IL DIFFERENZIALE


Avete mai notato con che facilità un go-kart perde aderenza all'asse posteriore? Certo, ha la trazione posteriore e non ha sospensioni, ma il motivo principale di questa perdita di aderenza è la mancanza di un differenziale. In un automobile, la funzione del differenziale è quella di permettere alle ruote di girare a velocità diverse. Durante una curva, infatti, la ruota esterna si trova in una circonferenza a più ampio raggio, percorre cioè più strada e di conseguenza deve girare più velocemente di quella interna. Nel caso del go-kart, le due ruote motrici sono collegate rigidamente, per cui durante una curva ruotano entrambe alla stessa velocità, una delle due allora è obbligata a strisciare sull'asfalto, cioè a perdere aderenza. Naturalmente, entrambe le ruote sono collegate ad un solo albero di trasmissione, per cui una ruota non può rallentare più di quanto l'altra accelera.
Il differenziale è composto da 3 elementi:
  1. Corona
  2. Pignone (o satelliti)
  3. Planetari
Il moto è trasmesso alla corona attraverso l'albero di trasmissione, la quale è collegata ai satelliti che trasmettono il moto alle ruote attraverso i planetari.

Differenziale open


Quando la vettura procede in moto rettilineo, le due ruote non hanno differenza di velocità, quindi i satelliti e i planetari trasmettono coppia senza ruotare tra di loro. Quando la vettura invece percorre una curva, satelliti e planetari ruotano con velocità pari alla differenza di velocità tra le due ruote.
Questo appena descritto è il funzionamento del differenziale classico, quello comunemente montato in quasi tutte le automobili. Questo presenta però un grosso svantaggio, si immagini infatti di lasciare una delle due ruote libera di ruotare (può accadere se si solleva una delle due ruote, oppure se questa perde aderenza). In questo caso, il planetario collegato alla ruota sollevata è libero di ruotare, mentre l'altro oppone resistenza. Il risultato è che tutta la coppia del motore va a finire alla ruota con meno aderenza! Per questo motivo, un differenziale di questo tipo è ottimo per delle utilitarie, o comunque per tutte quelle vetture di bassa-media potenza utilizzate nelle strade comuni, ma non può funzionare in vetture da fuoristrada o sportive di grande potenza. In questi casi, allora, si utilizzano altri sistemi.

Differenziale a slittamento limitato


Chiamato LSD (Limited Slip Differential), si tratta di un differenziale uguale a quello appena descritto, ma con in aggiunta un sistema di frenatura a frizione o viscoso. I due planetari, anzichè essere liberi, sono collegati tra loro da una frizione o da un sistema viscoso. Quando i due planetari ruotano alla stessa velocità, dischi condotti e conduttori della frizione, o del giunto viscoso, ruotano alla stessa velocità, per cui non accade nulla di particolare. Quando invece ruotano a velocità diverse tra loro, anche questi dischi ruotano a velocità diverse tra loro, e avviene quindi la frenatura per attrito (nel caso della frizione) o per un aumento della densità del fluido (nel caso del giunto viscoso). La frenatura così ottenuta non è mai totale, però questo sistema garantisce che una parte di coppia del motore finirà sempre sulla ruota con più aderenza, generalmente tra il 20 e il 40%. In vetture più evolute (ad esempio la Mitsubishi Lancer EVO) i dischi frizione del differenziale sono collegati ad un attuatore elettrico, comandato dalla centralina oppure manualmente dal computer di bordo, ed è possibile scegliere la percentuale di bloccaggio più adatta oppure lasciare che il computer la calcoli in automatico in base alle condizioni.

differenziale LSD



Differenziale Torsen


Il Torsen (da Torque Sensitive) è un differenziale molto più raffinato rispetto al LSD, ma è più complesso, più grande e pesante. Per questi motivi, spesso un differenziale LSD può essere montato in una vettura al posto del differenziale originale, ma un torsen non sempre.
Il suo funzionamento si basa sul principio della "vite senza fine". Si pensi a come funziona questa, se io ruoto la vite, ruota facilmente la corona ad essa collegata, ma se ruoto la corona la vite non ruota, o se lo fa avviene con grossa difficoltà.

Vite senza fine


Il torsen funziona sullo stesso principio. I planetari sono due ingranaggi con una dentatura inclinata (come un filetto molto inclinato), i satelliti sono realizzati allo stesso modo, ma al contrario del differenziale normale, ho un satellite per planetario (mentre in quello normale il satellite era collegato ad entrambi i planetari) e i due satelliti dei due planetari sono collegati tra loro da un comune ingranaggio. Nel moto rettilineo, il planetario destro tenderebbe a far ruotare il satellite destro in un senso di rotazione (per via dell'angolo del filetto), e il planetario sinistro tenderebbe a far ruotare il satellite sinistro nello stesso senso di rotazione. Visto che i due planetari sono collegati tra loro tramite un ingranaggio, non possono ruotare nello stesso senso di rotazione, ma solo in verso opposto, quindi in questa configurazione risultano bloccati e la vettura procede dritta. Quando affronto una curva, i due planetari ruotano entrambi in un senso di rotazione (perchè la vettura sta procedendo), ma a velocità diverse, quindi la velocità relativa tra loro due è opposta, ovvero è come se ruotassero uno in senso inverso rispetto all'altro. Se i due planetari ruotano in senso inverso, anche i satelliti ruotano in senso inverso, e questa rotazione è permessa dall'ingranaggio che unisce i due satelliti. Quindi, le ruote possono ruotare a velocità diverse.

Differenziale TorSen


Cosa succede se ora una delle due ruote perde aderenza? In questo caso, sto avanzando ad una certa velocità, una delle due ruote perde aderenza, di conseguenza tende ad aumentare la sua velocità, l'altra però non ha perso aderenza, quindi la sua velocità rimane circa costante. In questo caso, allora, il differenziale risulta come bloccato e se una ruota perde aderenza, la coppia va sulla ruota che in quel momento ha più aderenza, a tutto vantaggio della trazione.
Il valore del bloccaggio è definito dal TBR (Torque Bias Ratio), che nei Torsen tipicamente va da 2 a 6. Il significato è semplice, TBR 2 significa che, fatta 3 la coppia totale, in caso di slittamento 2 va alla ruota con più aderenza e 1 a quella con meno aderenza. Parlando in termini di percentuale di bloccaggio, un differenziale con TBR 2 avrà quindi una percentuale di bloccaggio del 33%, uno con TBR 6 del 71%.



Fin'ora, abbiamo parlato dei differenziali applicati su di un asse, ma anche nelle vetture a quattro ruote motrici permanenti viene utilizzato un differenziale centrale, tra i due assi. In questo caso, però, si tratta sempre di differenziali autobloccanti, oppure bloccabili manualmente al 100% (ovvero, si blocca l'asse come se fosse un unico albero rigido). Questo perchè se anche il differenziale centrale è del tipo open, ovvero quello classico senza blocco, è sufficiente che slitti solo una delle quattro ruote per bloccare il veicolo. Può quindi venire utilizzato un normale differenziale autobloccante oppure torsen come quelli gia visti, oppure si usano dei differenziali appositamente studiati per essere utilizzati come differenziale centrale, che ora vedremo.

Differenziale Ferguson


Chiamato anche "a giunto viscoso", si tratta del più semplice tra i differenziali centrali. Non è altro che un giunto contenente dischi forati immersi in un fluido non Newtoniano definito "dilatante", ovvero un fluido che accresce la sua viscosità all'aumentare della velocità di sollecitazione. Si può facilmente creare in casa un fluido di questo tipo (per motivi didattici), unendo amido di mais (o fecola di patate) con acqua. Si ottiene una pasta quasi liquida a riposo, ma che diventa solida se viene sollecitata. Dunque, un fluido di questo tipo viene inserito all'interno della scatola differenziale, dove ci sono dei dischi "a ventola" collegati ad un albero, e dei dischi forati collegati all'altro. Quando c'è differenza di velocità tra i due alberi, i dischi a ventola spingono il fluido attraverso i fori degli altri dischi, più la velocità con cui il fluido si muove è elevata e più la sua viscosità aumenta, bloccando insieme i due alberi.
Un giunto di questo tipo dunque permette l'unione di due alberi lasciando una certa differenza di velocità tra i due, ma li blocca se questa differenza di velocità raggiunge un certo valore. Dunque, una macchina realizzata con un sistema di questo tipo, sarà a due ruote motrici nella maggior parte delle condizioni comuni, e diventa automaticamente a quattro ruote motrici quando si ha uno slittamento di uno dei due assi.

Ferguson



Differenziale epicicloidale


Per spiegare il funzionamento dei differenziali epicicloidali, vediamo prima cos'è un rotismo epicicloidale. Si tratta di un sistema di ingranaggi formato da un pignone centrale, chiamato solare, attorno al quale ruotano degli ingranaggi chiamati satelliti, tenuti insieme da un porta-satelliti, e infine da una corona esterna collegata ai satelliti. Se immaginiamo di tenere fermo il solare, posso collegare due alberi uno al porta-satelliti, l'altro alla corona, e questi due alberi ruoteranno a velocità diverse. Oppure, posso tenere ferma la corona, e collegare un albero al porta-satelliti e un altro al solare, anche in questo caso avrò i due alberi che ruotano a due velocità diverse. Infine, se blocco il porta-satelliti, posso collegare un albero al solare e uno alla corona, nuovamente questi due alberi ruoteranno a due velocità diverse.

Epicicloidale


Si notano quindi due cose: se ho un albero in ingresso e uno in uscita, uno dei tre elementi dell'ingranaggio epicicloidale deve essere bloccato, altrimenti non viene trasmesso il moto. Questo principio è utilizzato nei cambi automatici a convertitore di coppia, ogni marcia è composta da un rotismo epicicloidale con la potenza in ingresso dal solare, in uscita dal porta-satelliti. Finché la corona ruota libera, quella marcia è in folle. Quando la corona viene frenata (con un sistema assimilabile a un disco freno) allora il sistema inizia a trasmettere potenza e viene innestato quel rapporto. Per cambiare marcia, non si fa altro che sbloccare quella corona e bloccare quella corrispondente al rapporto successivo.
L'altra caratteristica che salta all'occhio è che le velocità di rotazione dei due alberi sono diverse. Questo è molto ben sfruttabile per avere percentuali di coppia diverse tra asse anteriore e posteriore. Infatti, la potenza trasmessa dal motore è una costante, mentre la coppia dipende dal regime di rotazione. Un rotismo epicicloidale, avendo tre componenti, permette di avere tre alberi ai quali è possibile trasmettere-ricevere una potenza.
Provo quindi a spiegare il funzionamento del rotismo epicicloidale a partire dall'immagine di questo montato sulla Lancia Delta 4WD.

Differenziale Lancia Delta 4WD


In rosso, la corona del rotismo epicicloidale. La potenza del motore viene trasmessa a questa. Poi si vede in blu il portasatelliti, in giallo il solare. E' possibile notare che il portasatelliti è collegato ad un albero, quello che poi manderà la coppia al retrotreno, mentre il solare è collegato alla corona del differenziale anteriore, tutto in giallo. Solare e porta-satelliti poi sono collegati ad un giunto Ferguson, non evidenziato nel disegno ma visibile sulla destra, questo serve per bloccare il differenziale centrale se si presenta uno slittamento eccessivo di uno dei due assi.
Ora che abbiamo individuato i componenti, cerchiamo di capirne il funzionamento. Se non avviene slittamento, corona, porta-satelliti e solare non hanno movimento relativo tra loro, viene tutto trascinato alla stessa velocità. Le coppie trasmesse però sono diverse! Infatti, se immagino di bloccare il solare (ovvero se l'asse posteriore perde aderenza), la corona farà ruotare il porta-satelliti attorno al solare, ad una certa velocità. Se viceversa è l'asse anteriore a perdere aderenza, significa che sarà il porta-satelliti a bloccarsi e la corona farà ruotare il solare, ad una velocità però diversa da quella del porta-satelliti nel caso precedente! Questo perchè i due rapporti di trasmissione corona-portasatelliti e corona-solare sono diversi. L'ingranaggio che ruoterà alla velocità più bassa (naturalmente a parità di velocità della corona) sarà quello che riceverà la coppia più elevata, perchè la coppia è data dalla potenza (che è una costante) diviso il regime di rotazione dell'ingranaggio.
Quindi, in condizioni di non slittamento, ruoterà tutto alla stessa velocità, ma per via del rapporto di trasmissione "interno" diverso verrà distribuita una coppia diversa tra i due assi. Nel caso della Lancia Delta 4WD, come da disegno, è 56% all'anteriore e 44% al posteriore, poi portato a 47% anteriore e 53% posteriore nella versione Integrale del 1989. Questo permette di controllare ottimamente il comportamento della vettura, infatti per una trazione ottimale conviene dare più coppia all'asse più pesante, in modo da non avere perdite di aderenza improvvise e quindi una macchina il più neutra possibile.
Oppure, si può decidere in caso di perdita di aderenza quale dei due assi slitterà prima. Generalmente, su una macchina sportiva si preferisce avere prima una perdita di aderenza al retrotreno, in modo da chiudere le curve in maniera più efficace, e quindi si predilige più coppia all'asse posteriore.
Nel caso della Lancia Delta, era stata trovata una soluzione ottimale per sfruttare al massimo la trazione, con differenziale di tipo open all'anteriore, epicicloidale al centrale con blocco tramite giunto Ferguson e TorSen al posteriore.

Differenziale autobloccante elettronico


Lo tratto per ultimo perchè si tratta del sistema meno efficace, sebbene sia anche il più usato nelle comuni vetture. Meccanicamente, non ha nulla di diverso da un comune differenziale open, ma tramite la gestione elettronica si può frenare la ruota che sta slittando (tramite gli stessi freni usati, appunto, per frenare) migliorando la trazione. Questo sistema è abbinato all'ESP ed è montato ormai su tutte (o quasi) le utilitarie, ha il grosso vantaggio che non richiede investimenti in termini di soldi rispetto ad altri differenziali, in quanto è solo la gestione elettronica a cambiare. Un grosso difetto, però, è che se la macchina viene usata in maniera intensa, un sistema di questo tipo va a surriscaldare i freni e a consumarli precocemente. Generalmente comunque è montato su vetture non propriamente sportive, per cui assolve solo una funzione di sicurezza attiva in caso di perdite di aderenza accidentali.



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