Hay casi tantas arquitecturas de tracción a las cuatro ruedas como vehículos equipados con ellas. Cada fabricante parece tener un método preferido para desviar la energía al pavimento. El lenguaje del marketing suele ser turbio. Antes de sumergirnos en la mecánica, debemos desenredar la terminología. Es un desastre.
El término tracción en las cuatro ruedas suele ser una abreviatura de un sistema de tiempo parcial. No uses esto sobre asfalto seco. Está diseñado para escenarios de baja tracción. Nieve. Hielo. Lodo. Engranar los ejes delantero y trasero simultáneamente en carreteras con mucho agarre puede provocar atascos. Eso rompe cosas.
La tracción total cuenta una historia diferente. Algunos lo llaman tracción total a tiempo completo. Estos sistemas están diseñados para manejar cualquier superficie. En carretera. Fuera de la carretera. Rara vez te dejan apagarlos. El objetivo es una distribución de energía consistente independientemente de las condiciones.
Tanto las configuraciones a tiempo parcial como las de tiempo completo pueden juzgarse con la misma métrica. El sistema ideal envía la cantidad exacta de torque a cada rueda. Específicamente, el par máximo que no provocará un deslizamiento. Ese es el límite. Si lo superas, perderás tracción.
Empezaremos con los fundamentos. La tracción es la base. Veremos los componentes que componen estas transmisiones. Luego examinaremos implementaciones específicas. El Hummer, construido para GM por AM General, ofrece un interesante caso de estudio.
Comprender el torque no es negociable aquí. También lo es la tracción. Y patinaje de ruedas. No se puede comprender la ingeniería sin saber cómo interactúan estas fuerzas.
El límite de agarre
El par es la fuerza de torsión que genera el motor. Es la potencia bruta la que realmente mueve el vehículo. La transmisión y los juegos de engranajes diferenciales multiplican ese par antes de dividirlo entre las ruedas. La primera marcha multiplica más que la quinta porque la relación de transmisión es más pronunciada.
Piense en la potencia del motor como un gráfico de barras. Hay una línea específica en ese gráfico que representa el umbral de deslizamiento de las ruedas. Un buen lanzamiento se queda por debajo de esa línea. Los neumáticos se pegan. Un mal lanzamiento lo supera. Los neumáticos pierden agarre y patinan. Una vez que comienza el deslizamiento, la entrega de torque cae hacia cero.
Aquí está el truco: en escenarios de baja tracción, el motor no dicta cuánto torque llega al suelo. La tracción sí. Podrías atornillar un motor de NASCAR a un sedán, pero si los neumáticos no pueden adherirse al pavimento, esa potencia es inútil.
Definimos tracción como la fuerza máxima que el neumático puede transferir a la carretera. O viceversa. Es un par acción-reacción. Tres factores principales dictan ese límite.
Peso sobre el neumático. Más carga equivale a más agarre. El peso cambia constantemente. Al girar se empuja la masa hacia las ruedas exteriores. Al acelerar lo envía al eje trasero. El frenado lo arroja hacia adelante.
Coeficiente de fricción. Este número relaciona la fuerza de fricción con la fuerza normal que mantiene unidas las superficies. Depende del compuesto de caucho y de la superficie de la carretera. Un neumático resbaladizo de NASCAR sobre concreto seco tiene un enorme coeficiente de fricción. Es por eso que pueden llevar una velocidad increíble en las curvas. Pon ese mismo neumático en el barro y el coeficiente cae en picado. Por el contrario, los neumáticos todoterreno con tacos tienen un agarre mediocre en el pavimento pero destacan en la tierra.
Tipo de deslizamiento de las ruedas. Los neumáticos interactúan con la carretera en dos modos: estático y dinámico.
- Contacto estático. El neumático rueda sin deslizarse respecto a la carretera. La fricción estática es mayor. Esto proporciona una tracción superior.
- Contacto dinámico. El neumático se desliza. La fricción dinámica es menor. Pierdes el control.
El deslizamiento de las ruedas ocurre cuando la fuerza aplicada supera la tracción disponible. La fuerza proviene de dos direcciones.
- Longitudinal. El motor o los frenos aplican par. Esto acelera o desacelera el coche.
- Lateral. Las curvas crean fuerza lateral. Los neumáticos deben luchar para cambiar de dirección.
Imagínese un potente coche con tracción trasera en una curva mojada. Los neumáticos tienen suficiente agarre lateral para mantener la línea. Pise el acelerador a mitad de vuelta. Ahora estás descargando par longitudinal al eje trasero. Sume esa fuerza longitudinal a la fuerza lateral. Si la suma excede el límite de tracción total, las ruedas patinan.
La mayoría de los conductores nunca exceden la tracción sobre asfalto seco. Quizás también en carreteras llanas y mojadas. Es por eso que los sistemas de tracción en las cuatro ruedas brillan en entornos de baja tracción como nieve o pendientes resbaladizas.
La lógica es sencilla. El uso de cuatro ruedas en lugar de dos duplica la fuerza longitudinal potencial. Duplica el pool de tracción.
Esto ayuda en condiciones específicas:
- Nieve. Empujar a través de la nieve requiere una fuerza enorme. Los autos con tracción en dos ruedas se detienen si la nieve alcanza una profundidad de más de unos pocos centímetros porque cada neumático tiene un agarre mínimo. La tracción en las cuatro ruedas utiliza los cuatro neumáticos para avanzar.
- Todoterreno. Los cruces de barro, rocas o arroyos suelen dejar al menos un eje sin agarre. La tracción en las cuatro ruedas mantiene el flujo de potencia hacia los neumáticos que aún tienen contacto.
- Colinas empinadas. Subir requiere tracción sostenida. Los cuatro neumáticos, trabajando juntos, levantan el vehículo hasta donde dos podrían hundirse.
La tracción en las cuatro ruedas no es una varita mágica. No ofrece ninguna ventaja para detenerse sobre hielo. Esto es puramente dominio de los frenos y del sistema antibloqueo de frenos (ABS).
Comprender la física ayuda. Ahora analicemos el hardware que lo hace funcionar.
Componentes de un sistema de tracción en las cuatro ruedas
El corazón mecánico de la tracción
No se puede hablar de llevar potencia al suelo sin empezar por los diferenciales. Cada configuración de tracción en las cuatro ruedas se basa en dos de ellos: uno entre las ruedas delanteras y otro entre las traseras. Su trabajo es simple en teoría, complejo en ejecución. Toman torque del eje de transmisión o de la transmisión y lo transmiten a las ruedas. Pero hacen algo más igualmente importante. Dejan que las ruedas izquierda y derecha giren a diferentes velocidades.
Piensa en una curva cerrada. Las ruedas exteriores tienen que recorrer más distancia que las interiores. Si esas ruedas estuvieran unidas sobre un eje sólido, los neumáticos rozarían. Saltarían. Perderían el control. El diferencial resuelve ese problema de geometría. Permite la diferencia de velocidad entre las ruedas interiores y exteriores sin sacrificar la entrega de potencia.
En los sistemas de tracción total, el manejo de la variación de velocidad entre los ejes delantero y trasero recae en la caja de transferencia. Llegaremos a eso a continuación. Pero por ahora, concéntrese en el papel del diferencial en las curvas. Sin él, estás arrastrando goma hacia abajo en cada vuelta.
No todos los diferenciales son iguales. El tipo que tiene cambia la forma en que su vehículo utiliza la tracción disponible. Algunos están abiertos. Algún candado. Algún límite de deslizamiento. Esta distinción es más importante de lo que la mayoría de los conductores creen. Consulte Cómo funcionan los diferenciales para ver exactamente cómo estos componentes administran la división de energía bajo carga. La diferencia entre un camión que surca la nieve y uno que simplemente hace patinar los neumáticos a menudo se reduce a esta única elección mecánica.
Mecánica de la caja de transferencia
La caja de transferencia no es sólo una caja de engranajes; es el policía de tránsito de su tren motriz. Su trabajo es simple en teoría: dividir el par entre los ejes delantero y trasero. Pero la forma en que gestiona esa división define si su tren motriz sobrevive o se rompe.
En una configuración de tracción total (AWD), la caja de transferencia debe permitir que los ejes delantero y trasero giren a diferentes velocidades. ¿Por qué? Porque el auto está girando. Si las ruedas delanteras y traseras estuvieran bloqueadas rígidamente, la transmisión se atascaría en el momento en que llegaras a una curva. Para evitar esto, la caja de transferencia alberga un diferencial central, un acoplamiento viscoso o un conjunto de engranajes similar. Estos dispositivos permiten que los ejes delantero y trasero giren a velocidades ligeramente diferentes y al mismo tiempo envían potencia a ambos. Es lo que permite a los autos AWD manejar pavimento seco sin masticar sus propios componentes.
Los sistemas de tracción en las cuatro ruedas a tiempo parcial funcionan de manera diferente y más brutal. Aquí, la caja de transferencia bloquea los ejes de transmisión delantero y trasero. Giran exactamente a la misma velocidad. No se permite ningún resbalón.
Esto parece estar bien hasta que llegas a una superficie seca y de alta tracción como el concreto. Sobre asfalto seco, los neumáticos no quieren patinar. Quieren agarrar. Cuando se activa la tracción 4×4 a tiempo parcial sobre pavimento seco, las ruedas se ven obligadas a girar juntas mientras el automóvil gira. La rueda interior quiere recorrer una distancia más corta que la rueda exterior. Dado que la caja de transferencia no les permite girar a diferentes velocidades, la transmisión se defiende sola. Obtienes “liquidación”. El resultado es un manejo entrecortado, atascamiento y un rápido desgaste de los neumáticos y las piezas del tren motriz. Es por eso que el 4WD a tiempo parcial es estrictamente para escenarios de baja tracción (nieve, barro, grava) donde los neumáticos pueden patinar libremente para adaptarse a la diferencia en la velocidad de las ruedas.
Algunas cajas de transferencia van un paso más allá y ofrecen un juego de engranajes de gama baja. Esto no es por velocidad; es para multiplicar el par. Al acoplar un juego adicional de marchas, el sistema reduce drásticamente la velocidad de salida y al mismo tiempo aumenta el par en las ruedas. En primera marcha baja, puedes arrastrarte a una velocidad máxima de 8 km/h (5 mph), pero la fuerza ejercida es inmensa. Es la diferencia entre girar sobre una roca y arrastrarse sobre ella suavemente. Esencial para subidas empinadas o senderos técnicos todoterreno.
Bloqueo de bujes: desacoplamiento de la transmisión
Cada rueda está atornillada a un cubo. En las camionetas 4WD de tiempo parcial, ese centro no es sólo un conector pasivo. Es un interruptor activo.
Cuando conduce con tracción en dos ruedas, las ruedas delanteras todavía están conectadas al diferencial delantero, los semiejes y el eje de transmisión. Eso significa que esos componentes giran incluso cuando no proporcionan energía. Fricción. Calor. Tener puesto.
Los bujes de bloqueo solucionan este problema. Desconectan las ruedas delanteras de la transmisión cuando no se necesita 4WD. Esto evita que el diferencial, los semiejes y el eje de transmisión giren en el modo 2WD. ¿El resultado? Menos masa rotacional para girar, menos desgaste de cojinetes y engranajes y mejor economía de combustible.
Los camiones más antiguos usaban bujes de bloqueo manual. Para activarlos, tendrías que detenerte, salir y girar físicamente una perilla en la rueda delantera hasta que encaje en su lugar. Fue un ritual. Garantizaba el compromiso incluso antes de que intentaras moverte.
Los camiones modernos utilizan bujes de bloqueo automático. Activa un interruptor en la cabina y se activa un collar deslizante dentro del cubo, bloqueando el medio eje al cubo. A menudo, puedes hacer esto mientras te mueves, aunque algunos sistemas aún recomiendan detenerte para lograr una participación total. El mecanismo es el mismo de todos modos: un collar deslizante que bloquea físicamente los semiejes delanteros al cubo de la rueda, asegurando que la potencia llegue al neumático solo cuando usted la desee.
El cerebro electrónico
El hardware es sólo la mitad de la batalla. Los vehículos modernos con tracción en las cuatro ruedas y en las cuatro ruedas dependen en gran medida de la electrónica para gestionar la tracción.
Muchos automóviles ahora usan el sistema ABS para control de tracción de freno. En lugar de depender únicamente de diferenciales mecánicos o embragues, la computadora detecta cuando una rueda comienza a patinar o perder tracción. Luego aplica selectivamente los frenos a esa rueda específica. Esto imita un diferencial de bloqueo, enviando potencia a la rueda con agarre. No es tan robusto como un casillero mecánico, pero es eficaz para las condiciones de deslizamiento cotidianas.
Otros sistemas utilizan embragues sofisticados controlados electrónicamente. Estos pueden variar la transferencia de par entre ruedas en milisegundos, adaptándose a los cambios de superficie más rápido de lo que podría hacerlo un conductor (o un acoplamiento viscoso mecánico). Más adelante profundizaremos en un sistema avanzado específico, pero la tendencia es clara: la electrónica se está haciendo cargo del trabajo pesado mecánico.
Antes de analizar esos sistemas complejos, analicemos lo básico. ¿Cómo mueve realmente la potencia del motor al suelo el sistema 4WD de tiempo parcial más fundamental?
Diferencial de tracción en las cuatro ruedas
La mayoría de las camionetas con tracción en las cuatro ruedas tradicionales y los SUV más antiguos dependen de un sistema de tiempo parcial. Estos vehículos son fundamentalmente de tracción trasera. La transmisión se conecta directamente a una caja de transferencia. Ese caso divide la potencia entre dos ejes de transmisión. Uno hace girar el eje delantero. El otro hace girar la retaguardia.
Active la tracción en las cuatro ruedas y la caja de transferencia bloqueará los ejes de transmisión delantero y trasero. Cada eje recibe la mitad del par motor. Los bujes delanteros se bloquean simultáneamente.
Los ejes delantero y trasero utilizan diferenciales abiertos. Esta configuración ofrece mejor tracción que la tracción en dos ruedas. Pero tiene dos defectos importantes. La primera ya la sabes: no puedes utilizarlo sobre pavimento seco. La caja de transferencia bloqueada obliga a los ejes a girar a la misma velocidad. Eso provoca adherencias en superficies de alta tracción.
El segundo defecto radica en los diferenciales abiertos. Un diferencial abierto divide el par de manera uniforme entre las dos ruedas de un eje. Si una rueda pierde agarre o se levanta del suelo, el torque de esa rueda cae a cero. Debido a que la división es igual, la otra rueda también recibe torque cero. Incluso si la otra rueda tiene una tracción perfecta, no le llega ninguna potencia.
Los sistemas 4WD de tiempo parcial a menudo fallan porque envían torque basándose en la rueda con menor agarre.
El sistema ideal envía el par máximo a cada rueda sin provocar deslizamiento. Esta configuración básica funciona mal según ese estándar. Limita el par a lo que puede soportar el neumático que patina.
Puedes mejorar esto. Cambie el diferencial trasero abierto por una unidad de deslizamiento limitado. Esto asegura que ambas ruedas traseras reciban algo de torque. Un diferencial de bloqueo es otra opción. Bloquea las ruedas traseras juntas. Luego, cada rueda accede a todo el torque entrante, incluso si una no toca el suelo. Esto aumenta significativamente el rendimiento todoterreno.
El enfoque de tracción del Hummer
Ahora examinaremos cuál podría ser el sistema de tracción a las cuatro ruedas definitivo: el que se encuentra en el Hummer.
Cómo funciona realmente la caja de transferencia del Hummer
El AM General Hummer no es sólo una camioneta con una elegante capa de pintura. Es una bestia mecánica que combina hardware de alta resistencia con electrónica para ofrecer lo que posiblemente sea el sistema de tracción en las cuatro ruedas más eficaz del mercado. Y todo empieza en la caja de transferencia.
La mayoría de los vehículos todoterreno básicos utilizan un sistema que bloquea automáticamente los ejes delantero y trasero. El Hummer hace algo más inteligente.
Aquí está la configuración: los ganchos de la transmisión a la caja de transferencia. Desde allí, un eje de transmisión avanza hasta el eje delantero. Otro corre hacia atrás. Bastante simple. Pero aquí está el giro. La caja de transferencia no obliga a los ejes a girar a la misma velocidad de forma predeterminada. En el interior se encuentra un conjunto de engranajes de diferencial abierto. Se pueden desbloquear. O bloqueado. Por el conductor.
Cuando están desbloqueados, los ejes delantero y trasero se mueven de forma independiente. Esto significa que puedes llevar el Hummer al pavimento seco sin luchar contra la transmisión. Sin vinculación. Sin componentes que se rompan. Simplemente una conducción suave.
Pero activa el interruptor. Ciérralo.
De repente, el diferencial abierto se cierra. Los ejes delantero y trasero están unidos. Ambos tienen acceso al par del motor. Aquí es donde ocurre la magia.
Imagínese este escenario. Estás arrastrándote por un terreno retorcido. Las ruedas delanteras caen en una zona de arenas movedizas. En un sistema estándar, esas ruedas giran. Se desperdicia energía. El Hummer cambia las matemáticas. Debido a que el diferencial está bloqueado, las ruedas traseras captan el torque que las ruedas delanteras no pueden usar. Las ruedas traseras empujan. Las ruedas delanteras… bueno, están atascadas en el barro. Pero el vehículo sigue avanzando.
No se trata sólo de poder. Se trata de distribución. El sistema de Hummer garantiza que cada partícula de torsión se envíe a donde se necesita. Si el frente tiene agarre, obtiene torque. Si la parte trasera tiene agarre, obtiene torque. Si solo un extremo tiene agarre, recibe todo el torque.
Esto no es teórico. Es ingeniería. Y es por eso que la Hummer puede llegar a lugares con los que otras camionetas sólo pueden soñar.
“Si las ruedas delanteras están en arenas movedizas, las ruedas traseras obtienen todo el par que pueden soportar”.
Esa es la conclusión clave. El Hummer no sólo envía potencia a las cuatro ruedas. Envía potencia a las ruedas que realmente pueden utilizarla. El resto se queda atrás.
¿Es complicado? Seguro. La electrónica lee la velocidad de las ruedas, la tracción y la información del conductor. La mecánica traduce eso en acción. ¿El resultado? Un vehículo que no se limita a circular por el suelo. Lo conquista.
Y no se trata sólo de ir rápido. Se trata de pasar a través. Sobre rocas. A través del barro. A través de la arena. El sistema del Hummer se adapta. No lucha contra el terreno. Lo usa.
Piensa en eso por un segundo. La mayoría de los sistemas de tracción en las cuatro ruedas son pasivos. Ellos reaccionan. El sistema del Hummer está activo. Se anticipa. Se prepara. Espera el momento en que las ruedas delanteras pierden agarre. Y entonces ataca.
Es una danza de torsión y tracción. Y el Hummer lidera.
La ventaja de Torsen y la lógica de bloqueo de freno
Tanto el eje delantero como el trasero del Hummer utilizan diferenciales Torsen®. Esto no es sólo una tontería de marketing. Estas unidades cuentan con un juego de engranajes específico que reacciona instantáneamente a los cambios de par. Cuando una rueda comienza a patinar, el sistema detecta la caída del par y transfiere la potencia a la rueda con agarre. Puede redirigir el par en una proporción de dos a uno hasta cuatro a uno. Se trata de un enorme salto adelante en comparación con los diferenciales abiertos, que simplemente envían el poder al camino de menor resistencia. Pero las unidades Torsen tienen un límite estricto. Si una rueda pierde completamente el contacto con el suelo, la otra rueda no recibe nada. El poder va al aire. Tracción cero. Movimiento de avance cero.
Para resolver este escenario sin salida, el Hummer emplea un sistema de control de tracción basado en frenos. Es una solución mecánica para un problema de física. Cuando los sensores detectan un deslizamiento, los frenos actúan con fuerza sobre el neumático que patina. Esto cumple dos funciones inmediatas. En primer lugar, evita que la rueda desperdicie energía girando en el vacío. Obliga al neumático a morder la superficie. En segundo lugar, crea una carga sobre ese eje. Esa carga engaña al diferencial Torsen para que envíe torque a la otra rueda. El sistema multiplica esa fuerza de frenado aplicada, suministrando de dos a cuatro veces el par al neumático con agarre. Para que el Hummer realmente se atasque, las cuatro ruedas deben perder tracción simultáneamente. Cualquier punto de contacto es suficiente para seguir avanzando.
Distribución de par en el mundo real
El control de tracción del freno no solo modera el deslizamiento. Impulsa activamente la distribución del par. Al aplicar una fuerza de frenado significativa a una rueda que patina, el sistema obliga a la unidad Torsen a reaccionar. El resultado es un aumento masivo de torque enviado al neumático que realmente tiene tracción. En casos extremos, el sistema puede canalizar casi toda la potencia disponible a una sola rueda. Si ese neumático aguanta, el Hummer se mueve. Este comportamiento se alinea estrechamente con el ideal teórico de la tracción a las cuatro ruedas: un sistema que entregue el máximo par posible a cada neumático en función de su agarre disponible. No se trata de una división equitativa. Se trata de una división efectiva.
La ingeniería aquí prioriza la función sobre la simetría. Los diferenciales abiertos fallan porque suponen que ambas ruedas tienen el mismo agarre. Los diferenciales bloqueados fallan porque ignoran la diferencia entre carretera y sendero. El enfoque híbrido del Hummer utiliza el frenado para simular un bloqueo cuando es necesario y luego depende de los engranajes Torsen para gestionar la distribución en condiciones normales. Es una solución en capas. Los frenos se encargan de los casos extremos. Los engranajes se encargan de la deriva diaria. Juntos, crean una transmisión que se mantiene móvil donde otros se estancan.
Por qué esto es importante para la capacidad todoterreno
La mayoría de los conductores nunca piensan en la distribución del par hasta que se quedan atascados. Luego aprenden por las malas lo frágiles que son los diferenciales estándar. La configuración del Hummer elimina esa vulnerabilidad. Al combinar la polarización mecánica del par con la intervención electrónica de frenado, cubre todos los modos de falla. ¿Rueda sobre una roca? Torsen se encarga de ello. ¿Rueda en un agujero de barro? Los frenos lo bloquean, Torsen dirige el poder a otra parte. ¿Rueda suspendida en el aire? Los frenos detienen el giro, Torsen empuja la rueda puesta a tierra. El sistema no sólo reacciona. Se anticipa. Calcula el camino de menor resistencia y lo bloquea.
No se trata sólo de salir de una zanja. Se trata de confianza. Puedes confiar en la transmisión para encontrar
