Diferencial (dispositivo mecánico)

Al tomar una curva, las ruedas exteriores de un vehículo deben recorrer una mayor distancia que las interiores (ya que se encuentran en un radio mayor). Esto se compensa fácilmente cuando las ruedas no están conectadas , pero se complica para las ruedas motrices , puesto que ambas están conectadas al motor (generalmente mediante una transmisión). Algunos vehículos (por ejemplo , karts y tranvías ) utilizan ejes sin diferencial, por lo que dependen del deslizamiento de las ruedas al tomar curvas. Sin embargo, para mejorar la capacidad de tomar curvas, muchos vehículos utilizan un diferencial, que permite que las dos ruedas giren a velocidades diferentes.

La función de un diferencial es transferir la potencia del motor a las ruedas, permitiendo a su vez que estas giren a diferentes velocidades cuando sea necesario. A continuación se muestra una ilustración del principio de funcionamiento de un diferencial de piñón y corona.

En los vehículos de tracción trasera se utiliza un diseño de diferencial relativamente sencillo , en el que una corona dentada es accionada por un piñón conectado a la transmisión. Las funciones de este diseño son cambiar el eje de rotación en 90 grados (desde el árbol de transmisión hasta los semiejes) y proporcionar una reducción en la relación de transmisión .

Los componentes del diferencial de piñón y corona que se muestran en el diagrama esquemático de la derecha son: 1. Ejes de salida ( ejes ) 2. Engranaje motriz 3. Engranajes de salida 4. Engranajes planetarios 5. Portador 6. Engranaje de entrada 7. Eje de entrada ( eje de transmisión )

En un vehículo con tracción integral , un diferencial epicicloidal utiliza engranajes epicicloidales para distribuir el par motor de forma proporcional entre el eje delantero y el trasero . Una ventaja de este diseño es su anchura relativamente compacta (vista a lo largo del eje de entrada).

Un diferencial de engranajes rectos tiene engranajes rectos de igual tamaño en cada extremo, cada uno conectado a un eje de salida. ^{[ 8 ]} El par de entrada (es decir, del motor o la transmisión) se aplica al diferencial a través del portador giratorio. ^{[ 8 ]} Los pares de piñones se encuentran dentro del portador y giran libremente sobre pasadores soportados por este. Los pares de piñones solo engranan en la parte de su longitud entre los dos engranajes rectos y giran en direcciones opuestas. La longitud restante de un piñón dado engrana con el engranaje recto más cercano en su eje. Cada piñón conecta el engranaje recto asociado con el otro engranaje recto (a través del otro piñón). A medida que el portador gira (por el par de entrada), la relación entre las velocidades de los ejes de entrada (es decir, el portador) y de salida es la misma que en otros tipos de diferenciales abiertos.

Entre los usos de los diferenciales de engranajes rectos se incluye el automóvil estadounidense de tracción delantera Oldsmobile Toronado . ^{[ 8 ]}

Los diferenciales autoblocantes tienen la capacidad de superar la principal limitación de un diferencial abierto estándar al "bloquear" ambas ruedas de un eje como si estuvieran en un mismo eje. Esto obliga a ambas ruedas a girar al unísono, independientemente de la tracción (o la falta de ella) disponible para cada una individualmente. Cuando esta función no es necesaria, el diferencial se puede "desbloquear" para que funcione como un diferencial abierto convencional.

Los diferenciales autoblocantes se utilizan principalmente en vehículos todoterreno para superar superficies con poca adherencia o con agarre variable.

Un efecto secundario indeseable de un diferencial regular ("abierto") es que puede enviar la mayor parte de la potencia a la rueda con menor tracción (agarre). ^{[ 9 ] [ 10 ]} En situaciones en las que una rueda tiene agarre reducido (por ejemplo, debido a las fuerzas de giro o a una superficie de baja adherencia bajo una rueda), un diferencial abierto puede provocar que la rueda con menos agarre patine, mientras que la rueda con mayor agarre recibe muy poca potencia para impulsar el vehículo hacia adelante. ^{[ 11 ]}

Para evitar esta situación, se utilizan diversos diseños de diferenciales de deslizamiento limitado para limitar la diferencia de potencia que se envía a cada una de las ruedas.

La vectorización de par es una tecnología empleada en los diferenciales de los automóviles que permite variar el par en cada semieje mediante un sistema electrónico; o en los vehículos ferroviarios, donde se logra el mismo efecto utilizando ruedas con motorización individual. En el caso de los automóviles, se utiliza para mejorar la estabilidad o la capacidad de tomar curvas.

Los carros chinos que apuntaban al sur podrían haber sido una de las primeras aplicaciones de los diferenciales. El carro tenía una aguja que apuntaba constantemente al sur, independientemente de cómo girara durante el trayecto. Por lo tanto, podía usarse como una especie de brújula . Se cree que un mecanismo diferencial respondía a cualquier diferencia entre las velocidades de rotación de las dos ruedas del carro y giraba la aguja en consecuencia. Sin embargo, el mecanismo no era lo suficientemente preciso y, tras recorrer unos kilómetros, la aguja podía apuntar en la dirección equivocada.

El primer uso verificado de un diferencial se encuentra en un reloj fabricado por Joseph Williamson en 1720. Este reloj empleaba un diferencial para sumar la ecuación del tiempo a la hora media local , determinada por el mecanismo del reloj, para producir la hora solar , que habría coincidido con la lectura de un reloj de sol . Durante el siglo XVIII, se consideraba que los relojes de sol mostraban la hora "correcta", por lo que un reloj común debía reajustarse con frecuencia, incluso si funcionaba perfectamente, debido a las variaciones estacionales en la ecuación del tiempo. El reloj de Williamson y otros relojes de ecuación mostraban la hora solar sin necesidad de reajustarse. Hoy en día, consideramos que los relojes son "correctos" y los relojes de sol generalmente incorrectos, por lo que muchos relojes de sol incluyen instrucciones sobre cómo usar sus lecturas para obtener la hora del reloj.

Los analizadores diferenciales , un tipo de computadora analógica mecánica, se utilizaron aproximadamente entre 1900 y 1950. Estos dispositivos utilizaban trenes de engranajes diferenciales para realizar sumas y restas.

Los rovers Spirit y Opportunity de Marte (ambos lanzados en 2004) utilizaron engranajes diferenciales en sus suspensiones de balancín para mantener el equilibrio del cuerpo del rover mientras las ruedas izquierda y derecha se movían hacia arriba y hacia abajo sobre terreno irregular. ^{[ 13 ]} Los rovers Curiosity y Perseverance utilizaron una barra diferencial en lugar de engranajes para realizar la misma función. ^{[ 14 ]}