Diferencial, Qué Es, Función, Fallas, Cómo Prevenirlas Y Predecirlas

El diferencial es una de esas piezas que si no comprendemos su funcionamiento no nos damos cuenta de lo importante que es para nuestros vehículos. El diferencial es el responsable directo de que nuestros vehículos puedan desplazarse de manera adecuada en espacios curvos, es decir cuando realizamos giros en segmentos con curvaturas.

Así mismo, el diferencial permite poder realizar el correcto desplazamiento hacia adelante en zona con elevaciones diferentes, ya que, su constitución y mecanismo establece la capacidad de giro según el entorno por donde se esté desplazando el vehículo. Ya sea tierra, asfalto o lodo, el diferencial permitirá el correcto desplazamiento por las diferentes superficies.

Entre otras cosas, el diferencial utiliza un sistema de engranajes que permite mediante éste, la distribución de la velocidad de la rueda, según sea la necesidad de ésta. En esta post hablaremos acerca de este elemento de ingeniería tan importante para el funcionamiento de nuestro auto.

¿Qué es el diferencial?

Un diferencial es el elemento mecánico que permite que las ruedas derecha e izquierda de un vehículo giren a velocidades diferentes, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro.

Cuando un vehículo toma una curva, por ejemplo, hacia la derecha, la rueda derecha recorre un camino más corto que la rueda izquierda, ya que esta última se encuentra en la parte exterior de la curva. Este fenómeno sucede por la convención matemática de los radios diferentes que recorren cada una de las ruedas.

Antiguamente, las ruedas de los vehículos estaban montadas de forma fija sobre el eje. Este hecho significaba que una de las dos ruedas no giraba bien, desestabilizando el vehículo. Mediante el diferencial se consigue que cada rueda pueda girar correctamente en una curva, sin perder por ello la fijación de ambas sobre el eje, de manera que la tracción del motor actúa con la misma fuerza sobre cada una de las dos ruedas.

Funcionamiento del diferencial

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Se conoce como diferencial al componente encargado, de trasladar la rotación, que viene del motor/transmisión, hacia las ruedas encargadas de la tracción Dependiendo de la ubicación del grupo motor-propulsor en el vehículo, los sistemas de transmisión del movimiento a las ruedas son diferentes. Encontrándonos con dos grupos:

1. Vehículos con motor y tracción delanteros, o con motor y propulsión traseros, en donde el secundario de la caja de velocidades termina en un piñón cónico, que da movimiento a una corona, que a su vez lo transmite directamente a las ruedas por medio de sendos ejes de transmisión, emplazados transversalmente en el vehículo.
2. En los vehículos con motor delantero y propulsión trasera, el movimiento se transmite desde la caja de velocidades al par cónico de reducción (emplazado en el puente trasero) por mediación de un eje hueco llamado árbol de transmisión, que está emplazado en sentido longitudinal al vehículo. Este sistema de transmisión está constituido por: una caja de velocidades, árbol de transmisión y puente trasero.

El movimiento procedente de la caja de velocidades es cambiado de sentido en 90° y es reducido al mismo tiempo en el par cónico emplazado en el puente trasero. En su extremo posterior, el árbol de transmisión termina en la junta cardan que transmite el movimiento al eje de entrada del puente trasero. De este último lo toman las ruedas por medio de palieres que pasan por el interior de los tubos.

Esta última disposición es la considerada como convencional y fue muy utilizada hasta hace unos años, en que fue sustituida casi por completo en los vehículos de turismo, por un sistema de tracción delantera. Está constituido por la corona, que se une a la caja del diferencial por mediación de tornillos como el, y en su interior se aloja el mecanismo diferencial, formado por los satélites y los planetarios.

Los satélites se montan sobre el eje que va alojado en la carcasa, de manera que puedan girar libremente en él; pero son volteados por la caja cuando gira la corona. Engranados con los satélites se montan los planetarios, cuyos ejes de giro se alojan en la corona y caja del diferencial respectivamente, pudiendo girar libremente en ellos con interposición de casquillos de fricción. A los ejes de los planetarios se unen a su vez los palieres, que transmitirán el movimiento a las ruedas.

El conjunto queda ensamblado como muestra el detalle de la figura, apoyado en la carcasa del puente trasero por interposición de cojinetes de rodillos troncocónicos, situados en ambos lados de la corona y caja de diferencial respectivamente.

Cuando un automóvil describe una línea recta, las ruedas de ambos lados dan todas el mismo número de vueltas: pero en una trayectoria curva, la rueda exterior siempre recorrerá más espacio que la interior, por lo que si ambas girasen a la misma velocidad, la interior estaría obligada a efectuar un deslizamiento sobre el suelo, que llevaría, con la actual adherencia de los neumáticos, a una sensible reacción del par y a un comportamiento extraño del vehículo en curva.

Para evitar este problema, los automóviles incorporan lo que auténticamente se llama “diferencial”, que no es más que una parte integrada en el puente trasero o en el “grupo” para ser más exacto. Vemos, pues, que nos encontramos ante un conjunto mecánico que agrupa una función reductora y una diferenciadora del giro de las ruedas.

En el diferencial hay dos ejes, cada uno a una rueda, que cuando el automóvil realiza una trayectoria recta, giran a la misma velocidad, por lo que los satélites no giran sobre sus ejes, sino que transmiten el movimiento con el giro del portasatélites y cuando, en virtud de la trayectoria descrita por el automóvil, un eje necesita girar mas rápido que otro, se compensa el giro haciendo girar los satélites y produciendo un “resbalamiento” en el porta-satélites.

Cuando un vehículo va alrededor de una curva, la trayectoria recorrida por los neumáticos exteriores y los interiores difiere. Eso es, la velocidad de los dos los neumáticos posteriores se diferencian. Por lo tanto, para que el neumático izquierdo y derecho no patinen, el engranaje diferencial es usado para ajustar la diferencia de velocidad de los neumáticos izquierdo y derecho, luego el neumático interior es retardado y el exterior es más rápido.

Si las ruedas de ambos lados giran a la misma velocidad, el vehículo no se desplazará alrededor de la curva. Si hay una diferencia de velocidad entre las dos ruedas, el vehículo puede desplazarse suavemente alrededor de la curva.

“Como evitar averías del diferencial”, cuadro de fallas.

Fallas más comunes

1. El rodamiento guía de la punta del piñón se desgasta prematuramente, a veces puede ser por la tensión a que es sometido en su trabajo. Se identifican una primera causa, la carga de los elementos rodantes en la pista de rodadura provoca un descascarillado profundo evidenciando una fatiga en los caminos de rodadura, la pista interior es la más lesionada, esto provoca una pérdida de la geometría del eje (grave).
2. Una segunda causa seria, desgaste por condiciones de servicio, (tracción tenaz en los cambios de fuerza), ósea, alto torque, baja velocidad, escasa ventilación, por lo tanto la temperatura del aceite puede subir a niveles de riesgo (superior a 100 º C), como antecedente le agregamos que en 3º velocidad un motor de 675 NM., de curva plana de torque, entre 1200 a 1600 rpm. Esta fuerza original del motor que salió del extremo trasero del cigüeñal, cuando está pasando por una 3º velocidad de la caja de cambios, puede llegar multiplicarse unas 16,5 veces en la punta del eje palier, por tanto, la tensión que genera al pasar por estos engranajes es enorme, este mecanismo debe su existencia al aceite que lo lubrica y lo enfría.

La limpieza de la carcasa que soporta los engranajes diferenciales, llegado el momento de disipar las altas temperaturas que se generan en una condición severa de operación (montaña o ciudad), es fundamental, ya que, si tiene lodos adheridos, estos se transforman en una verdadera chaqueta térmica impidiendo el paso del calor al medio ambiente más frio (la carcasa del diferencial hace de radiador para enfriar el aceite).

Si el rodamiento se deteriora mucho antes de lo esperado, hay que pensar que pudo haber actuado una carga excesiva provocando una tensión desmedida en el eje pasante. Caso contrario pudo darse un error en el montaje o de mantenimiento.

Si se comprueba daños por corrosión sería una falla de mantenimiento, una causa podría ser periodo cambio de aceite muy prolongado o fatiga prematura del lubricante por contaminación con agentes externos (agua, polvo, arena), este acumula una alta concentración de partículas duras y ásperas (fierro y cobre), esto hace que la marcha sea irregular y ruidosa, ya que las partículas duras actuando como esmeril provocan desgaste en otros rodamientos y engranajes asociados a la función.

3. Otra falla de mantenimiento ocurre cuando el sellado es defectuoso frente a la humedad y suciedad del medio ambiente (puede ingresar por el respiradero, por los retenes de los cubos traseros, por las fugas de aceite del diferencial, este puede perder por retenes o empaquetaduras) todas estas fallas en los procedimientos provocan una alta concentración de agua de condensación al interior de la caja.

No olvidemos que a la caja diferencial de modo natural le entra agua y sale como vapor por el respiradero, producto de las altas temperaturas alcanzadas en una condición severa de operación. Este fenómeno es tremendamente favorable, ya que evita averías mayores, si el agua no cambia de estado físico de líquido a gas, esta se acumularía en el fondo del cárter y tarde o temprano seria impulsada a los engranajes y rodamientos más remotos dentro de la caja de planetarios y satélites provocando daño severo a corto plazo.

La ventaja de usar el aceite adecuado recomendado por el fabricante (API GL 5 SAE 80 W 90 o SAE 90), este aceite contiene aditivos dispersantes que mantiene el agua separada en pequeñas gotitas, así no forma grandes concentraciones de líquido que pongan en peligro inmediato este complejo mecanismo.

El aceite se comporta como una membrana gigantesca, con la alta temperatura se dilata, aumentado su volumen, luego, cuando el aceite se enfría, por las noches, estando detenido el móvil, cuando el conductor está descansando, este se contrae, ocupa menos espacio dentro de la caja, luego este se va llenando con aire, el aire por supuesto no entra solo, va acompañado de humedad, polvo arena ambiental, partículas duras.

Estos fallos anunciados, ayudan a la perdida de la superficie dura del rodamiento, hace que este tenga una tolerancia que no debiera tener, de no ser corregidos con urgencia, provoca algo mucho más catastrófico, una desalineación y perdida de paralelismo de los ejes del piñón – corona, por su modo de trabajo se puede llegar a la rotura de dientes o bien en la fractura del ojo guía de la porta rodamiento guía del piñón.

También si el eje trasero en su labor no recibe el trato adecuado (sobrecargado por encima de su capacidad o caminos en mal estado), se puede deformar provocando una torcedura y una pérdida definitiva de la geometría.

Estos ejes estructurales poseen una cierta elasticidad y se pueden deformar cíclicamente miles y miles de veces con la carga o ante fuertes impactos, pero si son sometidos a sobre esfuerzos más allá de su resistencia mecánica, esto los puede llevar a un estado de fatiga total, quedando en estado inservible o costos muy elevados de recuperación por la tecnología que implica el centrado y recuperación de túneles donde se alojan los rodamientos (reparaciones que normalmente las fabricas no las recomiendan).

Ante la rotura de dientes arrancados de raíz, se debe evaluar las marcas de trabajo con respecto de su par, si estas huellas están más acentuadas en la orilla del diente podría haber una desalineación del piñón / corona, grietas o picaduras profundas si están a la vista, podría ser motivo para pensar que una alta presión de aceite de lubricación podría ser la causa de la rotura, ya que esta sobrepasa las 5 mil libras de presión aproximadamente en los momentos de tracción.

Si no se encuentran ninguna de estas evidencias podemos llegar a pensar que reiterados golpes a la tracción provocan torques desmedidos (20 o 30 veces la fuerza del motor) lo cual lo lleva a un estado de fatiga estructural rompiendo la dureza superficial y fracturando el material de resistencia (núcleo).

La estructura de un diente de engranaje es muy dura por el exterior para resistir el esfuerzo de la tracción y el roce que se produce en el deslizamiento al entrar y salir, la superficie exterior es pulida. Por el interior tiene que ser blando, elástico, para resistir con tenacidad los esfuerzos de la tracción o cuando la maquina está frenando a través del árbol motor, estos pueden ser aumentados incorporando mecanismos retardadores adicionales al frenado del motor.

Lubricación de los engranajes

Al someter a esfuerzos a un conjunto de engranajes, en presencia de un entorno corrosivo, el proceso de corrosión se acelera, en presencia de una falla superficial esta podría desarrollarse con mayor rapidez de lo que se esperaría. La grieta crecerá cuando la pieza sea sometida reiteradamente a esfuerzos cíclicos (rodeada de este entorno corrosivo).

La picadura y posterior descascarado de la superficie (falla superficial), puede iniciarse cerca de la zona o en la zona misma de “rodamiento puro del engranaje”, puede darse que el material dentro del área de contacto posea alguna imperfección alojada encima o por debajo de la superficie. Superficies duras y más lisas resisten mejor a la falla por picadura. El lubricante en este sentido resulta perjudicial, ya que una vez que se forma una grieta se llena de aceite, al acercarse el diente y apretar, la grieta se cierra a presión debajo, oprimiendo el fluido atrapado en la grieta.

La presión del fluido crea un esfuerzo o tensión en la punta de la grieta, generando un crecimiento rápido en los extremos. Un lubricante de viscosidad elevada encuentra dificultades, ya que, al fluir lentamente, se demora en llenar la grieta, esto retrasa la falla por picadura.

Un lubricante de baja viscosidad entra con facilidad en la grieta, elevando a niveles de riesgo la posibilidad cierta de una falla catastrófica a corto plazo. El desempeño del lubricante va a depender de la velocidad, de la carga, de la geometría del engranaje y de la viscosidad. Tres factores se vinculan para que este acometido sea exitoso. Todos deben lubricarse a fin de evitar fallas prematuras como el desgaste adhesivo o abrasivo.

(A) Es importante controlar la temperatura de la interfaz de acoplamiento para reducir ralladuras y raspaduras en los dientes.

(B) El lubricante también debe eliminar calor, además de separar las superficies de metal, reduciendo fricción y desgaste.

(C) Debe suministrar suficiente lubricante para transferir calor de fricción hacia el entorno y no permitir temperaturas excesivas en el acoplamiento. Lubricación limite, ocurre cuando el engranaje funciona a baja velocidad, operaciones frecuentes de partidas – paradas, cambios de dirección, se dan condiciones de película de aceite muy delgada, puede ocurrir contacto de metal con metal, si hay presencia de agua en el aceite este degrada el aceite empeorando la situación interior, provocando alto desgaste de metales. Bajo estas circunstancias la película de aceite puede variar entre 5 a 200 micrones.

Lubricación Hidrodinámica, producto de la velocidad los mecanismos se separan, el aceite fluye veloz, se enfría y la película aumenta, puede llegar a 200 micrones llegando a ser plena.

Lubricación Elasto-Hidrodinámica, funciona por contacto al paso, los elementos en contacto se deforman elásticamente para agrandar la superficie de contacto, donde la película de aceite generalmente es menor a un micrón. Las altas presiones de contacto pueden llegar hasta 500.000 psi. Convirtiendo al aceite en un sólido. Si existe humedad este factor de operación se complica disminuyendo la protección requerida.

Un ejemplo de contacto Elasto-Hidrodinámico, lo constituye la forma de trabajo de un neumático radial con respecto de la carga y como se deforma contra la loza. Para los engranajes en configuración Hipoidal no es tan claro si ocurre esta forma de contacto en los dientes, pero si se da en los elementos rodantes que sirven de guía a los ejes. La forma de lubricarse de estos engranajes seria Hidrodinámica.

En este proceso de roce se interpone una película límite de aceite, esta recibe toda la energía que se produce por contacto deslizante puro en la raíz y en la punta del diente, la alta presión en la línea de paso debido a contacto puro de rodamiento (contacto combinado de deslizamiento y rodamiento) la alta temperatura alcanzada en este proceso hace que el aceite llegue a niveles extremos de operación, luego debe ser evacuado con rapidez a un ambiente de cárter para transferir su energía calórica al medio ambiente, de paso evacuar vapores por el respiradero de la caja diferencial.

Así este proceso se repite ciento de miles de veces en un periodo de vida útil del aceite, hasta evidenciar signos de fatiga, si no detectamos a tiempo esta falla en progreso, este deterioro gradual de algunos componentes del aceite comienzan a debilitar la lubricación de los rodamiento del diferencial, el más leve desgaste de la pista de rodadura hace que el eje de ataque comience a perder su geometría, acentuándose cada vez en el resto de las piezas el desgaste prematuro de este costoso componente automotriz.

Factores que apuran el envejecimiento del aceite, ocurre de la siguiente manera:

• Fatiga del aceite por la alta temperatura de trabajo.
• Fatiga del aceite por aireación.
• Fatiga del aceite por ingreso de agua – polvo (sellos, respiradero).
• Fatiga del aceite por contacto con excesivas partículas de hierro.
• Fatiga por su naturaleza de trabajo mecánico, cambios bruscos de temperatura, batido constante, sometido a esfuerzo de corte.
• Finalmente, estos más otros factores que alteran la propiedad original del fluido, lo convierten en algo parecido a “Lodo”, cambian de color, adopta un olor característico que en nada se parece al producto cuando es nuevo. Este nuevo ambiente de lubricación, marcado por un deterioro progresivo del fluido, desgastan los rodamientos, se desalinean los engranajes, luego pueden llegar incluso a romperse.
  

Modo de mantenimiento Preventivo

1. Mantener limpia la carcasa, especial dedicación a la zona del piñón de ataque
2. Conducir de modo preventivo, pasar los cambios con suavidad, al reducir con la caja de cambios emparejar las rotaciones con el pedal acelerador de acuerdo a la marcha que se desea acoplar, soltar con mucha suavidad el pedal de embrague para que el acoplamiento se produzca con suavidad y sin tirones (sobre carga dañina para la transmisión), evitar estos bruscos cambios de inercia de la máquina, ya que al estar en movimiento posee una gran energía, varias veces su peso.
3. Al conducir con caja automática y retardador, evitar usar toda la capacidad de frenado, ya que este convierte la energía cinética en calor, su capacidad de frenado está poderosa que provoca sobrecarga en el eje trasero, podría llegar incluso a dañarlo (les recuerdo que un retardador al freno, puede llegar a duplicar la fuerza del motor).
4. Cambiar al aceite con la frecuencia establecida, de común acuerdo con el proveedor del lubricante y el respaldo de su laboratorio.
5. Usar al aceite adecuado según la especificación del fabricante del eje.
6. Las intervenciones de los cubos de rueda trasero, cuando estos se lubrican con aceite del diferencial, se deben efectuar siguiendo todos los pasos descritos por el manual del fabricante, especial cuidado en el trato de los rodamientos y grasas utilizadas (cuando el rodamiento después de una intervención, se lubrica inicialmente con grasa), lograr lo más que se pueda, un ambiente de atmósfera controlada, que garantice mínimas condiciones que permitan limitar la contaminación con polvo fino – arena – agua, de estos elementos rodantes.

Modo predictivo de mantenimiento

1. Muestrear con cierta regularidad el eje trasero, 3 o 4 veces al año como mínimo, observar el grado de limpieza del aceite usado (<600 ppm... fierro, cobre >250, silicio < 65).
2. Estar atento a los ruidos interiores característicos de estos ejes, comisionar a especialistas para pruebas de todo tipo (ciudad, autopista), aunque no exista un síntoma, es conveniente establecer un programa de pruebas cada 2 o 3 meses.
3. Controlar la temperatura interior del aceite, también la temperatura de la carcasa en la zona del piñón de ataque donde se alojan los rodamientos, con cierta regularidad y dejar anotado estos valores para su posterior comparación. Les recuerdo que estos complejos mecánicos están diseñados para operaciones prolongadas, si durante su existencia se cumplen rigurosamente estos programas de mantenimiento, tal vez una inspección de rodamientos sería aconsejable cuando los parámetros de desgaste observados en el tiempo así lo aconsejen.
4. Al conducir en zonas muy húmedas, proteger el respiradero, ojalá con un filtro repelente al agua, la manguera de respiración debe estar lo más alejada posible del conector que va en la caja diferencial, debe estar enrollada (cola de chancho), así le aumentamos las dificultades al ingreso de agua y polvo.
5. Cambiar el aceite a frecuencias más cortas durante el invierno, ya que este elemento de manera natural condensa agua en su interior.

Hemos detallado el funcionamiento del diferencial del auto, así como comentado sus fallas, los por qué de que éstas sucedan, los inconvenientes del aceite para el correcto funcionamiento de este elemento, así como la forma de prevenir las fallas. De aquí podemos extraer una información muy valiosa para poder tener un mejor entendimiento del mecanismo de nuestro vehículo.

Ya sea un aficionado, un aprendiz o un experto en el mundo automotor, el entendimiento de cómo funciona su vehículo y que problemas se pueden tener según la pieza de que estemos hablando nos resolverá muchos inconvenientes futuros, ya sea para ser más preventivos o para poder afrontar mejor a los mecánicos que a veces quieren engañarnos. Como por ahí dicen, por saberlo que desconocerlo.

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