed Power para sus automóviles Lincoln . ^[1] Chrysler compró unidades Power-Lok de Dana Incorporated y unidades Spin-Resistant de Borg-Warner , comercializando ambas bajo el nombre Sure-Grip ^[5] en vehículos Chrysler, Dodge y Plymouth . Los diferenciales de deslizamiento limitado se volvieron muy populares y buscados durante la era de los muscle cars en las décadas de 1960 y 1970. ^[1] A pesar de los innumerables nombres de marketing utilizados por las marcas competidoras, la popularidad de los vehículos Chevrolet hizo que Positraction se convirtiera en una marca comercial genérica en los EE. UU. para los diferenciales de deslizamiento limitado en general. ^[1]

La principal ventaja de un diferencial de deslizamiento limitado se demuestra al considerar el caso de un diferencial estándar (o "abierto") en situaciones de conducción todoterreno o con nieve donde una rueda comienza a patinar. En tal caso con un diferencial estándar, la rueda que patina o que no hace contacto recibirá la mayor parte de la potencia (en forma de rotación de bajo par y altas revoluciones), mientras que la rueda que hace contacto permanecerá estacionaria con respecto al suelo. El par transmitido por un diferencial abierto siempre será igual en ambas ruedas; si un neumático está en una superficie resbaladiza, el par suministrado superará fácilmente la tracción disponible en un número muy bajo. Por ejemplo, el neumático derecho podría comenzar a patinar tan pronto como se le aplique un par de 70 N⋅m (50 lb⋅ft), ya que está en una superficie helada. Como siempre se siente la misma cantidad de par en ambas ruedas, independientemente de la velocidad a la que estén girando, esto significa que la rueda con tracción tampoco puede recibir más de 70 N⋅m (50 lb⋅ft) de par, que es mucho menos de lo que se requiere para mover el vehículo. Mientras tanto, el neumático en la superficie resbaladiza simplemente girará, absorbiendo toda la potencia real de salida (que es una función del par proporcionado a lo largo de las revoluciones), aunque a ambas ruedas se les proporcione la misma (muy baja) cantidad de par. En esta situación, un diferencial de deslizamiento limitado evita que se asigne una potencia excesiva a una rueda, y así mantiene ambas ruedas en rotación impulsada. ^[6]

Las ventajas del LSD en los automóviles de tracción trasera de alta potencia se demostraron durante la era de los "Muscle-Car" en los Estados Unidos, desde mediados de la década de 1960 hasta principios de la de 1970. Los automóviles de esta era normalmente tenían tracción trasera y no presentaban suspensión independiente para las ruedas traseras (sino que usaban un eje rígido ). Con un eje rígido, cuando se aplica un par alto a través del diferencial, la tracción en la rueda trasera derecha es menor, ya que el eje naturalmente quiere girar con la torsión del eje de transmisión (pero se mantiene estacionario al estar montado en el bastidor del vehículo). Esto acuñó los términos "pelado de una rueda" o "incendio de una rueda". Como tal, los "Muscle-Cars" con LSD o "posi" (positracción) tenían una clara ventaja sobre sus contrapartes con ruedas giratorias.

Los diferenciales mecánicos de deslizamiento limitado se consideran esenciales para realizar un derrape adecuado . ^[7]

Tanto los diferenciales de deslizamiento limitado como los diferenciales abiertos tienen un tren de engranajes que permite que los ejes de salida giren a diferentes velocidades mientras mantienen la suma de sus velocidades proporcional a la del eje de entrada.

Los diferenciales de deslizamiento limitado de los automóviles tienen algún tipo de mecanismo que aplica un par (interno al diferencial) que resiste el movimiento relativo de los ejes de salida. En términos simples, esto significa que tienen algún mecanismo que resiste una diferencia de velocidad entre las salidas, creando un par de resistencia entre las dos salidas o entre las salidas y la carcasa del diferencial. Existen muchos mecanismos que se utilizan para crear este par de resistencia. Los tipos de diferencial de deslizamiento limitado generalmente se nombran según el tipo de mecanismo de resistencia. Algunos ejemplos incluyen los diferenciales de deslizamiento limitado viscosos y los basados ​​en embrague. La cantidad de par de limitación proporcionado por estos mecanismos varía según el diseño.

Un diferencial de deslizamiento limitado tiene una división de par más compleja y debe considerarse en el caso en que las salidas giran a la misma velocidad y cuando giran a diferentes velocidades. La diferencia de par entre los dos ejes se llama Trq _d . ^[8] (En este trabajo se llama Trq _f para fricción de par ^[9] ). Trq _d es la diferencia en el par entregado a la rueda izquierda y derecha. La magnitud de Trq _d proviene del mecanismo de limitación de deslizamiento en el diferencial y puede ser una función del par de entrada (como en el caso de un diferencial de engranajes), o la diferencia en las velocidades de salida (como en el caso de un diferencial viscoso).

El par entregado a las salidas es:

• Trq ₁ = ½ Trq _in + ½ Trq _d para la salida más lenta
• Trq ₂ = ½ Trq _in – ½ Trq _d para la salida más rápida

Cuando se viaja en línea recta, donde una rueda comienza a patinar (y a girar más rápido que la rueda con tracción), el torque se reduce a la rueda que patina ( Trq ₂ ) y se proporciona a la rueda más lenta ( Trq ₁ ).

En el caso de que el vehículo esté girando y ninguna rueda patine, la rueda interior girará más lentamente que la exterior. En este caso, la rueda interior recibirá más par que la exterior, lo que puede provocar subviraje. ^[9]

Cuando ambas ruedas giran a la misma velocidad, la distribución del par en cada rueda es:

• Trq _{(1 o 2)} = ½ Trq _en ±(½ Trq _d ) mientras
• Trq ₁ + Trq ₂ = Trq _en .

Esto significa que el par máximo de cada rueda es estáticamente indeterminado , pero está en el rango de ½ Trq _en ±( ½ Trq _d ) .

En los turismos se utilizan habitualmente varios tipos de LSD.

• Valor fijo
• Sensible al par
• Sensible a la velocidad
• Controlado electrónicamente

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En este diferencial, la diferencia máxima de par entre las dos salidas, Trq _d , es un valor fijo en todo momento, independientemente del par de entrada al diferencial o de la diferencia de velocidad entre las dos salidas. Normalmente, este diferencial utiliza conjuntos de embrague con resorte.

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Estos diferenciales de deslizamiento limitado utilizan engranajes helicoidales, embragues o conos (un tipo alternativo de embrague) donde la fuerza de acoplamiento de los engranajes o el embrague es una función del torque de entrada aplicado al diferencial (a medida que el motor aplica más torque, los engranajes o embragues se agarran más fuerte y Trq _d aumenta).

Los LSD con detección de par responden al par del eje de transmisión, de modo que cuanto mayor sea el par de entrada del eje de transmisión, más se presionarán entre sí los embragues, conos o engranajes y, por lo tanto, más estrechamente se acoplarán las ruedas motrices entre sí. Algunos incluyen carga por resorte para proporcionar un pequeño par de modo que con poco o ningún par de entrada (acelerador trasero/caja de cambios en punto muerto/embrague principal presionado) las ruedas motrices estén mínimamente acopladas. La cantidad de precarga (de ahí el acoplamiento estático) en los embragues o conos se ve afectada por el estado general (desgaste) y por la fuerza con la que estén cargados.

El tipo de embrague tiene una pila de discos de embrague delgados, la mitad de los cuales están acoplados a uno de los ejes de transmisión, la otra mitad a la transmisión de engranajes de cruceta. Las pilas de embrague pueden estar presentes en ambos ejes de transmisión, o solo en uno. Si solo están en uno, el eje de transmisión restante está vinculado al eje de transmisión embragado a través de los engranajes de cruceta. En un tipo de cono, los embragues se reemplazan por un par de conos que se presionan entre sí logrando el mismo efecto.

Un método para crear la fuerza de sujeción es el uso de un conjunto de rampa de leva como el que se utiliza en un LSD de estilo Salisbury/rampa. Los engranajes de araña se montan en el eje transversal del piñón que se apoya en recortes en ángulo que forman rampas con leva. Las rampas con leva no son necesariamente simétricas. Si las rampas son simétricas, el LSD es de 2 vías. Si tienen dientes de sierra (es decir, un lado de la rampa es vertical), el LSD es de 1 vía. Si ambos lados están inclinados, pero son asimétricos, el LSD es de 1,5 vías.

Una alternativa es utilizar la fuerza de separación natural de los dientes del engranaje para cargar el embrague. Un ejemplo es el diferencial central del Audi Quattro RS 5 2011. ^[10]

A medida que el par de entrada del eje de transmisión intenta hacer girar el centro del diferencial, los anillos de presión internos (adyacentes a la pila de embrague) son forzados hacia los lados por el eje transversal del piñón que intenta subir la rampa, lo que comprime la pila de embrague. Cuanto más se comprime la pila de embrague, más acopladas están las ruedas. El acoplamiento de las superficies de la rampa vertical (80–85° en la práctica para evitar el astillado) en un LSD unidireccional en sobremarcha no produce ningún efecto de leva ni la correspondiente compresión de la pila de embrague.

En términos generales, hay tres estados de par de entrada: con carga, sin carga y sobremarcha. Durante las condiciones de carga, como se indicó anteriormente, el acoplamiento es proporcional al par de entrada. Sin carga, el acoplamiento se reduce al acoplamiento estático. El comportamiento en sobremarcha (en particular, la liberación repentina del acelerador) determina si el LSD es unidireccional, de 1,5 vías o bidireccional.

Un diferencial de dos vías tendrá el mismo par motor limitador Trq _d tanto en la dirección de avance como en la de retroceso. Esto significa que el diferencial proporcionará cierto nivel de acción limitadora durante el frenado del motor. La primera unidad de tracción Packard Twin Traction está diseñada para funcionar de esta manera, que se promocionó para proporcionar un beneficio diferente: si una rueda motriz trasera se despega momentáneamente del suelo cuando golpea un bache con el diferencial bajo carga, la rueda en el aire no girará libremente y hará que el vehículo pierda tracción cuando la rueda que gira toque el suelo nuevamente. ^[4]

Un diferencial unidireccional proporcionará su acción limitadora en una sola dirección. Cuando se aplica par en la dirección opuesta, se comporta como un diferencial abierto. En el caso de un automóvil con tracción delantera, se argumenta que es más seguro que un diferencial bidireccional. ^[11] El argumento es que si no hay acoplamiento adicional en caso de sobremarcha, es decir, un diferencial unidireccional, tan pronto como el conductor levanta el acelerador, el diferencial se desbloquea y se comporta de manera similar a un diferencial abierto convencional. Esto también es lo mejor para los automóviles con tracción delantera, ya que permite que el automóvil gire hacia adentro al soltar el acelerador, en lugar de avanzar. ^[11]

Un diferencial de 1,5 vías se refiere a uno en el que los pares de limitación de avance y retroceso, Trq _{d_fwd, d_rev} , son diferentes pero ninguno es cero, como en el caso del LSD de 1 vía. Este tipo de diferencial es común en los autos de carrera, donde un par de limitación fuerte puede ayudar a la estabilidad bajo el frenado del motor.

Los diferenciales mecánicos de deslizamiento limitado con engranajes sensibles al par utilizan engranajes sinfín y engranajes rectos para distribuir y diferenciar la potencia de entrada entre dos ruedas motrices o ejes delantero y trasero. Este es un diseño completamente diferente de los diseños de engranajes de araña biselados más comunes que se ven en la mayoría de las aplicaciones automotrices. A medida que se aplica par a los engranajes, estos son empujados contra las paredes de la carcasa del diferencial, lo que crea fricción. La fricción resiste el movimiento relativo de las salidas y crea el par límite Trq _d .

A diferencia de otros diseños de LSD basados ​​en fricción que combinan un diferencial "abierto" de engranajes de araña común con materiales de fricción que inhiben la diferenciación, el diseño de detección de par es un tipo único de diferencial, con polarización de par inherente a su diseño, no como un complemento. La polarización de par solo se aplica cuando es necesario y no inhibe la diferenciación. El resultado es un verdadero diferencial que no se traba como los LSD y los tipos de bloqueo, pero que aún así proporciona una mayor entrega de potencia en muchas condiciones de la carretera.

Algunos ejemplos incluyen:

• Torsen T-1 es la marca del diferencial Gleasman original inventado por Vernon Gleasman alrededor de 1949 (patente estadounidense 2.559.916 solicitada en 1949, otorgada en 1951). ^[12] El diseño original de Gleasman fue vendido a The Gleason Works (más tarde llamada Gleason Corporation ), que comenzó a comercializarlo en 1982. El modelo T-1 original es incompatible con los ejes de transmisión con clip en C, lo que limitó su uso con muchos automóviles y camionetas de la época. Sin embargo, el diferencial Torsen original fue utilizado en carreras por Mario Andretti y Paul Newman con gran éxito. ^[13] Todos los diseños posteriores de LSD con engranaje helicoidal se derivaron del diferencial Gleasman original. El T-1 es equipo original en el Audi Quattro , Subaru Impreza WRX STI, Toyota Mega Cruiser y AM General HMMWV " Humvee ". ^[14]
• El Torsen T-2 fue un nuevo diseño de Gleasman de alrededor de 1984 (solicitud de patente estadounidense WO1984003745 A1) ^[15] que es compatible con ejes con clip en C. El nuevo diseño, junto con una fusión que creó Zexel -Gleason USA, aumentó la disponibilidad de Torsen para aplicaciones OEM y de posventa. Las variantes incluyen el T-2R, que incluye un paquete de embrague de estilo Positraction que proporciona precarga para fines de carreras; y el T-3, un diferencial doble destinado a aplicaciones AWD. El T-2 es equipo original en muchos automóviles y camionetas pick-up de alto rendimiento. ^[14]
• Diferencial Quaife , vendido bajo el nombre de Automatic Torque Biasing Differential (ATB Differential®️), protegido por la patente europea n.º 130806A2. La versión Quaife es la más establecida en Europa y otros mercados distintos de los EE. UU., y proporciona un amplio soporte posventa para automóviles de marcas europeas y japonesas, especialmente aplicaciones de tracción delantera y tracción total . El Ford Focus RS Mk1 y Mk2 (opcional en el Mk3 posterior) utilizó el Quaife ATB Differential®️ como equipo original. ^{[16] [17]}
• Eaton Corporation es el último propietario del diferencial Truetrac, que se ha estado produciendo durante muchos años. Su diseño es similar al Torsen T-2 (ligeramente menos sesgo de par) y es una pieza de recambio para muchos ejes sólidos populares fabricados en EE. UU. para camionetas 4x4 y tracción trasera . El Truetrac se utiliza con mayor frecuencia en el eje delantero de camionetas 4x4 destinadas a uso todoterreno, en combinación con diferenciales traseros y centrales con bloqueo. Como es el caso con todos los diseños de LSD con engranajes, el Truetrac no tiene ningún impacto negativo en la dirección al que son propensos la mayoría de los demás diseños de LSD y "bloqueadores".

Los diferenciales sensibles a la velocidad limitan la diferencia de par entre las salidas, Trq _d , en función de la diferencia de velocidad entre los dos ejes de salida. Por lo tanto, para pequeñas diferencias de velocidad de salida, el comportamiento del diferencial puede ser muy similar al de un diferencial abierto. A medida que aumenta la diferencia de velocidad, aumenta el par límite. Esto da como resultado un comportamiento dinámico diferente en comparación con un diferencial sensible al par.

El tipo viscoso es generalmente más simple porque se basa en la fricción hidrodinámica de fluidos con alta viscosidad . A menudo se utilizan aceites a base de silicona . Aquí, una cámara cilíndrica de fluido llena de una pila de discos perforados gira con el movimiento normal de los ejes de salida. La superficie interior de la cámara está acoplada a uno de los ejes de transmisión y la exterior acoplada al portador diferencial. La mitad de los discos están conectados al interior, la otra mitad al exterior, alternando interior/exterior en la pila. El movimiento diferencial obliga a los discos intercalados a moverse a través del fluido uno contra el otro. En algunos acoplamientos viscosos, cuando se mantiene la velocidad, el fluido acumulará calor debido a la fricción. Este calor hará que el fluido se expanda y expanda el acoplador, lo que hará que los discos se junten, lo que da como resultado una fricción de placa a placa no viscosa y una caída drástica en la diferencia de velocidad. Esto se conoce como el fenómeno de joroba y permite que el lado del acoplador se bloquee suavemente. A diferencia del tipo mecánico, la acción limitadora es mucho más suave y proporcional al deslizamiento, por lo que es más fácil de manejar para el conductor promedio. New Process Gear utilizó un acoplamiento viscoso del estilo Ferguson en varias de sus cajas de transferencia, incluidas las utilizadas en el AMC Eagle .

Los LSD viscosos son menos eficientes que los de tipo mecánico, es decir, "pierden" algo de potencia. En particular, cualquier carga sostenida que sobrecaliente el silicio da como resultado una pérdida permanente repentina del efecto diferencial. ^[18] Tienen la virtud de fallar elegantemente, volviendo al comportamiento de diferencial semiabierto. Por lo general, un diferencial viscoso que ha recorrido 60.000 millas (97.000 km) o más funcionará en gran medida como un diferencial abierto. El aceite de silicona está sellado de fábrica en una cámara separada del aceite para engranajes que rodea el resto del diferencial. Esto no es reparable; cuando el comportamiento del diferencial se deteriora, se debe reemplazar el centro del VLSD.

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Este tipo de diferencial de deslizamiento limitado funciona mediante el uso de una bomba gerotor para comprimir hidráulicamente un embrague para transferir el par a la rueda que gira más lentamente. La bomba gerotor utiliza el portador o jaula del diferencial para impulsar el rotor exterior de la bomba y un eje para impulsar el rotor interior. Cuando hay una diferencia entre la velocidad de las ruedas izquierda y derecha, la bomba presuriza el fluido hidráulico haciendo que el embrague se comprima, lo que hace que el par se transfiera a la rueda que gira más lentamente. Estos sistemas basados ​​en bombas tienen límites inferiores y superiores en la presión aplicada, lo que permite que el diferencial funcione como un diferencial convencional o abierto hasta que haya una diferencia de velocidad significativa entre la rueda derecha y la izquierda, y amortiguación interna para evitar la histéresis . El sistema basado en bomba gerotor más nuevo tiene una salida regulada por computadora para una mayor versatilidad y sin oscilación. ^{[ cita requerida ]}

Un diferencial electrónico de deslizamiento limitado normalmente tendrá un conjunto de engranajes planetarios o cónicos similar al de un diferencial abierto y un paquete de embrague similar al de un diferencial sensible al torque o basado en bomba gerotor. En la unidad electrónica, la fuerza de sujeción del embrague es controlada externamente por una computadora u otro controlador. Esto permite controlar el torque limitante del diferencial, Trq _d , como parte de un sistema de administración total del chasis. Un ejemplo de este tipo de diferencial es el DCCD de Subaru utilizado en el Subaru WRX STi. ^[19] El sistema de tracción en las cuatro ruedas Jeep Quadra-Drive II producido a partir de 2005 utiliza este tipo de diferencial. ^[20] Otro ejemplo es el sistema Porsche PSD utilizado en el Porsche 928 . Un ejemplo adicional es el SAAB XWD ( Haldex Generation 4) con eLSD, que utiliza un paquete de energía hidráulica común (controlado electrónicamente a través de la red de computadoras del vehículo) para controlar la transferencia de torque longitudinal y transversal del sistema XWD. ^[21] El mismo sistema Haldex se utiliza en varios otros vehículos basados ​​en GM Epsilon, como el Cadillac SRX, etc.

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Estos sistemas son alternativas a un diferencial de deslizamiento limitado tradicional. Los sistemas aprovechan varios sensores del chasis, como sensores de velocidad, sensores del sistema de frenos antibloqueo (ABS), acelerómetros y microcomputadoras para monitorear electrónicamente el deslizamiento de las ruedas y el movimiento del vehículo. Cuando el sistema de control del chasis determina que una rueda está patinando, la computadora aplica los frenos a esa rueda. Una diferencia significativa entre los sistemas de diferencial de deslizamiento limitado enumerados anteriormente y este sistema basado en frenos es que los sistemas basados ​​en frenos no envían inherentemente el mayor par a la rueda más lenta, además del desgaste adicional del material de fricción del freno que resulta del uso de dicho sistema si el vehículo se conduce en un entorno donde el sistema basado en frenos se activará de manera regular.

El diferencial electrónico de deslizamiento limitado de BMW utilizado en la Serie 5 F10 es un ejemplo de este tipo de sistema. Otro ejemplo comenzó en el primer año (1992) de producción del nuevo y rediseñado modelo Ford Crown Victoria con motor V-8 de 4,6 L y árbol de levas en cabeza , con sus frenos antibloqueo opcionales. Esta opción estaba disponible a partir del Crown Victoria de 1992 en adelante; en aquellos vehículos equipados con frenos antibloqueo.

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• Carrete
• Diferencial de bloqueo

En la canción " 409 " de The Beach Boys , la letra menciona la presencia de un diferencial de deslizamiento limitado: "...Mi cuatro velocidades, doble cuádruple, Positraction 4-0-9 (4-0-9, 4-0-9)".

En la película de 1992 Mi primo Vinny , la prueba de inocencia de dos jóvenes acusados ​​falsamente de asesinato se basa en gran medida en una fotografía de las marcas de neumáticos de un coche que tiene un diferencial de deslizamiento limitado, que (como declara el personaje de Marisa Tomei en una interpretación ganadora del Oscar ) "no estaba disponible en el Buick Skylark del 64 ", ^[22] el coche conducido por los acusados. Ella sostiene que la evidencia demuestra, más bien, que el coche de la huida era un Pontiac Tempest de 1963 , que sí ofrecía un diferencial de deslizamiento limitado opcional Safe-T-Track (la versión de Pontiac de Positraction).

• Explicación de los diferenciales de deslizamiento limitado