Il differenziale è uno degli organi della trasmissione essenziali al corretto funzionamento dell’autovettura. Non solo assolve al compito di ripartire tra le due ruote motrici di uno stesso assale la potenza in uscita dal motore ma permette anche ai due alberi condotti di girare liberamente a velocità diverse.
Questo avviene perché quando la vettura affronta una curva, in assenza di slittamenti macroscopici, la ruota esterna è costretta a percorrere nello stesso intervallo di tempo una traiettoria maggiore rispetto a quella percorsa dalla ruota interna. Molto spesso però accade che una delle due ruote possa perdere aderenza per svariati motivi. In questi casi il differenziale “open” non può che ripartire equamente la coppia motrice tra le due ruote e quindi, per garantire l’equilibrio alla rotazione della ruota che ha perso aderenza, trasmetterà due coppie quasi nulle.
Questo accade perché la massima forza longitudinale che complessivamente può essere trasmessa a terra è limitata a circa il doppio della massima forza che può trasmettere la ruota con minore aderenza. Quindi, la ruota che ha mantenuto aderenza con il terreno, ricevendo dal differenziale una coppia motrice molto bassa, rallenta, mentre la ruota che ha perso aderenza aumenta la propria velocità di rotazione. Per ovviare a questa perdita di motricità, senza incappare negli aspetti negativi generati dall’utilizzo di un differenziale “locked”, con sempre maggiore frequenza si adotta un differenziale autobloccante che, volendo semplificare molto, altro non è che un differenziale “open” con un rendimento interno estremamente basso cioè un differenziale mal progettato o che funziona male.
Ma vediamo meglio nello specifico di cosa si tratta e quali e quanti tipi di autobloccanti esistono. Come dicevamo il differenziale autobloccante può essere visto come un differenziale con un rendimento interno molto ridotto, condizione che è possibile ottenere aumentando l’entità della coppia di attrito interna al differenziale così da incrementare la differenza tra le due coppie trasmesse agli alberi di uscita. Grazie a questa scelta, in caso di slittamento, la ruota con aderenza maggiore riceverà dal differenziale una coppia motrice maggiore rispetto alla ruota che sta girando più velocemente così da poterla sfruttare per una maggiore trazione a terra.
Il differenziale autobloccante a lamelle (o frizioni) è quello più adatto all’utilizzo racing in quanto è estremamente versatile come taratura in tiro e rilascio; inoltre è compatto e consente trasferimenti di coppia molto elevati, oltre ad essere estremamente reattivo e rapido nella sua azione. Ma come funziona?
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Funzionamento del Differenziale Autobloccante a Lamelle
Il differenziale autobloccante a lamelle ha un bel principio di funzionamento: genera un effetto bloccante, prodotto dall’attrito tra le lamelle presenti nel corpo differenziale ed è basato sulla differenza di rotazione tra le due ruote dello stesso asse (speed sensing). Una parte di queste lamelle è solidale con il corpo del differenziale stesso, mentre le altre sono solidali con i planetari e, di conseguenza, con i semiassi.
L’effetto bloccante inoltre è proporzionale alle condizioni di carico: queste ultime aumentano col crescere della differenza di coppia motrice tra le due ruote. La capacità di bloccaggio di un differenziale a lamelle viene espressa in percentuale: al 20% significa che, se una ruota slitta, l’altra riesce comunque a trasmettere a terra una coppia pari a quella inviata alla stessa ruota in spinning più il 20% della coppia in entrata al differenziale.
Differenziale lamellare - E’ un altro tipo di differenziale autobloccante, sensibile alla velocità di rotazione, che utilizza un concetto simile a quello adottato dal LSD nel quale però la coppia di attrito interna viene incrementata grazie all’utilizzo di frizioni posizionate tra la scatola del differenziale e gli alberi di uscita su cui sono montati i planetari. Le frizioni a lamelle sono realizzate alternando tra loro dischi frizione torsionalmente solidali ai due alberi di uscita e dischi frizione torsionalmente solidali alla scatola del differenziale.
Grazie a delle scanalature, ricavate sui due alberi di uscita e sul carter, tutti i dischi frizione posso scorrere lungo l’asse di rotazione del differenziale. Ogni paio diametralmente opposto di satelliti è montato su un perno trasversale che consente il nascere di forze trasversali, parallele all’asse geometrico di rotazione dei semisassi, e aventi direzioni idonee a provocare pressioni sui dischi frizione. I planetari sono montati anch’esse sugli alberi di uscita con profili scanalati e vengono spinti verso l’esterno dalla componente assiale/trasversale della forza di contatto ai denti che essi scambiano con i satelliti, andando così a chiudere i due pacchi frizioni.
In questo modo nasce una coppia di attrito interna , proporzionale al modulo della coppia in ingresso al differenziale. Infatti tale coppia di attrito è proporzionale alle forze che i satelliti esercitano, attraverso il contatto con i denti, sui due planetari calettati sugli alberi di uscita. In sostanza il meccanismo diviene autobloccante solo se il nucleo centrale si espande assialmente premendo sulle lamelle e ciò si verifica quando sulle ruote velocità e coppia differiscono di una certa entità.
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Un primo esempio è quello in cui all’interno del differenziale i due planetari, invece di essere liberi, sono collegati tra loro tramite un pacco dischi frizione. Finché i due planetari ruotano alla stessa velocità il meccanismo non entra in funzione e si comporta come un classico differenziale “open”. Non appena si riscontra una differenza di velocità tra i due planetari anche i dischi del pacco frizione iniziano a ruotare generando la fase di frenatura.
Lo stesso risultato è ottenibile se il pacco frizione viene chiuso tramite l’azionamento di un motorino elettrico comandato elettronicamente.
LSD o Limited Slip Differential - E’ uno dei tipi di differenziali autobloccanti sensibili alla velocità di rotazione. In questo caso, per ottenere una maggiore coppia di attrito interna, adotta un sistema di frenatura a pacco frizioni. Queste frizioni possono essere chiuse/azionate tramite svariati metodi: motorino elettrico, spinte interne assiali, fluido siliconico ecc ecc.
Viene utilizzato quando le condizioni dimpiego della vettura (per esempio in fuoristrada) o lelevata potenza a disposizione rischierebbero di far slittare la meno aderente delle ruote motrici. Il bloccaggio è necessario poiché una delle caratteristiche del normale differenziale* è che quando una ruota motrice pattina neppure laltra, pur avendo una sufficiente aderenza, può trasmettere potenza.
In questa situazione una ruota, quella con aderenza, sta ferma mentre laltra ruota, scivolando, gira a velocità doppia di quella della gabbia. «Autobloccante al 25%» significa ad esempio che, se una ruota slitta per eccesso di coppia* motrice, laltra riesce comunque a trasmettere a terra una coppia pari a quella (debole) della ruota che slitta più il 25% della coppia in entrata al differenziale, sempre che vi sia abbastanza attrito fra terreno e battistrada.
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Salendo col bloccaggio calano le occasioni di rimanere fermi con una ruota in pattinamento ma la vettura perde di agilità (tende ad andare diritta) e si va verso la possibilità di perdita di aderenza per eccesso di potenza (pattinamento non più di una ruota ma di entrambe le ruote).
I differenziali autobloccanti sfruttano la differenza di coppia (torque sensing) o di velocità (speed sensing) tra le ruote dellasse per compattare una serie di lamelle che lavorano a frizione.
A = (C1 - C2) / (C1 + C2)
Per vetture normali si va da 25% a 40% cioè A = da 0,25 a 0,40C1 = coppia sulla ruota di maggiore aderenzaC2 = coppia sulla ruota di minore aderenzaAd es. autobloccante al 40% significa 30% sulla ruota a minore aderenza e 70% su quella a maggiore aderenza.
Oltre ai tradizionali ZF a lamelle, in questi ultimi anni si sono diffusi altri dispositivi di bloccaggio, fra i quali il Torsen* e i differenziali con giunto viscoso*. Vedi anche differenziale e autobloccante.
Differenziale Torsen
E un differenziale* definito a distribuzione di coppia di tipo meccanico prodotto dallamericana Gleason. Utilizzando ingranaggi elicoidali per planetari e satelliti, fa in modo che le i due alberi in uscita possano variare la loro velocità relativa purché uno laumenti nella stessa misura in cui laltro la diminuisce, esattamente come succede per i semiassi quando si percorre una curva (ciò che avviene anche con un differenziale normale). Invece, se una delle due ruote tende ad accelerare, come quando sta per pattinare, e laltra non tende a ridurre la propria velocità, il sistema risulta quasi bloccato e di conseguenza la coppia* sindirizza verso la ruota che fa presa.
Giunto Viscoso
Consente di collegare due alberi pur lasciandoli liberi di avere piccoli slittamenti relativi, in modo che possano ruotare a velocità leggermente differenti. Il giunto viscoso, detto anche Ferguson, è costituito da una scatola riempita con uno speciale liquido siliconico che ha la proprietà di diventare gelatinoso e sempre più denso man mano che la sua temperatura aumenta. Questa caratteristica viene utilizzata per limitare, fino a impedire del tutto, lo slittamento reciproco fra due serie di dischi metallici che si fronteggiano a brevissima distanza e che sono collegati alternativamente allalbero dentrata e a quello duscita.
Quando lo slittamento termina, la temperatura del liquido interno al giunto diminuisce e, quindi, la densità del liquido si riduce consentendo nuovamente movimenti relativi fra gli alberi. Il giunto viscoso è utilizzato come sistema automatico di bloccaggio del differenziale* o anche in sostituzione del differenziale centrale in alcune vetture con trazione integrale* ad inserimento automatico (VW Syncro, Porsche, Ford, Lamborghini, Subaru).
Le vetture dotate di trazione integrale con giunto viscoso di collegamento tra gli assi devono avere un sistema che lo scollega in caso di frenata, dove lindipendenza di rotazione delle ruote è essenziale per un corretto funzionamento dellimpianto sia esso con o senza ABS.
Come si comporta su strada?
Il differenziale autobloccante a lamelle impiegato su auto “stradali” ha solitamente una percentuale di bloccaggio meno spinta variabile tra il 20 e il 40% circa. Con percentuali più elevate (si dice che è più “carico”), le trazioni anteriori diventano “nervose” e particolarmente sensibili ai cambi di direzione, su avvallamenti e fondi dissestati, con repentini scarti difficili da correggere e talvolta anche pericolosi.
Percentuali di bloccaggio elevate, poi, generano un forte attrito e un notevole incremento del consumo di carburante, oltreché una perdita in termini di velocità massima. Se in passato il differenziale a lamelle sulle vetture stradali richiedeva una costante manutenzione tanto da essere soppiantato da altre soluzioni, oggi le cose sono cambiate grazie anche ai nuovi materiali impiegati: non a caso Abarth ha scelto il differenziale a lamelle/frizioni di Bacci sulle versioni più spinte delle 500 Abarth.
Sempre più spesso si assiste, specie sulle ultime sportive, all’adozione di trazioni integrali attive, o meglio trazioni a controllo elettrico in grado di variare continuamente la coppia tra l’assale anteriore e quello posteriore, realizzando delle percentuali di ripartizione un po’ particolari. Questi sistemi si avvalgono di solito di giunti Ferguson, differenziali lamellari e differenziali Torsen che garantiscono di solito una trazione integrale permanente ma con ripartizioni iniziali del tipo 40:60, 32:68 o 15:85 e che posso arrivare fino a ripartizioni del tipo 70:30, 20:80 durante il funzionamento quotidiano. Ciò che è certo è che la ripartizione varia continuamente e che non vi è mai un momento in cui la coppia viene inviata al 100% su un singolo asse e non vi è nemmeno un classico blocco del differenziale con una ripartizione 50:50. Ma come viene realizzata questa particolare ripartizione e perché viene utilizzata?
Per ottenere però una di quelle particolari ripartizioni il differenziale autobloccante - meccanico, lamellare o a giunto viscoso - viene impostato di default su quella particolare ripartizione, tipicamente sportiva, tale per cui anche in condizioni normali questo sia sempre inserito, garantendo comunque una seppur minima trazione integrale. Naturalmente in caso di bisogno, vedi slittamenti vari, questa ripartizione può continuamente variare senza però arrivare mai al totale bloccaggio verso uno dei due assi ma generando comunque delle ripartizioni un po’ inusuali.
In primis si fa in modo che anche in condizioni normali di non slittamento i due alberi di trasmissione possano girare a velocità differenti così da far entrare in gioco il meccanismo del differenziale autobloccante e generare sempre un seppur minimo bloccaggio così da avere una trazione integrale sempre inserita. Prendendo, infatti, in esame sia i giunti viscosi Ferguson che i differenziali lamellari si constata come i dischi forati, nel caso del giunto Ferguson, o i dischi dei pacchi frizione, nel caso dei lamellari, collegati sia all’albero di trasmissione anteriore che a quello posteriore e ruotanti, come dicevamo prima, a velocità diverse, vengono costruiti appositamente con dimensioni diverse o meglio raggi diversi.
Nello specifico quindi i dischi collegati all’albero di trasmissione anteriore avranno un raggio che è in esatto rapporto con il raggio dei dischi collegati all’albero di trasmissione posteriore e questo rapporto è esattamente uno di quei particolari rapporti iniziali che si voleva ottenere (40:60, 32:68 o 15:85). Una volta ottenuta la trazione integrale sempre inserita e la diversa ripartizione anche in assenza di slittamenti, si passa all’ottenimento della diversa ripartizione in caso di slittamenti.
Più i dischi vengono schiacciati dalla forza assiale (quindi serrati tra di loro) e maggiore sarà la coppia che potrà essere trasferita verso l’altro asse, in questo caso quello anteriore. La ripartizione rimarrà comunque continuamente variabile e non arriverà mai al 100% verso l’anteriore perché in fase progettuale si è deciso di non generare una forza assiale sufficiente per generare un vero e proprio bloccaggio ma di trasferire sempre una certa quantità di coppia anche la posteriore.
Come funziona il Differenziale Autobloccante? - Drive Experience.it (SUBS)
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