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 con la marca genérica Positraction , una marca propiedad de General Motors y utilizada originalmente para sus vehículos de la marca Chevrolet . [1]
En un automóvil, estos diferenciales de deslizamiento limitado se utilizan a veces en lugar de un diferencial estándar, donde transmiten 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 patinaje excesivo a cualquier velocidad de hasta 160 km/h (100 mph). En 1935, Porsche encargó a la empresa de ingeniería ZF el diseño de un diferencial de deslizamiento limitado para mejorar el rendimiento. [ cita necesaria ] Los "pasadores y levas deslizantes" 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 esto no era un limitado. -Diferencial deslizante, sino un sistema compuesto por dos ruedas libres , que enviaba toda la potencia del motor al giro más lento de las dos ruedas. [3]
Los fabricantes de automóviles estadounidenses introdujeron ampliamente los diferenciales de deslizamiento limitado a finales de la década de 1950 y se comercializaron con una amplia variedad de nombres comerciales. A principios de 1956, Packard introdujo un diferencial de deslizamiento limitado tipo embrague bajo la marca Twin Traction , promocionándolo como una ayuda para conducir en condiciones invernales severas. [4] En 1957, General Motors (GM) introdujo un sistema competitivo para vehículos de la marca Chevrolet bajo el nombre Positraction . Al cabo de unos años, otras marcas de automóviles estadounidenses introdujeron sistemas similares con diversos nombres, incluido 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 vehículos Ford y Directed Energía para sus autos 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 car en las décadas de 1960 y 1970. [1] A pesar de los innumerables nombres comerciales utilizados por las marcas competidoras, la popularidad de los vehículos Chevrolet hizo que Positraction se convirtiera en una marca genérica en los EE. UU. para diferenciales de deslizamiento limitado en general. [1]
La principal ventaja de un diferencial de deslizamiento limitado se demuestra considerando el caso de un diferencial estándar (o "abierto") en situaciones todoterreno o de 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 rpm), 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 sobre una superficie resbaladiza, el par suministrado superará fácilmente la tracción disponible en un número muy bajo. Por ejemplo, el neumático derecho podría comenzar a girar tan pronto como se le apliquen 70 N⋅m (50 lb⋅ft) de torque, ya que está sobre una superficie helada. Dado que siempre se siente la misma cantidad de torque en ambas ruedas, independientemente de la velocidad a la que giran, esto significa que la rueda con tracción tampoco puede recibir más de 70 N⋅m (50 lb⋅ft) de torque, lo cual es mucho menos de lo necesario para mover el vehículo. Mientras tanto, el neumático sobre la superficie resbaladiza simplemente girará, absorbiendo toda la potencia real (que es una función del par proporcionado en el transcurso 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 potencia excesiva a una rueda y, por lo tanto, mantiene ambas ruedas en rotación motorizada. [6]
Las ventajas del LSD en automóviles de alta potencia y tracción trasera quedaron demostradas durante la era de los "Muscle-Car" en Estados Unidos, desde mediados de los años 1960 hasta principios de los 1970. Los coches de esta época normalmente tenían tracción trasera y no contaban con suspensión independiente para los neumáticos traseros (sino que utilizaban un eje vivo ). Con un eje vivo, cuando se aplica un par alto a través del diferencial, la tracción en el neumático trasero derecho 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 "pelea de una rueda" o "incendio de una llanta". Como tal, los "Muscle-Cars" con LSD o "posi" (positracción) tenían una clara ventaja sobre sus homólogos que hacían girar las ruedas.
Los diferenciales mecánicos de deslizamiento limitado se consideran fundamentales para realizar una deriva adecuada . [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 para 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. Hay muchos mecanismos utilizados para crear este par de resistencia. Los tipos de diferenciales de deslizamiento limitado generalmente reciben su nombre del tipo de mecanismo de resistencia. Los ejemplos incluyen LSD viscosos y a base de embrague. La cantidad de par límite 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 de que las salidas giren a la misma velocidad y cuando giren a diferentes velocidades. La diferencia de par entre los dos ejes se llama Trq d . [8] (En este trabajo se denomina Trq f por 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 limitador de deslizamiento en el diferencial y puede ser función del par de entrada (como en el caso de un diferencial de engranajes) o de la diferencia en las velocidades de salida (como en el caso de un diferencial viscoso). ).
El par entregado a las salidas es:
Cuando se viaja en línea recta, donde una rueda comienza a patinar (y a girar más rápido que la rueda con tracción), el par 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 de las ruedas patine, la rueda interior girará más lento que la rueda exterior. En este caso, la rueda interior recibirá más par que la rueda exterior, lo que puede provocar un subviraje. [9]
Cuando ambas ruedas giran a la misma velocidad, la distribución del par a cada rueda es:
Esto significa que el par máximo para cualquiera de las ruedas es estáticamente indeterminado pero está en el rango de ½ Trq en ±( ½ Trq d ) .
Varios tipos de LSD se utilizan habitualmente en los turismos.
En este diferencial, la diferencia de par máxima entre las dos salidas, Trq d , es un valor fijo en todo momento, independientemente de la entrada de par al diferencial o la diferencia de velocidad entre las dos salidas. Normalmente, este diferencial utiliza conjuntos de embrague accionados por resorte.
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 del embrague es función del par de entrada aplicado al diferencial (a medida que el motor aplica más par, los engranajes o embragues agarre más fuerte y Trq d aumenta).
Los LSD con detección de par responden al par del eje de transmisión, de modo que cuanto más par de entrada del eje de transmisión esté presente, más fuerte se presionan los embragues, conos o engranajes y, por lo tanto, más estrechamente se acoplan las ruedas motrices entre sí. Algunos incluyen carga de resorte para proporcionar un par pequeño de modo que con poco o ningún par de entrada (acelerador de marcha/caja de cambios en punto muerto/embrague principal presionado) las ruedas motrices estén mínimamente acopladas. La cantidad de precarga (por lo tanto, acoplamiento estático) en los embragues o conos se ve afectada por el estado general (desgaste) y por la fuerza con la que están 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 está acoplada al portaengranajes de araña. Las pilas de embrague pueden estar presentes en ambos ejes de transmisión o solo en uno. Si está solo en uno, el eje de transmisión restante está vinculado al eje de transmisión embragado a través de los engranajes de araña. En el tipo cónico, los embragues se reemplazan por un par de conos que se presionan entre sí para lograr el mismo efecto.
Un método para crear la fuerza de sujeción es el uso de un conjunto de leva-rampa como el que se usa en un LSD estilo Salisbury/rampa. Los engranajes tipo araña se montan en el eje transversal del piñón que descansa en cortes en ángulo que forman rampas con levas. Las rampas con levas 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 unidireccional. 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 girar el centro del diferencial, los anillos de presión internos (contiguos 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 el conjunto de embrague, más acopladas estarán las ruedas. El acoplamiento de las superficies de la rampa vertical (80–85° en la práctica para evitar astillas) en un LSD unidireccional en inercia no produce 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 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 exceso (particularmente la liberación repentina del acelerador) determina si el LSD es de 1 vía, 1,5 vías o 2 vías.
Un diferencial de 2 vías tendrá el mismo par límite Trq d tanto en la dirección de avance como en la de retroceso. Esto significa que el diferencial proporcionará cierto nivel de acción limitante bajo el freno motor. La primera unidad Packard Twin Traction está diseñada para funcionar de esta manera, que se promovió para proporcionar un beneficio diferente: si una rueda motriz trasera abandona momentáneamente el suelo cuando golpea un bache con el diferencial bajo carga, la rueda en el aire no girará libremente. y hacer que el vehículo pierda tracción cuando la rueda que patina vuelve a tocar el suelo. [4]
Un diferencial unidireccional proporcionará su acción limitante 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 considera más seguro que un diferencial de 2 vías. [11] El argumento es que si no hay un acoplamiento adicional en sobremarcha, es decir, un LSD unidireccional, tan pronto como el conductor levanta el acelerador, el LSD se desbloquea y se comporta algo así como un diferencial abierto convencional. Esto también es lo mejor para los autos FWD, ya que permite que el auto gire al soltar el acelerador, en lugar de avanzar. [11]
Un diferencial de 1,5 vías se refiere a uno en el que los pares límite 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 carreras donde un par límite fuerte puede ayudar a la estabilidad bajo el freno motor.
Los diferenciales mecánicos de deslizamiento limitado sensibles al par utilizan engranajes helicoidales y engranajes rectos para distribuir y diferenciar la potencia de entrada entre dos ruedas motrices o los ejes delantero y trasero. Este es un diseño completamente separado 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 torque a los engranajes, estos son empujados contra las paredes de la carcasa del diferencial, creando fricción. La fricción resiste el movimiento relativo de las salidas y crea el par límite Trq d .
A diferencia de otros diseños LSD basados en fricción que combinan un diferencial "abierto" de engranaje de araña común con materiales de fricción que inhiben la diferenciación, el diseño de detección de torque es un tipo único de diferencial, con un sesgo de torque inherente en su diseño, no como un complemento. en. La polarización del par sólo se aplica cuando es necesario y no inhibe la diferenciación. El resultado es un verdadero diferencial que no se traba como el LSD y los tipos de bloqueo, pero aún así brinda una mayor entrega de potencia en muchas condiciones de la carretera.
Ejemplos incluyen:
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 cercano a 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 depende de la fricción hidrodinámica de fluidos con alta viscosidad . A menudo se utilizan aceites a base de silicona . Aquí, una cámara cilíndrica de fluido llena con 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 está acoplada al soporte del 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 entrelazados a moverse a través del fluido uno contra el otro. En algunos acoplamientos viscosos, cuando se mantiene la velocidad, el fluido acumula calor debido a la fricción. Este calor hará que el fluido se expanda y expanda el acoplador, lo que provocará que los discos se junten, lo que dará como resultado una fricción no viscosa entre placas y una caída dramática en la diferencia de velocidad. Esto se conoce como fenómeno de joroba y permite que el costado del acoplador se bloquee suavemente. A diferencia del tipo mecánico, la acción limitadora es mucho más suave y más proporcional al deslizamiento, por lo que es más fácil de afrontar para el conductor medio. 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 mecánicos, es decir, "pierden" algo de potencia. En particular, cualquier carga sostenida que sobrecaliente la silicona da como resultado una pérdida repentina y permanente del efecto diferencial. [18] Tienen la virtud de fallar con gracia, volviendo a un comportamiento diferencial semiabierto. Normalmente, un viscodiferencial que ha recorrido 60.000 millas (97.000 km) o más funcionará en gran medida como un diferencial abierto. El aceite de silicona viene sellado de fábrica en una cámara separada del aceite para engranajes que rodea el resto del diferencial. Esto no es útil; cuando el comportamiento del diferencial se deteriora, se debe reemplazar el centro VLSD.
Este estilo de diferencial de deslizamiento limitado funciona mediante el uso de una bomba gerotor para comprimir hidráulicamente un embrague para transferir torque a la rueda que gira más lentamente. La bomba gerotor utiliza el portador diferencial o jaula 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, provocando así que el par se transfiera a la rueda que gira más lentamente. Estos sistemas basados en bombas tienen límites superior e inferior 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 e izquierda, y amortiguación interna para evitar la histéresis . El sistema basado en bomba gerotor más nuevo tiene salida regulada por computadora para mayor versatilidad y sin oscilación. [ cita necesaria ]
Un diferencial electrónico de deslizamiento limitado generalmente 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 se controla externamente mediante una computadora u otro controlador. Esto permite controlar el par límite del diferencial, Trq d , como parte de un sistema total de gestión 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 Generación 4) con eLSD, que utiliza un paquete de energía hidráulica común (controlado electrónicamente a través de la red informática del vehículo) para controlar la transferencia de par 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.
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 diferenciales de deslizamiento limitado enumerados anteriormente y este sistema basado en frenos es que los sistemas basados en frenos no envían inherentemente el mayor torque 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 forma regular.
El diferencial electrónico de deslizamiento limitado de BMW utilizado en el Serie 5 F10 es un ejemplo de dicho sistema. Otro ejemplo comenzó en el primer año (1992) de producción del modelo Ford Crown Victoria rediseñado y nuevo con árbol de levas en cabeza V-8 de 4.6L y frenos antibloqueo opcionales. Esta opción estaba disponible en el Crown Victoria de 1992 en adelante; en aquellos automóviles equipados con frenos antibloqueo.
En la canción " 409 " de The Beach Boys , la letra menciona la presencia de un diferencial de deslizamiento limitado: "...Mi 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 marcas de neumáticos hechas por un automóvil que tiene un diferencial de deslizamiento limitado, que (como declara el famoso personaje de Marisa Tomei en una actuación 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 auto que se escapó era un Pontiac Tempest de 1963 , que ofrecía un diferencial de deslizamiento limitado opcional Safe-T-Track (la versión de Positraction de Pontiac).
Puede que a algunas personas les sorprenda ver esto en la lista primero, pero un diferencial mecánico de deslizamiento limitado adecuado es absolutamente esencial para la deriva.
...poder hacer girar las ruedas motrices casi completamente abiertas al desacelerar.
En un escenario potente de tracción delantera donde la dirección de torsión es un enemigo constante, este enfoque [LSD de 1 vía] tiene algunas ventajas definitivas.
...el gel utilizado puede alterarse repentinamente con una temperatura enorme y perder su capacidad de generar transferencia de torsión.