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Il differenziale
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JUNE 1st, 2018
Durante la percorrenza di una curva, la ruota esterna percorre più metri rispetto a quella interna. Le velocità di rotazione delle due ruote saranno necessariamente diverse. La funzione del differenziale è quella di permettere questa differenza di rotazione tra due ruote dello stesso asse.
Se una vettura fosse sprovvista di differenziale (si immagini per esempio un go-kart), le due ruote dello stesso asse sarebbero costrette a ruotare alla stessa velocità. Come risultato, una delle due ruote dovrà perdere aderenza, scivolando sull'asfalto.
Principio di funzionamento top
Il differenziale è composto da 3 elementi:
- Corona
- Pignone o Satelliti
- Planetari
Il moto è trasmesso alla corona attraverso l'albero di trasmissione, la quale è collegata al pignone (o satelliti) che trasmettono il moto alle ruote attraverso i planetari.
Sollevando l'asse motrice di un auto, e facendo ruotare a mano (a motore spento) una delle due ruote, la ruota opposta girerà nell'altra direzione. Facciamo un esempio: se facciamo ruotare a 5 km/h una ruota, la ruota opposta ruoterà alla stessa velocità, ma nel verso opposto. Ora, si immagini che questo accada mentre la vettura sta avanzando a, supponiamo, 50 km/h. Una delle due ruote accelera, e si porta quindi a 55 km/h, mentre l'altra rallenta in egual misura, ruotando complessivamente a 45 km/h. Questa differenza di velocità permette la curva. Naturalmente le velocità relative dipendono dal raggio di curvatura e dalla velocità di avanzamento dell'auto.
Si immagini ora la vettura ferma, con una ruota appoggiata a terra e l'altra sollevata. In questo caso la ruota sollevata è libera di ruotare, per cui tutta la coppia proveniente dall'albero di trasmissione si scarica su quell'asse, bloccando la vettura. Questa condizione si può riscontrare anche in marcia. In caso di perdita di aderenza, questa tipologia di differenziale trasmette sempre più coppia verso l'asse con meno aderenza, ovvero l'asse che oppone meno resistenza.
Per via del suo basso costo, questo differenziale è largamente utilizzato su vetture di fascia medio/bassa, mentre vetture sportive (che quindi devono avere sempre la massima trazione in accelerazione) o fuoristrada utilizzano generalmente differenziali di tipo diverso.
Differenziale per l'asse motrice top
Vengono ora descritte le tipologie di differenziale solitamente utilizzate nell'asse motrice, per controllare le velocità delle ruote interna ed esterna.
A slittamento limitato top
Il differenziale a slittamento limitato, o LSD (Limited Slip Differential), si distingue dal differenziale "classico" per la presenza di una frizione o un giunto viscoso tra i due planetari. Se la differenza di velocità tra i due planetari (e quindi tra le due ruote) è bassa, il giunto viscoso o la frizione oppongono poca resistenza, permettendo la rotazione. Più la differenza di velocità è elevata, e più resistenza oppongono, frenando il moto tra i due planetari. Questo garantisce che nel caso in cui una ruota si sollevi (o perda aderenza), la resistenza che oppone non è mai nulla, ma è sempre almeno pari all'attrito della frizione o del giunto viscoso. Parte della coppia viene quindi sempre trasmessa anche alla ruota con più aderenza.
Il livello di bloccaggio di questo differenziale è generalmente tra il 20 e il 40%. In vetture evolute, i dischi della frizione possono essere controllati da una centralina, che permette quindi di scegliere il livello di bloccaggio più adatto in base alle condizioni.
Torsen top
Il Torsen (Torque Sensitive) è meccanicamente più complicato, più grande e pesante rispetto ai differenziali tradizionali. Anzichè sfruttare l'attrito per attuare il bloccaggio, utilizza il principio della vite ad evolvente (o vite senza fine).
Se viene fatto ruotare l'albero ("wormshaft"), la corona ("worm wheel") ruota facilmente. Al contrario, se ruoto la corona, l'albero risulterà bloccato. Nel caso del differenziale torsen, l'albero è l'ingranaggio calettato al semiasse, mentre la corona è l'ingranaggio satellite. Si consideri ora lo spaccato del differenziale torsen (immagine sopra).
La coppia proveniente dal motore viene applicata alla corona, non visibile nell'immagine, che fa ruotare tutta la scatola contenente gli ingranaggi. Alla scatola sono collegati i satelliti, accoppiati al semiasse attraverso un ingranaggio elicoidale. Infine, il satellite accoppiato al semiasse destro e quello accoppiato al semiasse sinistro sono collegati tra loro attraverso un normale ingranaggio a denti dritti. Si noti che i due semiassi hanno l'elicoide nella stessa direzione, non speculare.
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| Vite senza fine | Differenziale Torsen |
Si immagini ora di "spezzare" a metà il differenziale (separando la parte destra da quella sinistra) e di applicare una coppia motrice. Il satellite destro inizierà a ruotare attorno all'asse del semiasse. Immaginiamo questo moto dal punto di vista del satellite. Si vedrà il semiasse (ovvero l'albero, nella vite ad evolvente) ruotare, che quindi indurrà in rotazione il satellite che ruoterà attorno al suo asse. Lo stesso vale anche per il satellite sinistro. Satellite destro e sinistro ruoteranno nella stessa direzione, essendo l'elicoide del semiasse non speculare.
Questo moto (se uniamo le due metà del differenziale) non è permesso, essendo i due satelliti collegati tra loro da un ingranaggio. Non possono quindi ruotare, l'intero sistema risulta bloccato e viene trasmessa coppia alle ruote. In caso si affronti una curva, la ruota esterna accelera mentre quella interna frena. Il differenziale vedrà una ruota girare in senso orario e l'altra in senso antiorario. Si ripete il caso precedente, con la differenza che ora i due satelliti ruoteranno uno in verso opposto all'altro. Questo moto è permesso dall'ingranaggio che collega i due satelliti, quindi la curva può avvenire senza problemi.
Se in accelerazione una ruota perdesse aderenza, inizierebbe a ruotare più velocemente trascinando il suo ingranaggio satellite. Il satellite trascinerebbe quello dell'altro semiasse. Sappiamo però che in una vite ad evolvente, facendo ruotare la corona, non si riuscirebbe a far ruotare l'albero. Per cui, il satellite dell'altro semiasse risulterà bloccato. Nell'istante in cui una ruota perde aderenza, il differenziale si blocca trasmettendo tutta la coppia verso la ruota che in quel momento ha più aderenza. Rispetto al differenziale LSD a frizione o a giunto viscoso, che permette un certo slittamento, il torsen non lo permette bloccandosi istantaneamente. Si tratta questo di un grosso punto a favore della trazione.
Autobloccante elettronico top
Dal punto di vista meccanico, si tratta di un normalissimo differenziale di tipo open. Una eventuale perdita di aderenza di una ruota viene rilevata dalla centralina, che provvede a frenarla. Il grosso vantaggio di questo sistema è il costo, in quanto meccanicamente non cambia nulla rispetto ad una vettura non dotata di differenziale autobloccante.
Di contro, in caso di utilizzo gravoso, i componenti del sistema frenante si surriscaldano e usurano precocemente. Per questo motivo si tratta di un sistema utilizzato prevalentemente su utilitarie, in cui assolve solo un ruolo di sicurezza attiva.
Blocco manuale top
Utilizzato quasi esclusivamente su auto 4x4 destinate ad un utilizzo impegnativo in fuoristrada. La struttura meccanica è quella appena descritta, con l'aggiunta di un blocco manuale che ha lo scopo di bloccare rigidamente l'asse, escludendo così la funzione di differenziale. Si utilizza in tutti quei casi in cui l'auto non riesce a procedere per via dello slittamento di una ruota, il differenziale viene bloccato e la marcia può continuare. Da non utilizzare mai su asfalto, per evitare un consumo precoce degli organi di trasmissione.
Differenziale centrale top
In caso di vetture con trazione permanente 4x4, la coppia del motore viene applicata ad un differenziale che la ripartisce sull'asse anteriore e su quello posteriore, per permettere differenze di velocità tra i due assi. Il differenziale utilizzato sarà sempre del tipo autobloccante o bloccabile manualmente. Se venisse utilizzato un differenziale open (classico), lo slittamento di una sola ruota sarebbe sufficiente a bloccare l'intero veicolo. Al centrale può essere utilizzato quindi uno dei differenziali descritti precedentemente, oppure differenziali appositamente studiati per questo utilizzo. Generalmente, non c'è un differenziale nelle vetture con 4x4 inseribile, ma i due assi saranno bloccati.
Ferguson top
Con l'utilizzo di questo sistema, la coppia del motore non viene applicata al differenziale centrale e poi divisa tra i due assi, ma viene applicata ad un asse, che viene poi collegato al secondo tramite l'interposizione di questo differenziale, o "giunto viscoso". Per questo motivo, si tratta di un differenziale ampiamente utilizzato in auto originariamente a 2 ruote motrici, poi trasformate in 4x4.
All'interno di questo differenziale c'è una serie di dischi. Alcuni di essi sono forati e sono calettati all'albero, supponiamo, di uscita, mentre gli altri sono conformati a pala, e sono collegati all'albero di ingresso. Il tutto viene riempito da un fluido non newtoniano, ovvero un fluido in grado di cambiare la sua viscosità al variare della velocità di sollecitazione. In questo caso, si tratta di un fluido dilatante, che aumenta cioè la sua viscosità all'aumentare della velocità di sollecitazione.
Quando asse anteriore e posteriore ruotano alla stessa velocità, i dischi all'interno del differenziale ruotano anch'essi alla stessa velocità, non c'è spostamento del fluido e i due alberi sono disaccoppiati. Nel momento in cui esiste una differenza di velocità tra i due assi, i dischi conformati a pala spingono il fluido attraverso i fori, causando un aumento della sua viscosità e quindi un aumento della resistenza. Parte della coppia inizia ad essere trasferita al secondo asse.
Epicicloidale top
Per "rotismo epicicloidale" si intende un sistema di ingranaggi composto da un ingranaggio centrale (pignone o "solare"), degli ingranaggi più esterni (satelliti) tenuti insieme da un porta-satelliti, e una corona esterna.
In caso di collegamento tra due alberi, il rotismo epicicloidale può essere utilizzato in varie configurazioni:
- Blocco il solare, applico una coppia in ingresso alla corona e ottengo una coppia in uscita sul porta-satelliti, o viceversa;
- Blocco il portasatelliti, applico una coppia in ingresso al solare e ottengo una coppia in uscita alla corona, o viceversa;
- Blocco la corona, applico una coppia in ingresso al solare e ottengo una coppia in uscita sul porta-satelliti, o viceversa.
Se nessuno dei 3 componenti viene bloccato, il sistema è libero e non può trasmettere coppia. Nel caso dell'utilizzo come differenziale centrale, ho una trasmissione di coppia su ognuno dei 3 componenti: tipicamente, la coppia proveniente dal motore viene applicata alla corona (in rosso nell'immagine), l'asse posteriore viene collegato al portasatelliti (in blu) e l'asse anteriore al solare (in giallo). Se ho l'auto sollevata, blocco l'asse anteriore e applico coppia alla corona (in parole povere, accelero), ruoterà solo l'asse posteriore, si ripresenta il caso 1 visto sopra.
Se invece blocco l'asse posteriore, ruoterà solo quello anteriore (caso 2, sopra). Il rotismo epicicloidale si comporta come se fosse un differenziale open, e in caso di perdita di aderenza di un asse tutta la vettura si bloccherebbe. Per questo motivo, tra solare e portasatelliti viene generalmente posto un giunto viscoso ferguson, per bloccare gli assi in caso di perdita di aderenza.
Con l'epicicloidale è possibile ottenere rapporti di trasmissione diversi tra corona-portasatelliti e tra corona-solare. Quindi se sollevassi l'auto, come visto prima, e bloccassi prima un asse e poi l'altro, i due assi ruoteranno rispettivamente a velocità diverse.
Durante la marcia, entrambi gli assi sono liberi, finché non c'è perdita di aderenza ruoteranno alla stessa velocità. La coppia che viene applicata agli assi sarà però diversa, e dipenderà dal rapporto di trasmissione. Grazie al rotismo epicicloidale è quindi possibile ottenere una vettura a 4 ruote motrici con una distribuzione di coppia diversa tra asse anteriore e posteriore, che può essere scelta sulla base della distribuzione dei pesi del veicolo e del tipo di comportamento stradale desiderato.
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