Articoli tecnici Come funziona il differenziale

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Questo articolo cerca di spiegare semplicemente il differenziale e di offrire una panoramica (non completa ovviamente) su questo dispositivo dove, nella maggioranza dei casi, la potenza del motore fa la sua ultima tappa prima di far girare le ruote.

Il differenziale ha tre proprietà di base:

* Porta la potenza del motore alle ruote
* E' l'ultimo ingranaggio di riduzione del veicolo; cioè rallenta la velocità rotativa della trasmissione per un'ultima volta prima di applicarla alle ruote
* Permettere una trasmissione della potenza del motore alle ruote a velocità "differenti", e da questo prende il nome.

Qui parleremo del perchè la nostra auto abbia bisogno di un differenziale, come funziona e quali sono i suoi limiti. Vedremo in generale anche diversi tipi di differenziale chiamati anche differenziali a slittamento limitato, o Limited Slip Differential (LSD).

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un differenziale​



Perchè ce n'è bisogno?
Le ruote di una vettura girano a velocità differenti, specialmente in curva. Per ragioni dimostrabili con semplice geometria Euclidea (quella che abbiamo tutti studiato a scuola) la ruota interna alla curva percorre una distanza minore, quella esterna una distanza maggiore. Poichè la velocità è uguale alla distanza da percorrere diviso il tempo che ci si mette, la ruota che percorre meno distanza (quella interna alla curva) viaggia ad una velocità minore. Notate anche che le ruote anteriori percorrono una distanza diversa da quelle posteriori.


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Per le ruote non motrici (che non hanno trazione) il problema non sussiste. Non sono connesse tra loro e girano liberamente. Le ruote motrici invece, sono collegate insieme in modo che un singolo motore e trasmissione le faccia girare entrambe. Se non ci fosse il differenziale le ruote sarebbero bloccate insieme e sarebbero forzate a girare alla stessa velocità. Curvare in questo modo sarebbe duro e difficile, ed una ruota (o entrambe) finirebbe per slittare con grave danno per la durata dei pneumatici, per la tenuta di strada e le parti meccaniche (es. i semiassi) sottoposte ad uno stress elevato.


Cos'è?
Il differenziale è un dispositivo che riceve la coppia del motore da un albero e lo ripartisce su altri due, permettendo ad ognuno di essi di girare a velocità differente.

Il differenziale è presente su tutte le auto e i camion moderni, per non parlare dei veicoli a trazione integrale dove, oltre al differenziale tra i semiassi delle ruote di trazione, ne troviamo uno anche tra avantreno e retrotreno. Questo differenziale epicicloidale divide la coppia in modo diverso tra i due alberi in uscita e serve a far prevalere la coppia su uno dei due assi.


Girare a differenti velocità
Iniziamo con il differenziale più semplice, che viene chiamato differenziale aperto (open differential).

Ma prima di tutto definiamo i termini necessari a capire cosa fa cosa. Nell'immagine qui sotto vediamo lo schema stilizzato dove vengono indicati i componenti principali di un differenziale open.

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Schema di un differenziale open​


# Semiassi: gli alberi posti trasversalmente rispetto al senso di marcia, che che collegano le ruote al differenziale e quindi fanno parte della trasmissione. Nelle sospensioni a ruote indipendenti sono dotati alle estremità di giunti per permettere le oscillazioni delle ruote.
# Coppia conica: il paio (da cui "coppia") di ingranaggi che, grazie alla inclinazione dei denti, permette di ruotare di 90° il movimento rotatorio.Se l'albero di trasmissione non è centrato rispetto al differenziale (cioè è più basso o più alto) si parla di coppia conica ipoide e nel funzionamento c’è un leggero scorrimento longitudinale tra i denti. Quanto ai denti degli ingranaggi di pignone e corona, se essi sono inclinati rispetto all’asse di rotazione ( ciò che è inevitabile nella coppia ipoide) si parla di coppia conica elicoidale, che assicura silenziosità di funzionamento.
# Corona: grande ruota dentata montata tra i semiassi che si accoppia al pignone e riceve da esso il movimento del motore
# Gabbia: Scatola che si trova al centro della corona e include i pignoni in uscita e altri ingranaggi come planetari e satelliti (che nomi spaziali!).


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Un differenziale esposto. Si notano la corona, la gabbia e la coppia conica​



Quando l'auto va dritta, le ruote motrici girano alla stessa velocità. Il pignone in entrata fa girare la corona e la gabbia, e nessun pignone dentro la gabbia sta girando; in pratica gli ingranaggi da entrambe le parti sono in effetti solidali con la gabbia.


Quando però la vettura affronta una curva, le ruote devono girare a velocità differenti. Nell'animazione qui sopra potete vedere che i pignoni nella gabbia iniziano a girare quando la vettura inizia ad affrontare la curva, permettendo ai semiassi e quindi alle ruote di girare a velocità differenti. La ruota interna alla curva gira più lenta della gabbia, la ruota esterna più veloce.

Notate anche che il pignone è più piccolo della corona, è questa l'ultima riduzione nella vettura.

NOTA: Potreste avere sentito termini come rapporto al ponte, rapporto finale o coppia di riduzione finale (rear axle ratio o final drive ratio). Si riferiscono al rapporto del numero di denti della corona del differenziale rispetto al numero di denti del pignone. Ad esempio 64/13 significa che la corona ha 64 denti e il pignone ne ha 13 e quindi essa gira più lentamente di circa 5 volte (64:13 = 4,9 e infatti il rapporto si trova scritto anche 4,9/1 o semplicemente 4,9 oppure l’inverso 1/4,9=0,204), ma trasmette una coppia circa 5 volte maggiore. Valori abituali di rapporto al ponte sono attorno a 3 - 5 (56/18 - 67/15).


Sul ghiaccio!
Un differenziale aperto applica sempre la stessa quantità di coppia ad ogni ruota. Ci sono due fattori che determinano quanta coppia viene applicata alle ruote: potenza del motore e trazione. In condizioni di asciutto, dove c'è molta trazione, la quantità di coppia applicata alle ruote è limitata dal motore e dal cambio, mentre in una situazione di bassa trazione, come guida sul ghiaccio, la quantità di coppia è limitata alla quantità massima che non causi alla ruota di slittare in quelle condizioni. Quindi anche se l'auto potrebbe produrre più coppia, ci vuole abbastanza trazione per trasmettere quella coppia al terrreno. Se dai più gas dopo che la ruota ha iniziato a slittare, la ruota slitterà solo più velocemente.

Se avete guidato su fondo ghiacciato o innevato sapete forse che esiste un trucco per accelerare più facilmente: partire in seconda, o addirittura in terza, invece che in prima. Il cambio così trasmette meno coppia alle ruote, e questo vi fa partire senza slittare.

Ma che succede se una delle ruote ha buona trazione e l'altra è sul ghiaccio? Qui iniziano i problemi con i differenziali open.

Abbiamo appena detto che un differenziale open manda la stessa coppia ad entrambe le ruote, e che il massimo di quella coppia è limitata alla quantità massima che non faccia slittare la ruota. Non ci vuole molta coppia per far slittare un pneumatico sul ghiaccio. La ruota con buona trazione riceve una piccola quantità di coppia che però è nello stesso tempo il massimo per la ruota con poca trazione, capite bene che la penalità è grave.

La soluzione
La soluzione a questo problema è il differenziale autobloccante. Abbiamo appena visto che una delle caratteristiche del normale differenziale è che quando una ruota motrice pattina neppure l’altra, pur avendo una sufficiente aderenza, può trasmettere potenza. Il bloccaggio permette alla ruota che scivola di stare ferma, mentre la ruota che ha aderenza gira a velocità doppia o comunque superiore di quella della gabbia. Autobloccante significa quindi che il dispositivo, in determinate condizioni, interrompe automaticamente il movimento di una o più parti che invece, di solito, “lavorano” trasmettendosi il moto a velocità diverse

Il bloccaggio di un differenziale viene espresso in percentuale. "Autobloccante al 25%" per esempio significa che, se una ruota slitta per troppa coppia motrice, l’altra 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. Sulle vetture ordinarie si va dal 25% al 40%. Per fare un altro esempio: autobloccante al 40% significa 30% sulla ruota a minore aderenza e 70% su quella a maggiore aderenza. Aumentando il bloccaggio diminuiscono le occasioni di rimanere fermi per una ruota che pattina, ma la vettura perde di agilità (tende ad andare diritta) e si può perdere aderenza per troppa potenza, allora entrambe le ruote slittano e questo causa violenti sovrasterzi nella trazione posteriore, che noi chiamiamo "traversi".

I differenziali autobloccanti sfruttano la differenza di coppia (torque sensing) o di velocità (speed sensing) tra le ruote dell’asse per compattare una serie di lamelle su dischi che lavorano a frizione. Questo è ilcaso del tradizionale autobloccante ZF a lamelle. In questi ultimi anni però gli si sono affiancati altri dispositivi che sfruttano altri modi di bloccaggio: meccanico (vedi differenziale Torsen) oppure con ingranaggi immersi in un olio a densità controllata (giunto viscoso) o addirittura con una gestione elettronica che fa intervenire i freni e poi agisce sull'alimentazione del motore per impedire lo slittamento.

Gli autobloccanti vengono anche indicati come Limited Slip Differential (LSD) - Differenziale a Slittamento Limitato, a volte chiamato anche positraction. Gli LSD, qualunque meccanismo adottino, permettono un azione normale del differenziale in curva, ma quando una ruota inizia a slittare, trasferiscono più coppia alla ruota che non slitta.

Vediamo adesso alcune tipologie di LSD: a dischi (clutch-type), a giunto viscoso (viscous coupling), autobloccanti (locking) e Torsen.


Clutch-Type Limited Slip
Il differenziale autobloccante a dischi o lamelle (tipo "frizione" o clutch-type) è probabilmente la versione più comune.


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Un differenziale clutch-type Eaton montato su Jeep Cherokee​



Questo tipo di LSD ha gli stessi componenti di un differenziale open, ma aggiunge un set di molle e delle frizioni, Alcuni usano una frizione a cono che è proprio simile al sincronizzatore del cambio manuale.

Il set di molle spinge gli ingranaggi contro le frizioni che sono attaccate alla gabbia. Gli ingranaggi di enrambi i lati girano con la gabbia quando entranbe le ruote si muovono alla stessa velocità, a questo punto le frizioni non servono, entrano in gioco quando succede qualcosa che fa girare una ruote più veloce dell'altra, per esempio in curva. Le frizioni si oppongono a questo comportamento, vogliono far girare le ruote alla stessa velocità. Se una ruota vuole girare più veloce dell'altra deve prima "vincere" sulla frizione. La rigidezza delle molle combinata con il disco di frizione determinano quanta coppia ci vuole perchè questo accada.

Torniamo alla situazione di una ruota motrice sul ghiaccio e l'altra con buona trazione: con questo LSD, anche se la ruota sul ghiaccio non può trasmettere molta coppia al terreno, l'altra ruota riceve comunque la coppia necessaria a muoversi. La coppia ricevuta dalla ruota che non è sul ghiaccio è uguale alla quantità di coppia che è necessaria per vincere sulle frizioni. Il risultato è che vai avanti, anche se non viene sfruttata la piena potenza della vettura.


Differenziale a giunto viscoso
Il differenziale a giunto viscoso (viscous coupling), che si trova spesso in veicoli a quattro ruote motrici, permette di collegare due alberi ma li lascia liberi di avere piccoli slittamenti relativi cosicchè possano ruotare a velocità leggermente differenti. Il giunto viscoso, detto anche Ferguson, è costituito da una scatola piena di uno speciale liquido siliconico che diventa gelatinoso e sempre più denso all'aumentare della sua temperatura.

Questa viscosità limita, fino a impedire del tutto, lo slittamento reciproco fra un gioco di piatti metallici molto vicini e collegati alternativamente all’albero d’entrata e a quello d’uscita. Quando termina lo slittamento la temperatura del liquido diminuisce, così come la sua densità, ed esso consente nuovamente movimenti relativi fra gli alberi. Il giunto viscoso è spesso utilizzato per il bloccaggio automatico del differenziale o anche al posto del differenziale centrale in alcune vetture a trazione integrale ad inserimento automatico.

Il principio base del differenziale a giunto viscoso lo si può verificare facendo ruotare un uovo, non sodo, sulla tavola della cucina. Alla partenza il guscio gira più veloce dell'albume al suo interno, poi l'albume recupera velocemente. Ora fermate l'uovo con un dito e lasciatelo andare...l'uovo ricomincerà a girare. All'inizio la frizione tra guscio e bianco mette in moto il bianco accelerandolo. Quando fermiamo il guscio, quella frizione tra il bianco ancora in movimento e il guscio, riaccelera il guscio. Nel differenziale viscoso la forza viene applicata tra il fluido e un gioco di piatti nello stesso modo come tra guscio e albume dell'uovo.


Bloccante e Torsen®
Il differenziale bloccante è usato su veicoli fuoristrada seri. Condivide le parti di un differenziale open, ma aggiunge parti elettriche, pneumatiche o idrauliche per rendere solidali i pignoni in uscita.

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Un differenziale bloccante Eaton​



Il meccanismo è di solito attivato manualmente con un interruttore, e quando è attivato entrambe le ruote girano alla stessa velocità. Se una ruota finisce in aria, l'altra non lo sa ne se ne importa, ed entrambe continuano a girare alla stessa velocità come se niente fosse.

Il differenziale Torsen® (da Torque Sensing), creato dall’americana Gleason, invece è puramente meccanico, niente elettronica, frizione o liquidi viscosi.


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Un differenziale Torsen. Sembra complicato visto così...ma lo è!​



Viene anche chiamato “a distribuzione di coppia” perchè, utilizzando ingranaggi elicoidali per planetari e satelliti, rende possibile ai due alberi in uscita di variare la loro velocità relativa purché uno l’aumenti nella stessa misura in cui l’altro la diminuisce. Il Torsen® funziona come un differenziale aperto quando la quantità di coppia che va ad ogni ruota è uguale. Appena una ruota inizia a perdere trazione però, la differenza di coppia fa in modo che gli ingranaggi nel differenziale Torsen® diventino solidali. Il progetto degli ingranaggi nel differenziale determina il bias ratio di coppia. Per esempio, se un Torsen è progettato con un bias ratio di 5:1, è capace di applicare 5 volte più coppia alla ruota che ha buona trazione. Da questo punto di vista il Torsen è superiore al viscous coupling perchè trasferisce la coppia alla ruota stabile prima ancora che lo slittamento vero e proprio abbia luogo. Ovviamente, se un set di ruote perde completamente trazione il differenziale Torsen® no può fornire alcuna coppia all'altro set di ruote. Il bias ratio determina quanta coppia trasferire, e cinque volte zero è, beh, zero.
 
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