Historia de la transmisión Quattro (I)

Tabla de contenidos

Video resumen Historia de la transmisión Quattro (I)

El automóvil desde sus inicios disponía de dos ruedas motrices, las que reciben el par motor.

Empezaron siendo las traseras, propulsión o tracción trasera, y así fue durante bastantes años.

En la década de 1930 se empezaron a diseñar automóviles con tracción, ruedas delanteras motrices, y en este tema fue Citroën con su “Traction” desde 1934 la que tuvo más influencia al ofrecer un coche de turismo fabricado en gran serie con ruedas delanteras motrices.

La transmisión a las cuatro ruedas, 4×4, se consideraba idónea solamente para usos muy particulares, expediciones con vehículos especiales, militares y rurales, pero no se pensaba en su aplicación para otros usos.

Land Rover, con su Range Rover en 1970 ofreció un todoterreno (TT) 4×4 para ser utilizado también en carretera.

Se basaba en sus modelos TT tradicionales (88/90/109/110/ luego Defender) con suspensiones por muelles más confortables (que se aplicó también a los modelos originales) pero manteniendo dos ejes rígidos, mejor acabado y motores V8 potentes para aportar buenas prestaciones en carretera.

No dejaba de ser un todoterreno con reductora y muy buen comportamiento en este uso TT, pero tenía claras limitaciones en carretera relacionadas con la seguridad activa o primaria y pasiva secundaria, además de muy elevados consumos de combustible.

La llegada del 4×4 a coches de calle puede que no tenga un único protagonista, pero sin duda ha sido Audi la marca que más ha influido en su desarrollo e implantación en automóviles no destinados a uso fuera de carretera, resaltando su identificación por la denominación “Quattro”.

En este artículo, por su extensión dividido en dos partes, se presenta la historia del sistema Quattro de Audi.

Exponemos las evoluciones técnicas tal como se han ido desarrollando, de hecho, las he vivido personalmente absorbiendo las informaciones que se iban produciendo publicadas por la prensa especializada en papel al principio, entonces no teníamos Internet.

Audi es una marca relacionada con otras muchas en su historia, además de las que ahora conforman el grupo VAG (Volkswagen Audi Group), eran estas; DKW, Wanderer, Horch, NSU y Auto Unión.

La tecnología 4×4 en el automóvil tiene cuatro aplicaciones genéricas; todoterreno (puede circular por zonas muy agrestes y cuenta con reductora), todocamino o SUV (más turismo que TT), turismo 4×4 (para pistas o carreteras deslizantes) y prestacional (para aprovechar mejor elevados valores de par y potencia).

Este y más temas relacionados se tratan en otros artículos del blog indicados al final de esta primera parte, en la segunda se incluyen todos.

También se proponen enlaces que aportan información sobre la transmisión Quattro, en esta parte y la siguiente.

Evolución de la tecnología de la transmisión Quattro 4×4 de Audi

Para empezar, vamos a presentar un resumen de la evolución que ha llevado a Audi a desarrollar la transmisión Quattro 4×4, con denominación propia “Quattro” desde sus primeros automóviles con un eje motriz, el delantero.

Es como un programa de lo que proponemos explicar en este artículo:

Hasta 1976 los automóviles Audi de gama media y alta tenían tracción (delantera) y el motor estaba implantado de forma longitudinal delantera, por delante del eje. Bueno, esta implantación para la gama media y alta se sigue utilizando actualmente, con el eje algo más adelantado para mejorar el reparto de pesos delante atrás
Entre 1976 y 1977 se desarrollaron unas pruebas con nuevos modelos de gama media y alta en las que los coches de asistencia eran Volkswagen Iltis, 4×4 todoterreno de una marca del grupo. De la comparación del comportamiento del 4×4 y la tracción (delantera) de los modelos Audi sobre nieve surgió el sistema Quattro
En 1980 Audi presentó su modelo coupé Quattro, con 4×4 permanente y diferencial central bloqueable por el conductor. Al mover el motor las cuatro ruedas, el consumo de combustible es mayor que con un único eje motriz
4 y 5. Este modelo coupé, y otros más de la marca que también contaban con 4×4, sustituyeron en sus versiones Quattro desde 1985 el diferencial central bloqueable por el conductor, por un autoblocante tipo “torsen”
Ya extendido el sistema de transmisión Quattro en la gama alta de Audi, en 2005 se sustituye el diferencial central Torsen por otro auto bloqueable por discos en aceite y control electrónico, además el reparto de par entre los ejes es asimétrico, más detrás que delante
La transmisión a las cuatro ruedas aporta ventajas cuando la adherencia no es buena o se circula rápido por curvas, pero en suelos con buena adherencia y conducción media no hay ventajas, además aumenta el consumo de combustible. En 2016 presenta Audi el sistema ultra Quattro, que permite conectar de forma automática la transmisión trasera y también conectar o separar el diferencial trasero de sus ruedas. Se mantienen las ventajas del 4×4 sin que el consumo de combustible se incremente
La buena acogida comercial del sistema de transmisión Quattro de Audi anima a la marca a ofrecerlo en sus modelos de gama media con motor delantero transversal desde 1996. Aunque se mantiene la denominación Quattro, el sistema 4×4 es diferente; en marcha normal son motrices las ruedas delanteras, tracción. Cuando alguna de las ruedas delanteras desliza se acopla progresivamente la transmisión trasera. Se utiliza el sistema 4×4 “haldex” para el acoplamiento progresivo de la transmisión trasera, que también equipan automóviles 4×4 de otras marcas con la misma implantación técnica de motor delantero transversal y tracción (delantera)
El grupo VAG adquirió Lamborghini en 1998, y diseñó el Audi R8, un estricto deportivo de dos plazas en 2006, al que incorporó la transmisión integral Quattro con diferentes sistemas. En este coche, el sistema de transmisión Quattro permite mejor aprovechamiento del par y potencia, reduciendo la tendencia al deslizamiento de las ruedas por exceso de par en el contacto de los neumáticos con el suelo en la huella
En 2019 el automóvil está sumido en la incertidumbre sobre cuál es la mejor tecnología para su desplazamiento, que no contamine y permita la utilización en todos los ámbitos y recorridos. La electricidad parece ser una opción y en estos coches es fácil aplicar el sistema 4×4, Quattro para Audi, es suficiente con un motor eléctrico para cada eje alimentados por las baterías de desplazamiento

La transmisión Quattro 4×4 de Audi, aplicada en modelos con motor longitudinal delantero, también se denomina igual en coches con motor delantero transversal, e incluso con motor longitudinal central, y tiene diferentes tecnologías, componentes y funcionamiento.

Se van a explicar los distintos sistemas denominados transmisión Quattro indicando el año en que se implantan en los modelos, pero la aplicación en las gamas es selectiva en función de diversos factores, conviviendo unos sistemas con otros en el tiempo.

Para que sean más pedagógicas las explicaciones elaboramos dibujos y esquemas didácticos que representan el funcionamiento de cada sistema.

Con dos ruedas motrices las otras dos giran al ser arrastradas por el automóvil.

Sean las que sean las ruedas motrices de un automóvil, es necesario para que pueda avanzar que haya adherencia en los neumáticos sobre el piso, por lo que el tipo de neumático ha de ser el adecuado circulando por zonas con baja adherencia, de hecho, es más eficiente un coche con dos ruedas motrices y neumáticos adecuados (de invierno, M+S, …) que un 4×4 con neumáticos normales.

Función del diferencial en la transmisión Quattro

El diferencial está entre las ruedas motrices del automóvil, y su función es adaptar la velocidad de cada una de estas en las curvas, pues han de ser diferentes.

La rueda exterior a la curva ha de girar a más velocidad que la interior, ya que recorre más distancia en el mismo tiempo.

Que esto sea así es por el efecto del diferencial:

Se resalta el diferencial en el automóvil, en este coche con motor longitudinal delantero el diferencial está integrado en la caja de cambios o junto a esta, y pasa el movimiento a las ruedas motrices mediante los palieres o transmisiones

Se ve el diferencial y su despiece desde tres puntos de vista, perspectiva, en planta y lateral:

Corona; recibe el par motor por el piñón de ataque
Soportes; están asentados en la corona y giran con esta, sobre los soportes enclavan los ejes de giro de los satélites
Piñón de ataque; aporta el par motor a la corona que recibe desde el árbol de transmisión o la caja de cambios En este caso al estar el diferencial en la caja de cambios, o junto a esta, no hace falta árbol de transmisión desde la caja al piñón de ataque
Satélites; se mueven sobre ejes acopados a soportes asentados en la corona. El conjunto corona – soportes – satélites giran, los satélites a su vez pueden girar sobre sus respectivos ejes apoyado en los soportes de la corona, lo que implica que también giren los planetarios
Planetarios; engranan a ambos lados de los satélites. Cada planetario está unido al palier o transmisión de una rueda motriz a la que mueve

En recta la corona y las dos ruedas motrices del eje giran a la misma velocidad.

No hay rotación relativa entre los satélites y planetarios, giran simultáneamente todos con la corona.

En curva la rueda que ha de girar más despacio hace que su adherencia con el piso la frene y a su planetario, lo que supone que al seguir girando la corona arrastre a los soportes de los satélites, y el del planetario más lento gira sobre este pasando más velocidad al planetario de la otra rueda, que gana la velocidad que el otro pierde.

De esta forma la velocidad del eje se reparte entre las ruedas que recorren distancias diferentes en el mismo tiempo:

El diferencial aporta la velocidad correspondiente al radio de la curva a cada rueda motriz. Si una rueda desliza totalmente gira sobre sí misma, se lleva toda la velocidad y el coche no avanza

El diferencial es imprescindible en el eje motriz, pero como se ha comentado, si una rueda desliza por baja adherencia se lleva toda la velocidad y par, sin que la otra rueda se mueva.

Si un automóvil dispone de transmisión integral, 4×4, ha de haber algún sistema que circulando por piso adherente en curvas permita que los ejes delantero y trasero giren a diferentes velocidades, pues recorren distintas distancias en el mismo tiempo, puede ser un diferencial central u otro de los sistemas posibles, de los que se van a explicar los que utiliza Audi en sus automóviles Quattro.

¿Por qué Audi se interesó por la transmisión a las cuatro ruedas 4×4?

Entre los años 1976 y 1977 …

Se ve en planta y vista lateral un automóvil Audi de gama alta:

Durante pruebas con estos modelos en zonas próximas al ártico entre 1976 y 1977 con implantación de motor longitudinal delantero por delante del eje y tracción (delantera), con el diferencial junto a la caja de cambios …
… se comprobó que circulando sobre nieve o piso deslizante las ruedas motrices delanteras patinaban, giraban sobre sí mismas, no avanzando o muy poco el automóvil y además con desvíos. Las ruedas motrices delanteras soportan la mayor parte del peso al tener sobre estas el motor, embrague y caja de cambios, y aun así patinaban. La razón es que el par motor que reciben desde el diferencial es superior a la adherencia
Esta situación se produce con cualquier otro automóvil, más si las ruedas motrices soportan menos peso, pero hubo algo que hizo plantearse una posibilidad técnica para evitar, o al menos reducir, el deslizamiento de las ruedas motrices
Para las pruebas se contaba con vehículos de asistencia, eran Volkswagen Iltis, 4×4 todoterreno de la marca filial
Estos coches tienen implantación similar a los Audi, motor longitudinal delantero por delante del eje, pero son las ruedas traseras las motrices. Desde la caja de cambios parte un árbol de transmisión hasta el diferencial en el eje trasero. Además, desde la salida de la transmisión trasera hay una caja de transferencia con otro árbol de trasmisión hacia el diferencial que mueve las ruedas delanteras. La conexión del árbol de transmisión delantero la hace el conductor mediante una palanca
Cuando los Audi con tracción (delantera) sobre piso deslizante patinaban, los VW Iltis conectaban la transmisión delantera, 4×4, y podían seguir avanzando hasta que prácticamente no había adherencia, es decir si patinaban las ruedas traseras las delanteras podían seguir avanzando
La razón de estos comportamientos es que las ruedas motrices han de pasar el par motor al suelo para avanzar, y si el par es superior a la adherencia no es posible. Con 4×4 el par se divide entre cuatro ruedas en vez de dos, por lo que cada una recibe la mitad, lo que permite que puedan seguir avanzando sin deslizar con la mitad de adherencia que con un eje motriz, tracción (delantera) en este caso
Para mayor eficacia el VW Iltis tenía otra tecnología, ya que si patinan las dos ruedas de un lado los respectivos diferenciales dan toda la velocidad a estas ruedas y no hay avance. Este todoterreno disponía de diferencial trasero autoblocante, de forma que, si una rueda gira en exceso con relación a la otra de su eje, el diferencial se bloquea manteniendo par en la rueda con adherencia lo que permite el avance. El diferencial autoblocante en el eje delantero no es habitual montarlo por sus efectos sobre la dirección, se utiliza en todoterreno para uso extremo y es bloqueable por el conductor
¿Sería útil el 4×4 para automóviles Audi de carretera?
Se ve en las imágenes superiores que representan al modelo Audi de gama alta la aplicación como concepto del sistema 4×4; al repartir el par entre las cuatro ruedas cada una recibe la mitad, por lo que podría avanzar con la mitad de adherencia

Jensen ofrecía en 1966 su modelo FF con 4×4, era un automóvil muy minoritario que demostraba las ventajas de contar con cuatro ruedas motrices en determinadas condiciones de adherencia y estilo de conducción.

Como curiosidad, el VW Iltis, que ganó el Paris – Dakar en 1980, se basaba en el DKW Munga, marca que formó parte del grupo.

El Munga disponía de 4×4 permanente con un diferencial central que pasaba el movimiento por sus respectivos árboles de transmisión a los diferenciales de los ejes.

El Iltis (originalmente 183), tenía propulsión (tracción trasera) y la tracción (delantera) era conectable mediante una palanca a voluntad del conductor.

Durante el desarrollo de este artículo se verán las aportaciones de los sistemas 4×4 permanente y conectable.

Se ha representado el diferencial trasero autoblocante mediante discos en aceite, es un sistema muy utilizado que permite un efecto autoblocante progresivo que limita el deslizamiento.

Es el sistema que se va a utilizar para el diferencial trasero en los coches que vamos a ir viendo.

En los automóviles deportivos con tracción (delantera) se incluye alguna tecnología para evitar el deslizamiento de una rueda motriz, puede ser por medio de sistemas autoblocantes del diferencial controlados electrónicamente o, lo más habitual, se hace mediante actuación intermitente de los frenos por el control de tracción en aceleración CTA, que se explica en la segunda parte de este artículo.

Motor longitudinal delantero. Quattro 1980

4×4 permanente con tres diferenciales; central (bloqueable), delantero y trasero (autoblocante)

Tras las pruebas de 1976/1977 en zonas con pisos de baja adherencia, quedó claro que con cuatro ruedas motrices se podría avanzar donde no era posible con solamente dos.

Este detalle aumenta de valor al tener en cuenta que los modelos Audi de alta gama tenían ya entonces buenas cifras de par y potencia, además se empezaba a implantar el turbocompresor que los incrementaba bastante, y en consecuencia las tendencias al deslizamiento de las dos ruedas motrices delanteras se presentaban incluso en asfalto con buena adherencia al acelerar con energía.

Audi presentó en 1980 un coupé con cuatro ruedas motrices que causó sensación, por el modelo en sí y sobre todo al disponer de 4×4, algo no visto, salvo excepciones, en coches de calle.

Además, con su motor de cinco cilindros en línea de 2,1 litros, inyección mecánica continua y turbocompresor aportaba 29 kgm de par y 200 CV de potencia, valores bastante altos entonces, con los que se lograban excelentes prestaciones, utilizables gracias a las cuatro ruedas motrices, no se disponía de controles de tracción o estabilidad.

Así es este coche en el que el sistema de cuatro ruedas motrices se denominó comercialmente Quattro, logrando excelente imagen para la marca por sus éxitos en competición:

Se ve el Audi coupé Quattro resaltando el diferencial central del sistema 4×4 permanente
Motor longitudinal delantero, por delante del eje, con la caja de transferencia a continuación
El par motor sale de la caja de cambios, llega a la caja de transferencia y pasa a la corona del diferencial central
Los planetarios, engranados con los satélites del diferencial central, pasan el movimiento a sus respectivos árboles de transmisión que continúan hasta los diferenciales de los ejes delantero y trasero
El diferencial central dispone de bloqueo desde el puesto de conducción. Si se acciona se anula el efecto diferencial transmitiendo de forma constante el par y velocidad a cada eje
El diferencial trasero es autoblocante, si una de las ruedas del eje patina el diferencial envía parte del par motor a la otra que mantiene adherencia
Se pone en marcha el automóvil circulando sobre piso adherente, el diferencial central envía el mismo par y velocidad a los diferenciales de los ejes
Entra el automóvil en zona deslizante, pasando primero las ruedas delanteras, que tienden a deslizar
Para evitarlo el conductor al ver la situación bloquea el diferencial central, manteniendo par en las ruedas traseras que tienen adherencia. En teoría, el reparto de par entre ejes sería del 50%, pero en realidad las traseras reciben más pues al deslizar las delanteras no trasmiten todo el par al suelo que se suma al que llega a las traseras
A continuación, el piso deslizante afecta a las ruedas de un lado, las de la derecha en este caso, y entra en acción el diferencial autoblocante trasero haciendo que la rueda del eje sobre piso adherente, la izquierda, reciba par para seguir avanzando

Para resaltar las actuaciones del diferencial central y trasero se los ve en detalle ampliado:

El diferencial central se representa libre, bloqueado a continuación y se comparan las dos posiciones
Se ve el diferencial trasero sin actuar el sistema autoblocante, actuando y se comparan las dos situaciones
Circulando sobre piso adherente se ha de desbloquear el diferencial central para permitir que en curvas los ejes giren a velocidades distintas correspondientes al radio de la curva, de no hacerlo se someten a grandes esfuerzos los neumáticos y elementos de transmisión, apreciándose fuertes efectos de retención por la adherencia de los neumáticos, ya que las ruedas de los ejes delantero y trasero giran a la misma velocidad y deberían ser diferentes
Este sistema de 4×4 es permanente, siempre reciben par las cuatro ruedas incluso en piso adherente

Los excelentes resultados de este coche 4×4 en competición fue el incentivo para ofrecer en su gama alta de modelos la transmisión Quattro.

Pero, para que el conductor de un automóvil de turismo con esta transmisión Quattro pueda sacarla partido sin dañar componentes, ha de saber valorar cuando actuar sobre el boqueo del diferencial central según el estado del piso, lo que requiere ciertos conocimientos y habilidades de conducción.

El siguiente paso en la evolución de sistema de transmisión Quattro, es no tener que contar con la actuación del conductor para solventar las situaciones de circular por pisos con buena o mala adherencia.

Habrá más evoluciones, pues las ventajas del 4×4 se aprecian en pisos deslizantes, circulación rápida en curvas o ambas.

Sobre piso con buena adherencia y utilización normal del automóvil el sistema de transmisión Quattro con 4×4 permanente no aporta beneficios, pero el consumo de combustible se incrementa al tener que arrastrar el motor a los dos ejes.

Se irán desarrollando estas evoluciones progresivamente para mantener las ventajas del sistema de transmisión Quattro y minimizar los inconvenientes.

Motor longitudinal delantero. Quattro 1986

4×4 permanente con tres diferenciales; central (autoblocante torsen), delantero y trasero (autoblocante)

En la imagen de inicio se representa el diferencial central “torsen”.

Su denominación se basa en “torque”, par y “sensitive” sensible, es decir que el efecto autoblocante que hace es función del par.

En realidad, la capacidad de transmitir par cuando un eje desliza es proporcional a la geometría de los engranajes que hay en su interior; se basa en que un piñón con dentado sin fin puede hacer girar a otro helicoidal, pero no a la inversa.

Es posible lograr este giro con determinados ángulos de los dentados de los piñones, sin fin y helicoidales, pero se ha de aplicar más fuerza, par, para qué giren uno sobre otro:

Motor longitudinal delantero por delante del eje con la caja de transferencia a continuación de la caja de cambios
El par motor desde la caja de cambios pasa a la de transferencia y en el interior de esta se transmite a la corona del diferencial central torsen
Desde los planetarios del diferencial central torsen, que tienen dentado helicoidal, parten los árboles de transmisión a los diferenciales de los ejes, el trasero es autoblocante

Se representan imágenes del diferencial torsen ampliadas en diferentes vistas y despiece:

El par motor lo recibe la corona que está acoplada a los soportes
En los soportes hay unos ejes sobre los que giran los grupos de engranajes de conexión, entre cada dos de estos hay un piñón con dentado sin fin
Los piñones sin fin de cada lado engranan con los piñones helicoidales que son los planetarios de los que salen los árboles de transmisión
Como los piñones sin fin pueden hacer girar a los helicoidales, pero no a la inversa o hace falta mucho par, implica que se produzcan efectos de resistencia al giro si uno de los árboles de transmisión gira más rápido al patinar las ruedas de su eje
Se pone en marcha el automóvil y se ven las actuaciones del diferencial central torsen y trasero autoblocante según pierdan adherencia las ruedas de un eje o de un lado, en recta y curva

Resumen y particularidades del diferencial central torsen:

Mantiene reparto de par entre los ejes delantero y trasero, aunque las ruedas de uno de los ejes patinen
Se circula siempre en 4×4
Efecto “freno” de la transmisión en giros de dirección sobre piso adherente; el diferencial central torsen trata de mantener igual velocidad de giro de las ruedas delanteras y traseras y en curva no es así, por lo que se ha de acelerar más, aumentar el par, para que se siga desplazando el coche al vencer la resistencia de los dentados sin fin y helicoidales del diferencial torsen
Comparado con un diferencial normal, en el torsen los satélites están conformados por los piñones sin fin y los engranajes de conexión, y los planetarios son los piñones helicoidales
El efecto autoblocante del diferencial torsen lo determinan los ángulos de dentado de los engranajes sin fin y helicoidal

Con este sistema cualquier conductor puede disponer de las ventajas de la trasmisión integral en pisos de baja adherencia, aunque presenta ciertas particularidades en piso adherente y mucho giro de dirección, las maniobras de aparcamiento son un buen ejemplo; se ha de acelerar más para vencer la resistencia del diferencial torsen a permitir diferente velocidad de los ejes.

Se circula permanentemente en 4×4.

Motor longitudinal delantero. Quattro 2005

4×4 permanente con tres diferenciales; central (autobloqueable con discos en aceite controlados electrónicamente y asimétrico; 40% de par delante y 60% detrás), delantero y trasero (autoblocante)

La imagen sitúa el diferencia central, auto bloqueable y asimétrico:

Motor longitudinal delantero por delante del eje y la caja de transferencia tras la caja de cambios
En la caja de transferencia el par motor pasa a la corona del diferencial central

Detalles del diferencial central:

Tiene dos pares de satélites de diferente diámetro, que engranan con planetarios de distinto diámetro; los satélites pequeños con el planetario pequeño y los satélites grandes con el planetario grande
El planetario de más diámetro, el trasero, aporta más par a su árbol de transmisión, el 60%. El planetario de menor diámetro pasa menos par a su árbol de transmisión delantero, 40%
Se representa el diferencial de reparto asimétrico de par también en perspectiva
Desde los planetarios de distinto diámetro el par continua por sus respectivos árboles de transmisión a los diferenciales de los ejes, el trasero es autoblocante
El diferencial central asimétrico tiene además una cámara de aceite en la que hay intercalados dos conjuntos de discos, unos giran con la corona del diferencial y los otros lo hacen con la salida hacia la transmisión trasera
Se ven en el detalle ampliado del diferencial central la cámara de aceite y los discos; con el diferencial libre, discos separados, y bloqueado, discos juntos
El control del bloqueo del diferencial central, el desplazamiento de los discos, es electrónico según la adherencia de las ruedas delanteras y traseras
Inicia la marcha el automóvil y se aprecia la actuación del auto bloqueo del diferencial central con diferente adherencia entre las ruedas delanteras y traseras modificándose el reparto inicial de par entre los ejes, y del diferencial trasero autoblocante ante distinta adherencia entre las ruedas de su eje
En curva sobre piso adherente no hay problema al actuar el control electrónico del diferencial central según la adherencia de las ruedas y giro del volante
Este sistema se auto adapta a la adherencia entre los ejes delantero y trasero, circulando siempre con las cuatro ruedas motrices, incluso sobre pisos con buena adherencia

Con el mayor par que reciben las ruedas traseras se potencia el comportamiento del automóvil en curvas en conducción dinámica, contando con el diferencial auto bloqueable central para adaptar el reparto cuando la adherencia entre las ruedas delanteras y traseras es variable.

El mayor reparto proporcional de par a las ruedas traseras es peculiar, pues los modelos Audi con motor longitudinal delantero sin 4×4 son de tracción (delantera).

Otros enlaces

Volkswagen Iltis