Cómo funciona un diferencial y el mal llamado "reparto de par" [vídeo]

El objetivo de este artículo es que cualquier persona entienda cómo funciona un diferencial y cómo se produce el mal llamado «reparto de par» entre las ruedas, tanto en un diferencial abierto como en un diferencial bloqueado. Comentaremos también otros tipos de diferenciales entre esos dos extremos, como el Torsen, el embrague multidisco o el acoplamiento viscoso y mencionaremos también el funcionamiento del control de tracción como complemento electrónico que reduce los inconvenientes de un diferencial abierto.

Qué es y para qué sirve un diferencial

El diferencial es un mecanismo que permite dos cosas: dividir una única entrada de potencia en dos salidas y que cada una de esas dos salidas pueda girar a diferente velocidad.

La razón de ser de cualquier diferencial es que, partiendo de un único motor, un vehículo pueda transmitir fuerza de giro (par de giro) a más de una rueda. Para ello se sitúa un diferencial entre las ruedas motrices que divide la tracción en dos ramas, cada una de las cuales va a una rueda (izquierda y derecha).

En los coches con tracción integral necesitamos al menos dos diferenciales, uno para cada eje, y si pretendemos que el coche funcione en modo 4×4 sobre asfalto (con buen agarre) hará falta un tercer diferencial que se situará en el centro (diferencial central) y repartirá el giro hacia los dos ejes motrices, permitiendo diferencias en el número de vueltas que se transmite a cada uno.

La razón de que el diferencial tenga que permitir un diferente número de vueltas entre sus dos salidas es que las ruedas no realizan exactamente el mismo recorrido ni recorren la misma distancia, si comparamos cualquier rueda izquierda con su par derecho o cualquier rueda delantera con otra trasera. En las curvas, las ruedas interiores hacen un recorrido más corto y, si no hubiese un diferencial, serían arrastradas por las ruedas exteriores que las obligarían a girar más rápido de lo necesario.

El mecanismo diferencial es, por tanto, imprescindible para rodar por carretera pero, como veremos a continuación, tiene serios inconvenientes cuando hablamos de coches todoterreno que circulan por zonas de adherencia muy variable y no simétrica.

Cómo funciona un diferencial abierto

Esencial: en un diferencial abierto el reparto del giro (el número de vueltas a cada rueda) es totalmente variable (incluso puede girar una sí y la otra no) mientras que el «reparto de par» es constante al 50%. El par máximo que puede transmitir un diferencial abierto es aquel que puede soportar la rueda con menor agarre.

En un diferencial abierto tenemos tres partes esenciales: la carcasa, los satélites y los planetarios. La carcasa es el contenedor cilíndrico que aloja el mecanismo diferencial, pero también es parte del propio mecanismo.

La fuerza del motor se transmite a la carcasa. Como los satélites están unidos a la carcasa por su eje central, tienen que girar con ella y, al hacerlo, transmiten el giro a los planetarios, que a su vez moverían los palieres y las ruedas.

La clave está en los satélites ya que, además de ser arrastrados por la carcasa, también pueden girar libremente sobre su eje central, transmitiendo más o menos vueltas a izquierda y derecha. El satélite actúa como una balanza: si en uno de los lados encuentra mayor resistencia a girar, rotará sobre sí mismo trasladando mayor velocidad de giro al satélite contrario. Esto es lo que sucede cuando damos una curva.

Precisamente ese mecanismo de giro libre del satélite, que le permitirá ceder ante la mayor resistencia, es lo que hace que no pueda transmitir más fuerza de giro a un planetario que al otro: siempre transmite el 50% del par a cada lado. Cualquier otra distribución es mecánicamente imposible.

Respecto a la cantidad de par que es capaz de transmitir, hay que tener en cuenta que para transmitir par a uno de los satélites tiene que hacer palanca contra el otro, por tanto, la fuerza máxima que puede transmitir es aquella que le devuelve la rueda con menor resistencia.

Importante: la cantidad de par que se transmite a cada rueda depende en parte del diferencial, pero también depende en parte del agarre que encuentre cada rueda en el suelo. Por eso no es correcto hablar de «reparto de par» cuando nos referimos al mecanismo diferencial, porque no es el diferencial el que «reparte el par», sino también el propio agarre que exista en el suelo. Es la suma de los dos factores lo que determina el par final a cada rueda.

Una consecuencia inmediata de esta limitación es que si una rueda motriz se queda en el aire (o sobre una superficie muy resbaladiza) y la otra no, el coche no avanzará porque el diferencial enviará un par de giro próximo a cero a ambas ruedas (el par de giro que puede soportar la rueda en el aire). Por eso es tan importante en coches todoterreno que los diferenciales tengan algún sistema mecánico o electrónico que resuelva el problema y permita que el coche siga avanzando con agarre asimétrico.

Cómo funciona un diferencial bloqueado

De hecho un diferencial bloqueado deja de ser un diferencial y pasa a funcionar como un eje solidario. A partir de aquí, las ruedas conectadas darán el mismo número de vueltas, pase lo que pase.

Esencial: en un diferencial bloqueado el reparto del giro (el número de vueltas a cada rueda) es constante (ambas ruedas dan el mismo número de vueltas) mientras que el «reparto de par» es totalmente variable, pudiendo llegar al 100% del par transmitido a una sola rueda. El par máximo que puede transmitir un diferencial cerrado es aquel que puede soportar la rueda con mayor agarre.

Un diferencial bloqueado (la ausencia de diferencial) es el sistema más eficaz para encontrar agarre en superficies deslizantes y terreno irregular porque, sin necesidad de ningún mecanismo electrónico hace un reparto infinitamente variable del par de giro a cada rueda, lo hace en tiempo real y además lo hace «sin hacer nada». ¿Cómo es esto posible?

Imaginemos un coche con su eje trasero bloqueado, funcionando como un eje solidario. El número de vueltas de ambas ruedas es el mismo y al llegar a una curva se arrastrarán mutuamente, pero siempre darán el mismo número de vueltas.

Si ahora enfrentamos ese eje a una situación en la que una rueda está apoyada en el suelo y la otra está en el aire ¿qué pasa con el par de giro? Por parte del diferencial no pasa nada, no hay ningún reparto de par, simplemente las ruedas girarán a la misma velocidad. Pero es evidente que el palier de la rueda que está tocando el suelo se va a retorcer con toda la fuerza del motor para seguir avanzando mientras que el otro, que sostiene una rueda en el aire, no sufrirá torsión alguna.

El «reparto de par» no lo hace el diferencial, sino el propio agarre que hay en el suelo. Este razonamiento aplica también a cualquier situación intermedia en la que una rueda tenga más agarre que la otra, ya que la última en patinar será la que más agarre tenga y las otras no la van a «adelantar» porque están obligadas a girar al ritmo de la más lenta. Así pues, cada rueda transmitirá al suelo todo el par que el suelo pueda soportar y cada palier sufrirá un «reparto de par variable» tanto mayor cuanta más resistencia al giro presente su rueda correspondiente en un momento dado.

Control de tracción electrónico

Una vez hemos visto los dos casos extremos de comportamiento de un diferencial (totalmente abierto y totalmente bloqueado) veamos ahora la escala de grises que hay entre medias.

Por un lado, tenemos el control de tracción electrónico que, combinado con un diferencial abierto, actuará frenando la rueda que gire más rápido (a partir de una diferencia de giro incompatible con una curva). Al frenar esa rueda que se ha lanzado a girar porque no tiene agarre, el satélite de ese diferencial encontrará una resistencia artificial en la rueda frenada, que le dará un punto de apoyo para reenviar par de giro a la rueda que sí agarra, permitiendo el avance.

El control de tracción tiene importantes ventajas y limitaciones frente a un diferencial bloqueado, aunque esté imitando su funcionamiento en cierto modo.

Como ventajas, es un sistema mucho más barato, mucho más ligero, mucho más fácil de implementar y que además puede estar conectado todo el tiempo.

Como inconvenientes, el hecho de frenar una rueda genera calentamiento y desgaste en los frenos. Además es un sistema reactivo, que sólo actúa después de que la pérdida de adherencia ya se ha producido. Al estar conectado a un diferencial abierto sólo será capaz de transmitir a la rueda con agarre, como mucho, el 50% del par disponible ya que el otro 50% se estará aplicando a la rueda frenada. Por último, no se puede frenar una rueda durante más que unos instantes, ya que es de suponer que volverá a encontrar agarre en algún momento y entonces necesitaremos que vuelva a girar, pero para comprobarlo hay que soltarla, ver si patina, volver a frenar… y al final trabaja a golpes de prueba y error.

Otros tipos de diferenciales

Existen otros tipos de diferenciales que no son totalmente abiertos ni totalmente bloqueados. Serían los diferenciales de deslizamiento limitado o LSD por sus siglas en inglés y los de control electrónico de acoplamiento.

El más utilizado hoy en día es el embrague multidisco que, como su propio nombre indica, utiliza un embrague de varios discos para acoplar y desacoplar la transmisión de forma gradual, permitiendo un cierto «reparto de par». Este tipo de embrague suele utilizarse como diferencial central en vehículos que se pretende que puedan funcionar con tracción delantera la mayor parte del tiempo y que puedan conectar el tren trasero cuando sea necesario y de forma suave.

Este es un excelente mecanismo para vehículos de asfalto que pretendan circular sobre barro o nieve y además permite un control electrónico para decidir cuándo y cómo actúa, pero no es un mecanismo adecuado para la práctica del 4×4 más exigente porque el bloqueo que proporciona nunca es total y tiende a calentarse ante situaciones adversas que se prolonguen mínimamente en el tiempo.

Otro tipo de diferencial bastante común es el denominado Torsen (Torque-Sensitive). En este caso se trata de un sistema puramente mecánico que permite diferencia de giro entre ambas salidas, pero es capaz al mismo tiempo de transmitir mayor par a la rueda que más agarre tiene.

El Torsen es un diferencial muy utilizado en vehículos muy potentes de tracción delantera, en los que resulta difícil pasar todo el par al suelo, pero también en vehículos 4×4. Su gran virtud es la ausencia de electrónica y la robustez, pero su principal carencia es que sólo pueden pasar a la rueda de mayor agarre un múltiplo del par que puede soportar la rueda de menor agarre. Esto significa que, si una rueda se queda en el aire y tiene agarre cero, la otra rueda no recibe ningún par de giro. Necesitan, por tanto, algún tipo de control de tracción para resolver situaciones extremas.

Resumen y conclusiones

A modo de resumen, creo que es buena idea recoger los distintos tipos de diferenciales en una tabla final en la que podéis consultar las características esenciales de cada uno.

Por su parte, el control de tracción electrónico no es un tipo de diferencial, sino una ayuda electrónica útil para aquellos diferenciales en los que se puede producir una fuga de par por la salida de menor resistencia, es decir, todos menos el bloqueo total.

Es importante destacar que en un coche con triple bloqueo de diferenciales como el Mercedes Clase G o el Jeep Wrangler Rubicon, el reparto de par ya es perfecto hasta el punto de que no tiene sentido añadir ninguna ayuda electrónica. No es posible mejorar la asignación de par a cada rueda que hace por sí mismo este sistema. Cuando conectamos el triple bloqueo en cualquiera de esos dos coches, se desconectan automáticamente todas las ayudas electrónicas a la tracción, porque se quedan sin nada que hacer.