Diferencial de deslizamiento limitado - Limited-slip differential

LSD tipo cono

Un diferencial de deslizamiento limitado ( LSD ) es un tipo de 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 .

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

Historia temprana

En 1932, Ferdinand Porsche diseñó un coche de carreras Grand Prix para la empresa Auto Union . La alta potencia del diseño provocó que una de las ruedas traseras patinara excesivamente a cualquier velocidad de hasta 160 km / h (100 mph). En 1935, Porsche encargó a la empresa de ingeniería ZF que diseñara un diferencial de deslizamiento limitado para mejorar el rendimiento. Los "pasadores y levas deslizantes" ZF estuvieron disponibles, 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.

Beneficios

La principal ventaja de un diferencial de deslizamiento limitado se demuestra al considerar el caso de un diferencial estándar (o "abierto") en situaciones todoterreno o de nieve en las que una rueda comienza a patinar. En tal caso, con un diferencial estándar, la rueda que patina o no entra en contacto recibirá la mayor parte de la potencia (en forma de un par de torsión bajo y una rotación de 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 de torsión suministrado superará fácilmente la tracción disponible en un número muy bajo. Por ejemplo, la llanta correcta puede comenzar a patinar tan pronto como se aplique una torsión de 70 N⋅m (50 lb⋅ft), ya que está sobre una superficie helada. Dado que 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 Nm de par, que es mucho menos de lo que se requiere para mover el motor. vehículo. Mientras tanto, la llanta en la superficie resbaladiza simplemente girará, absorbiendo toda la potencia de salida real (que es una función del torque proporcionado a lo largo del tiempo), aunque ambas ruedas reciben la misma (muy baja) cantidad de torque. En esta situación, un diferencial de deslizamiento limitado evita que se asigne una potencia excesiva a una rueda y, por lo tanto, mantiene ambas ruedas en rotación motorizada, asegurando que la tracción no se limitará a la rueda que puede manejar la cantidad mínima de potencia.

Las ventajas del LSD en los automóviles de alta potencia con tracción trasera se demostraron durante la era del "Muscle-Car" en los Estados Unidos, desde mediados de la década de 1960 hasta principios de la de 1970. Los autos de esta era normalmente tenían tracción trasera y no tenían suspensión independiente para los neumáticos traseros (sino que usaban 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 "despegue de una rueda" o "incendio de un neumático". Como tal, los "Muscle-Cars" con LSD o "posi" (posi-tracción) tenían una clara ventaja sobre sus contrapartes de ruedas giratorias.

Principio básico de funcionamiento

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 automotrices de deslizamiento limitado 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 las salidas y la carcasa del diferencial. Se utilizan muchos mecanismos para crear este par resistente. Los tipos de diferenciales de deslizamiento limitado generalmente se nombran a partir del tipo de mecanismo de resistencia. Los ejemplos incluyen LSD viscosos y basados ​​en embrague. La cantidad de torsión límite proporcionada 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 torque entre los dos ejes se llama Trq d . (En este trabajo se llama Trq f para la fricción de par). Trq d es la diferencia de torque 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 una salida más rápida

Cuando se viaja en línea recta, donde una rueda comienza a patinar (y gira 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 rueda patine, la rueda interior girará más lentamente que la rueda exterior. En este caso, la rueda interior recibirá más par que la rueda exterior, lo que puede provocar subviraje.

Cuando ambas ruedas giran a la misma velocidad, la distribución de par a 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 cualquiera de las ruedas es estáticamente indeterminado, pero está en el rango de ½ Trq en ± (½ Trq d ) .

Tipos

Varios tipos de LSD se usan comúnmente en automóviles de pasajeros.

  • Valor fijo
  • Par sensible
  • Sensible a la velocidad
  • Controlado electrónicamente

Valor fijo

En este diferencial, la diferencia máxima de par 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 con resorte.

Sensibilidad al par (HLSD)

Este tipo incluye diferenciales de deslizamiento limitado de engranajes helicoidales y embrague, cono (un tipo alternativo de embrague) donde la fuerza de acoplamiento del embrague es una función del par de entrada aplicado al diferencial (a medida que el motor aplica más par, los embragues se agarran con más fuerza y Trq d disminuye).

ZF LSD - pila de embrague visible a la izquierda
ZF LSD: rampas visibles del eje del piñón de araña

Los LSD de detección de par responden al par del eje de transmisión, de modo que cuanto más par de entrada del eje de transmisión presente, más fuerte se presionan los embragues, conos o engranajes entre sí y, por lo tanto, más estrechamente se acoplan las ruedas motrices entre sí. Algunos incluyen carga de resorte para proporcionar un pequeño par de torsión de modo que con poco o ningún par de entrada (acelerador de arrastre / 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.

Embrague, tipo cono o placa LSD

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 portador de engranajes de araña. Las pilas de embrague pueden estar presentes en ambos ejes de transmisión o solo en uno. Si solo está en uno, el eje de transmisión restante está vinculado al eje de transmisión embragado a través de los engranajes de araña. En un tipo de cono, 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 rampa de leva como el que se usa en un LSD estilo Salisbury / rampa. Los engranajes de 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 de 1 vía. Si ambos lados están inclinados, pero son asimétricos, el LSD es de 1,5 vías. (Vea la discusión de 2, 1.5 y 1 a continuación)

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.

A medida que el par de entrada del eje de transmisión intenta 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 astillas) en un LSD unidireccional en marcha libre no produce ningún efecto de leva ni la correspondiente compresión de la pila del embrague.

2 vías, 1 vía, 1,5 vías

En términos generales, hay tres estados de par de entrada: carga, sin carga y sobre marcha. 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 caso de sobrecarga (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 limitación al frenar con el motor.

Un diferencial unidireccional proporcionará su acción limitante en una sola dirección. Cuando el par se aplica en la dirección opuesta, se comporta como un diferencial abierto. En el caso de un automóvil FWD, se argumenta que es más seguro que un diferencial de 2 vías. El argumento es que si no hay acoplamiento adicional en caso de sobremarcha, es decir, un LSD de 1 vía tan pronto como el conductor levanta el acelerador, el LSD se desbloquea y se comporta como un diferencial abierto convencional. Esto también es lo mejor para los automóviles FWD, ya que permite que el automóvil gire al soltar el acelerador, en lugar de avanzar.

Un diferencial de 1,5 vías se refiere a uno en el que los pares limitadores de avance y retroceso, Trq d_fwd, d_rev , son diferentes pero ninguno es cero como en el caso del LSD de una vía. Este tipo de diferencial es común en los autos de carreras donde un fuerte par limitante puede ayudar a la estabilidad al frenar con el motor.

LSD adaptado

Audi Quattro Torsen Diferencial

Engranajes, de par sensible mecánicas diferenciales de deslizamiento limitado usan engranajes helicoidales y engranajes rectos para distribuir y potencia de entrada diferenciar entre dos ruedas de accionamiento o ejes delantero y traseros. 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 de LSD basados ​​en fricción que combinan un diferencial "abierto" de engranaje de araña común en combinación 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. sobre. La polarización de par solo se aplica cuando es necesario y no inhibe la diferenciación. El resultado es un verdadero diferencial que no se fija como el LSD y los tipos de bloqueo, pero que aún ofrece una mayor entrega de potencia en muchas condiciones de la carretera.

Ejemplos incluyen:

  • Torsen T-1 es el nombre de marca del diferencial Gleasman original inventado por Vernon Gleasman alrededor de 1949 (Patente de Estados Unidos 2.559.916 aplicada en 1949, concedida en 1951). El diseño original de Gleasman se vendió a The Gleason Works (más tarde llamado Gleason Corporation ), que comenzó a comercializarlo en 1982. El modelo T-1 original es incompatible con los ejes motrices c-clip, que limitaban su uso con muchos automóviles y camionetas. camiones de la época. Sin embargo, el diferencial Torsen original fue utilizado en carreras por Mario Andretti y Paul Newman con gran éxito. Todos los diseños posteriores de LSD de engranajes helicoidales 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 ".
  • Torsen T-2 fue un nuevo diseño de Gleasman alrededor de 1984 (solicitud de patente de EE. UU. WO1984003745 A1) que es compatible con los ejes c-clip. El nuevo diseño, junto con la 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 estilo Positraction que proporciona precarga para carreras; y el T-3, un diferencial dual diseñado para aplicaciones AWD. El T-2 es equipo original en muchos automóviles y camionetas pick-up de alto rendimiento.
  • Diferencial Quaife , vendido bajo el nombre Automatic Torque Biasing Differential (ATB Differential®️), cubierto por la Patente Europea No. 130806A2. La versión Quaife está más establecida en Europa y otros mercados además de los EE. UU., Y proporciona un amplio soporte de 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.
  • Eaton Corporation es el último propietario del diferencial Truetrac , que ha estado en producción durante muchos años. Su diseño es similar al Torsen T-2 (un sesgo de torsión ligeramente menor) y es una pieza del mercado de accesorios para muchos ejes sólidos populares fabricados en EE. UU. Para tracción trasera y camionetas 4x4 . El Truetrac se usa con mayor frecuencia en el eje delantero de camionetas 4x4 diseñadas para 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 otros diseños de LSD y "casilleros".

Sensibilidad a la velocidad

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 estar muy cerca 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.

Viscoso (VLSD)

Nissan 240SX LSD viscoso

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 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 acoplada al portadiferencial. La mitad de los discos están conectados al interior, la otra mitad al exterior, alternando interior / exterior en la pila. El movimiento diferencial fuerza a los discos intercalados a moverse a través del fluido unos contra otros. 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 resultará en una fricción no viscosa de placa a placa y una caída drástica en la diferencia de velocidad. Esto se conoce como fenómeno de joroba y permite que el lado del acoplador se bloquee suavemente. En contraste con el tipo mecánico, la acción de limitación es mucho más suave y más 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 la silicona da como resultado una pérdida permanente repentina del efecto diferencial. Tienen la virtud de fallar con gracia, volviendo a un comportamiento diferencial semiabierto. Normalmente, un visco-diferencial 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 de engranajes que rodea el resto del diferencial. Esto no es útil; cuando el comportamiento del diferencial se deteriora, se debe reemplazar el centro del VLSD.

Bomba de gerotor

Este estilo de diferencial de deslizamiento limitado funciona mediante el uso de una bomba de gerotor para comprimir hidráulicamente un embrague para transferir el par a la rueda que gira más lentamente. La bomba de gerotor utiliza el portador diferencial o la 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 y hace 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 y la izquierda, y una amortiguación interna para evitar la histéresis . El sistema basado en bomba de gerotor más nuevo tiene una salida regulada por computadora para mayor versatilidad y sin oscilación.

Electrónico

Un diferencial de deslizamiento limitado electrónico típicamente tendrá un engranaje cónico o planetario similar al de un diferencial abierto y un paquete de embrague similar al de un diferencial basado en bomba gerotor o sensible al par. En la unidad electrónica, la fuerza de sujeción en el embrague es controlada externamente por una computadora u otro controlador. Esto permite controlar el par límite del diferencial, Trq d , como parte de un sistema de gestión total del chasis. Un ejemplo de este tipo de diferencial es el DCCD de Subaru utilizado en el Subaru WRX STi 2011. Otro ejemplo es el sistema Porsche PSD utilizado en el Porsche 928 . Un tercer ejemplo es el SAAB XWD ( Haldex Generation 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. El mismo sistema Haldex se utiliza en varios otros vehículos basados ​​en GM Epsilon, como el Cadillac SRX, etc.

Sistemas electrónicos: basados ​​en frenos

Estos sistemas son alternativas a un diferencial de deslizamiento limitado tradicional. Los sistemas aprovechan varios sensores de 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 par mayor a la rueda más lenta, además del desgaste adicional del material de fricción del freno que resulta del uso de tal sistema si el vehículo se conduce en un entorno donde el sistema basado en frenos se activará de forma regular.

El diferencial de deslizamiento limitado electrónico de BMW utilizado en la Serie F10 5 es un ejemplo de dicho sistema. Otro ejemplo comenzó en el primer año (1992) de producción del nuevo y renovado modelo Ford Crown Victoria de 4.6L V-8 con árbol de levas en cabeza con sus frenos antibloqueo opcionales. Esta opción estaba disponible en el Crown Victoria de 1992, en adelante; en los coches equipados con frenos antibloqueo.

Otros mandos finales relacionados

Nombres de fábrica

En las décadas de 1950 y 1960, muchos fabricantes comenzaron a aplicar nombres de marca a sus unidades de LSD. El Studebaker-Packard Corporation fue pionera en el LSD bajo la marca "Doble tracción" en 1956, convirtiéndose en uno de los primeros fabricantes. Otros nombres de fábricas de LSD incluyen:

En la cultura popular

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

En la película de 1992 My Cousin Vinny , la prueba de inocencia de dos jóvenes falsamente acusados 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 personaje de Marisa Tomei en una actuación ganadora del Oscar ) "no estaba disponible en el Buick Skylark del 64 ", el automóvil conducido por los acusados. Ella argumenta que la evidencia prueba, más bien, que el auto de escape era un Pontiac Tempest de 1963 , que ofrecía un diferencial de deslizamiento limitado Safe-T-Track (la versión de Pontiac de Positraction) opcional.

Referencias

enlaces externos