Tipos de tecnología 4x4 o de transmisión integral (I)

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Video resumen Tipos de tecnología 4×4 o de transmisión integral (I)

El par motor llega a las ruedas motrices pasando por el embrague, caja de cambios, árbol de transmisión (según implantaciones), diferencial y ruedas.

Dos son las opciones básicas de ruedas motrices; que sean las traseras, propulsión (tracción trasera) o las delanteras, tracción (delantera).

Cuando el piso es muy deslizante las ruedas motrices tienden a patinar impidiendo el avance.

Si se desplaza el vehículo por zonas muy agrestes fuera de carretera hará falta ir muy lentamente para avanzar y más par del que reciben las ruedas motrices.

Para solucionar estas particularidades de utilización, piso deslizante y uso todoterreno hay diferentes opciones de automóviles, que incluyen la transmisión integral, es decir las cuatro ruedas son motrices.

Aportaciones de la transmisión integral

El par motor llega a las ruedas, y estas por la adherencia con el piso, giran avanzando el automóvil, pero cuando el piso es deslizante con un único eje motriz puede haber dificultades para circular, veámoslo con esta animación y la imagen de un Lada Niva:

La implantación es de motor delantero longitudinal y 4×4
Bajo cada rueda aparece el circulo de adherencia, representando el valor máximo disponible de adherencia entre cada neumático y el suelo
Al ser un automóvil de transmisión integral, 4×4, cada una de las cuatro ruedas motrices recibe la mitad de par lo que permite que haya avance incluso en piso deslizante. Un automóvil con dos ruedas motrices que reciben el doble de par en cada rueda deslizaría antes
Si la adherencia se reduce mucho el circulo de adherencia será menor que el par aplicado por las ruedas, lo que implicará que patinen sobre el suelo, pero son condiciones bastante extremas de mínima adherencia
Los árboles de transmisión de cada eje parten del distribuidor 4×4, con diferentes posibilidades técnicas que son el objeto de este artículo

Transmisión integral (4×4) en curva

Circulando en recta los dos ejes giran a la misma velocidad, así como sus respectivas ruedas.

Si se circula en 4×4 no habrá, en principio, problemas pero en curva…. la siguiente animación nos lo explica:

Vemos como en recta el automóvil 4×4 avanza si dificultades incluso en piso con buena adherencia, los dos ejes giran a la misma velocidad y las dos ruedas de cada eje también, los diferenciales de los ejes no trabajan
En curva los ejes, y sus respectivas ruedas, giran a velocidades diferentes. Los diferenciales de cada eje permiten adaptar las velocidades de cada rueda a la curva, pero los árboles de transmisión desde el distribuidor 4×4, en principio, giran a la misma velocidad, lo que provoca tensiones en la transmisión y ruedas. Si se circula en piso deslizante no hay problemas, las ruedas patinan por la baja adherencia sin fatigas en la transmisión
Pero si se circula en 4×4 sobre piso adherente, al tomar curvas o girar la dirección se producirán daños y desgastes en transmisión y neumáticos
Se deduce que la distribución 4×4 ha de tener en cuenta estas situaciones, y hay diferentes tecnologías para llevarlo a cabo como veremos a continuación

La evolución de los tipos de transmisión integral, distribución 4×4, se han ido adaptando a los cambios en los usos, de los primeros 4×4 militares o profesionales a los automóviles enfocados al ocio y deporte.

Esta situación ha hecho que los sistemas 4×4 sean cada vez más “inteligentes”, para aprovechar la adherencia disponible sin exigir al conductor actuaciones sobre diferentes mandos para proteger los elementos mecánicos.

Tecnología 4×4 con propulsión permanente y tracción (4×4) conectable

Cronológicamente los primeros tipos de distribución 4×4 se aplicaron en automóviles militares, después se pasó a usos civiles y, como se ha comentado, se llegó al ocio con disminución en los usos anteriores.

Para organizar las explicaciones didácticamente empezamos con el sistema más simple de conexión 4×4.

Vamos a utilizar para cada sistema implantaciones de automóviles 4×4 reales, y al final del artículo se verán estos modelos resaltando la transmisión 4×4 en cada caso.

El primer sistema 4×4 es de propulsión (tracción trasera) permanente y conexión manual de la tracción (delantera), 4×4, que vemos en la animación siguiente.

La implantación corresponde a un Jeep Wagoneer con motor longitudinal delantero de 6 cilindros en línea:

Se ve el motor, embrague y caja de cambios
Caja de transferencia a continuación de la caja de cambios
El árbol de salida de la caja de cambios llega a la caja de transferencia y mueve un piñón
Este piñón engrana con otro que está acoplado al árbol de transmisión trasero, es propulsión permanente. Este piñón tiene en su parte delantera un dentado
Se ve el árbol de transmisión delantero, (sin contacto con el piñón de movimiento), el diferencial y los palieres
El extremo del árbol de transmisión delantero en la caja de transferencia tiene un dentado longitudinal
Sobre este dentado engrana un acoplamiento que se puede desplazar mediante una palanca desde el puesto del conductor
En piso deslizante, el conductor acopla la transmisión delantera de forma que la velocidad se reparte al 50% fijo a cada eje
Un testigo en el cuadro informa de la conexión 4×4
En firme adherente se ha de desconectar la tracción (delantera) para evitar daños en transmisiones y neumáticos, sobre todo en maniobras y curvas

Este sistema es muy eficaz en pisos deslizantes, pero el conductor ha de saber valorar en cada circunstancia la adherencia y condiciones de marcha para evitar desgastes mecánicos.

También ha habido sistemas 4×4 de conexión manual con tracción (delantera) permanente y propulsión (tracción trasera) conectable, por ejemplo Alfa Romeo 33 familiar 4×4, Renault 18 familiar y 21 Nevada 4×4 entre otros.

Tecnología 4×4 con tracción y propulsión auto conectable

Por viscoacoplador

La idea para facilitar al conductor el uso de un automóvil 4×4 es hacer que el acoplamiento de la transmisión integral se haga automáticamente según sea la adherencia.

Un primer paso es el sistema de viscoacoplador que explicamos con la siguiente animación, el coche que tiene la implantación representada es un Renault Scénic RX4, con motor delantero transversal de 4 cilindros en línea:

Es un automóvil con tracción (delantera) permanente
Del diferencial delantero parte un conjunto de dos piñones que llevan el movimiento al árbol de transmisión trasero, que no llega al diferencial de este eje
El extremo trasero del árbol de transmisión está estriado, dentado longitudinal
Sobre este dentado engrana un conjunto de discos
Una carcasa con dentado longitudinal en su interior está unida a la entrada del diferencial trasero
Unos discos engranan con este dentado
Hay dos conjuntos de discos, unos acoplados a la transmisión delantera y otros a la trasera que, en principio están separados
En el interior de la carcasa que contiene los discos hay aceite de silicona con un % de aire. Si se cizalla este aceite tiende a aumentar su viscosidad con rapidez inversamente proporcional a la cantidad de aire
Circulando con buena adherencia las velocidades de las transmisiones delantera y trasera son iguales, los discos giran a la misma velocidad no afectando al aceite de silicona
Cuando las ruedas motrices permanentes delanteras patinan, la velocidad de sus discos aumenta y disminuye la de los de la transmisión trasera generando fricción entre estos
El aceite de silicona se solidifica…. presionado unos discos contra otros pasando par y velocidad a las ruedas traseras
Al girar a la misma velocidad los discos ya no hay cizallamiento, separándose
El acoplamiento y desacoplamiento de los discos se va reproduciendo hasta que las ruedas delanteras (motrices permanentes) dejan de patinar

Se puede regular, en diseño, la progresividad del acoplamiento 4×4 con el % de aire en el aceite de silicona.

En usos intensivos con frecuentes patinamientos del eje motriz permanente se puede llegar a calentar demasiado el viscoacoplador.

Este sistema 4×4 no es adecuado para circular a elevada velocidad mantenida, la diferencia de velocidad dinámica de las ruedas delanteras y traseras tiende a que el viscoacoplador actúe intentado que giren las ruedas a la misma velocidad, provocando fuertes tensiones y desgastes en los neumáticos y transmisión.

Un automóvil pionero en disponer de un viscoacoplador para la auto conexión 4×4 es el Jenser FF, en este caso con motor delantero longitudinal, propulsión permanente y tracción auto conectable.

Por sistema “haldex”

Se busca mantener la auto conexión 4×4 con mejor adaptación a todo tipo de uso que el viscoacoplador, y una solución es el sistema “haldex”, cuya base va a ser muy utilizada en otros sistemas. La implantación del coche que vamos a utilizar en las explicaciones corresponde a un Volvo XC90 V8, con motor delantero transversal de 8 cilindros en V, este es el funcionamiento del sistema “haldex”:

Partimos de un automóvil con tracción (delantera) permanente
Del diferencial delantero sale movimiento hacia el diferencial trasero, pero el árbol de transmisión está dividido
La parte delantera del árbol de transmisión mueve una bomba de aceite
En la parte trasera del árbol hay una válvula de paso del aceite
Un cárter tiene en su interior dos conjuntos de discos, uno giran con el cárter al estar engranados a su dentado longitudinal, y otros con la parte trasera del árbol de transmisión al estar engranados en su estriado
Al girar el árbol de transmisión la bomba produce presión de aceite, que va al interior del cárter dónde están los discos, y continúa hasta la válvula de paso controlada por la parte trasera del árbol de transmisión. Como esta parte del árbol también gira, la válvula está abierta, y desde esta válvula, el aceite sigue hasta el retorno a la bomba
Circulando en línea recta con buena adherencia, las dos partes del árbol de transmisión giran a la misma velocidad, permitiendo que la válvula de paso de aceite esté abierta; la presión que produce la bomba retorna de nuevo a esta, no actuando sobre los discos
Si el piso es deslizante y las ruedas delanteras patinan, la parte delantera del árbol de transmisión gira más rápido, más presión de aceite producida por la bomba…..
Pero la parte trasera del árbol va más despacio lo que cierra total o parcialmente el paso de aceite, aumentando la presión en el interior del cárter con los discos que se acoplan con más o menos fuerza…..
Llega velocidad y par a las ruedas traseras, proporcionalmente al patinamiento de las ruedas delanteras
El ciclo de acoplamiento progresivo de los discos se va produciendo mientras se circula en condiciones que hacen patinar a las ruedas delanteras
Se mejora el rendimiento y adaptación a diferentes condiciones de marcha incorporando un control electrónico y otra bomba, esta eléctrica. El sistema se anticipa a las pérdidas de adherencia, adaptando mejor y con más progresividad, el reparto 4×4

El conjunto de dos grupos de discos en baño de aceite se pueden considerar como un embrague multidisco en aceite, y es como lo identificaremos en los siguientes sistemas 4×4.

En algunas fichas técnicas identifican este sistema “haldex” como 4×4 permanente, pero no lo es, pues lo que hace, partiendo de un eje motriz permanente, delantero en las explicaciones, es acoplar el otro.

También se suele decir que este sistema, y otros similares que veremos después, reparten el par según las necesidades, en realidad lo que hace el “haldex” (y los demás auto conectables) es pasar par al eje no motriz permanente hasta llegar a bloquear el embrague multidisco, en este caso el reparto es 50%/50% entre los ejes.

Si hay variaciones desde este momento es porque al patinar las ruedas del eje motriz permanente y no “consumir par” aumenta en el otro eje.

En la parte II de este artículo se verá qué es un 4×4 permanente, con diferentes opciones técnicas, que pueden disponer también de embrague multidisco en baño de aceite.

Tecnología 4×4 con propulsión y tracción auto conectable por discos y motor eléctrico

Manteniendo el concepto de un eje motriz permanente y el otro auto conectable por embrague multidisco en baño de aceite, vamos a ver otro sistema para el que tomamos como referencia la implantación de un BMW X3 xDrive con motor delantero longitudinal de 4 cilindros en línea:

Es un automóvil de propulsión (tracción trasera) permanente
Se ve la caja de transferencia a continuación de la caja de cambios
Un piñón asociado a la transmisión trasera pasa el movimiento a otro mediante una cadena. Este piñón está acoplado a un cárter en cuyo interior hay un embrague multidisco en baño de aceite
Unos discos están unidos al cárter, que gira con la propulsión y los otros al árbol de transmisión delantero
Un motor eléctrico controlado electrónicamente es el encargado de presionar los discos
En piso deslizante si llegan a patinar las ruedas traseras, motrices permanentes, lo detecta el control electrónico por la diferente velocidad de las ruedas
Accionando el motor eléctrico que empuja los discos transfiriendo par a las ruedas delanteras
En función de las variaciones de adherencia el sistema irá adaptando el paso de par hacia delante, pero siempre es motriz permanente el eje trasero

El control electrónico tiene en cuenta muchos factores para poder adaptar el reparto 4×4 a las condiciones de marcha, incluso previendo riesgos de patinamiento.

Una curiosidad sobre estos sistemas de auto conexión 4×4; es frecuente leer que pueden hacer llegar el 100% del par a cada eje, y es una realidad que hay que matizar.

En el caso de tener propulsión permanente y tracción auto conectable es evidente que 100% detrás y nada delante es normal.

¿Cómo lograr lo contrario?; si se produce un salto del coche y las ruedas traseras despegan del suelo el sistema auto conecta el embrague multidisco con la máxima fuerza, reparto teórico 50%/50%, pero como las ruedas traseras no “consumen par” todo llega a las delanteras. La explicación es la misma con tracción permanente y propulsión auto conectable.

Tecnología 4×4 con tracción y propulsión auto conectable electromagnéticamente y bloqueo

Seguimos con el embrague multidisco para auto conectar un eje con el otro motriz permanente, pero con otra forma de hacerlo.

La implantación del coche utilizado es de un Nissan XTrail con motor de 4 cilindros en línea delantero transversal:

El eje motriz permanente es el delantero
Vemos el embrague multidisco en baño de aceite entre las dos partes del árbol de transmisión
Alrededor del cárter del embrague multidisco hay un bobinado eléctrico haciendo que el conjunto se comporte como un electroimán, con fuerza de atracción proporcional a la intensidad de corriente eléctrica suministrada. Se deduce que hay detrás un control electrónico
Cuando en piso deslizante las ruedas motrices permanentes, delanteras, patinan el calculador electrónico adapta el efecto electroimán para presionar los discos
Que acoplan pasando par al eje trasero
Los efectos de auto conexión se van reproduciendo si las ruedas delanteras siguen patinando
El conductor puede disponer de un mando para seleccionar el funcionamiento del sistema de auto conexión 4×4:
- “2”; tracción delantera, solamente actuará la auto conexión 4×4 en caso de emergencia por patinamiento de las ruedas delanteras
- “4 AUTO”; el sistema prima la tracción (delantera) pero adapta el reparto 4×4 según las condiciones de marcha, tratando de prevenir posibles patinamientos o pérdidas de trayectoria en curva
- “4×4 BLOC”; bloquea el sistema con reparto fijo del 50% a cada eje, permite salir se situaciones de muy baja adherencia. Se auto desconecta al superar cierta velocidad, entre 40 y 50 km/h

Aplicaciones de la tecnología 4×4

Vemos las imágenes reales de las implantaciones de los coches 4×4 que se han utilizado en las explicaciones:

Jeep Wagoneer; motor delantero longitudinal, propulsión permanente y tracción (4×4) conectable manual
Renault Scénic RX4; motor delantero transversal, tracción permanente y propulsión auto conectable por viscoacoplador (discos en aceite de silicona con aire)
Volvo XC90; motor delantero transversal, tracción permanente y propulsión auto conectable “haldex” (embrague multidisco en baño de aceite con bomba mecánica de aceite y válvula de paso, también puede contar con bomba eléctrica de aceite)

BMW X3 xDrive; motor delantero longitudinal, propulsión permanente y tracción auto conectable (embrague multidisco en baño de aceite, motor eléctrico de presión y control electrónico)
Nissan XTrail; motor delantero transversal, tracción permanente y propulsión auto conectable (embrague multidisco en baño de aceite presionado electromagnéticamente)

En el capítulo II de esta artículo se explicaran los diferentes sistemas 4×4 permanentes, la “reductora” y el bloqueo manual de los diferenciales para todoterreno.

Tipos de tecnología 4×4 o de transmisión integral (I)