Differenziali autobloccanti: facciamo chiarezza – Ne esistono di svariati tipi e modelli, ma non sono tutti uguali fra loro e, nello specifico, il loro principio di funzionamento si differenzia moltissimo passando da un modello all’altro.

Il differenziale è uno degli organi della trasmissione essenziali al corretto funzionamento dell’autovettura. Infatti, 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.

Questo tipo di differenziale, che viene detto “open” o “libero”, equipaggia la maggior parte delle auto in circolazione indipendentemente che queste siano a trazione anteriore o posteriore. Con questa soluzione è possibile, in ogni condizione, ripartire equamente la coppia motrice tra i due alberi di uscita e garantire una diversa velocità in curva tra ruota interna ed esterna. Se da un lato questa capacità di trasferire un’eguale coppia motrice tra i due alberi è apprezzata perché non genera significativi momenti di imbardata o effetti sul comportamento direzionale della vettura stessa ne in accelerazione ne in rilascio, dall’altro lato penalizza fortemente la capacità di trazione del veicolo specie se si cercano le prestazioni adottando una guida più sportiva. Molto spesso, infatti, accade che una delle due ruote possa perdere aderenza. Le cause di questo fenomeno possono essere molte. In tutti 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. Se questa condizione dovesse persistere, la differenza tra le velocità di rotazione delle due ruote continua ad aumentare, fino ad arrivare in breve tempo all’arresto completo della ruota con buona aderenza.

Adottando, al contrario, un differenziale “locked” o “chiuso”, cioè completamente bloccato, si riuscirebbe a mantenere la medesima velocità su entrambi gli alberi di uscita e di conseguenza su entrambe le ruote permettendo, inoltre, una ripartizione della coppia motrice completamente variabile. Tale risultato se da un lato incrementa di molto la capacità di trazione del veicolo stesso, dall’altro penalizza fortemente il comportamento degli pneumatici in curva, che non riescono più a girare a velocità diverse, e peggiora la capacità direzionale del veicolo donandogli un comportamento sottosterzante. La soluzione di compromesso tra i due tipi di differenziali appena visti è di sicuro un differenziale autobloccante. Ne esistono di diversi tipi, che andremo ad analizzare fra poco, ma tutti nascono con lo scopo di inglobare gli aspetti positivi sia del differenziale “open” che di quello “locked” così da permettere una ripartizione asimmetrica della coppia motrice nei casi in cui i pneumatici si trovino in condizioni di aderenza diverse, senza d’altra parte costringere i due alberi di uscita ad assumere la stessa velocità di rotazione. In pratica un differenziale autobloccante non è altro che un differenziale “open” con un rendimento interno estremamente basso cioè un differenziale mal progettato o che funziona male. Per ottenere questo basso rendimento non serve fare altro che aumentare 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 questo sistema la ruota con aderenza maggiore riceve dal differenziale una coppia motrice maggiore rispetto alla ruota che sta girando più velocemente così da poterla sfruttare per una maggiore trazione a terra.

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 frizione o viscoso. 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. Proprio a causa del suo principio di funzionamento tale differenziale autobloccante non potrà mai trasferire del tutto la coppia erogata dal motore ma garantisce che una parte di essa finisca sempre sulla ruota con più aderenza.

Ferguson o a giunto viscoso

E’ un altro tipo di differenziale autobloccante, sensibile alla velocità di rotazione, che utilizza un concetto simile a quello adottato dal LSD. Solo che questa volta, al posto del pacco frizioni, troviamo un giunto viscoso. Non è altro che un giunto contenente dischi forati immersi in un fluido non Newtoniano definito “dilatante”, ovvero un fluido siliconico, che accresce la sua viscosità all’aumentare della velocità di sollecitazione cioè della temperatura. Non appena i due alberi iniziano a girare a velocità diverse, il fluido si scalda e aumentando di densità incrementa l’attrito tra i dischi. Quando la tendenza ad avere velocità diverse diminuisce il liquido si raffredda e torna a permettere piccole differenze di velocità di rotazione. Grazie a questo sistema si riesce ad ottenere un collegamento tra i due alberi che consente una certa velocità relativa tra i due. Se tale differenza di velocità dovesse diventare eccessiva allora è in grado di creare un blocco vero e proprio tra i due alberi. Più la differenza di velocità aumenta più cresce il quantitativo di coppia trasmissibile dal giunto.

Questa caratteristica può considerarsi vantaggiosa, poiché il dispositivo si comporta quasi come un open in presenza di piccole differenze tra le velocità delle ruote motrici, come ad esempio accade durante una curva ad ampio raggio, senza influenzare apprezzabilmente il carattere sovra-sottosterzante del veicolo e senza la creazione di coppie significative sul volante. Oltretutto consente ad un veicolo a trazione integrale di viaggiare per la maggior parte del tempo con la sola trazione a due ruote motrici e di diventare in automatico una trazione a quattro ruote motrici. Il differenziale con giunto viscoso presenta, però, anche degli svantaggi. Innanzi tutto, esso interviene solo dopo che una delle ruote abbia iniziato a slittare e quindi non riesce ad impedire la nascita di slittamenti di una delle ruote motrici, ma si limita a ridurre uno slittamento in corso. Il secondo svantaggio è che l’aumento di temperatura del fluido è possibile anche per effetto dei cambiamenti di temperatura dell’ambiente esterno o per la presenza di piccole differenze di velocità protratte per lungo tempo, come nel caso di una strada ricca di curve. È quindi possibile che l’azione di bloccaggio del differenziale si presenti anche in assenza dello slittamento di una delle ruote motrici.

Frizione Haldex

La frizione Haldex è una frizione multidisco elettroidraulica a controllo elettronico. Questa frizione consente di distribuire la forza motrice in maniera variabile e continua tra le ruote anteriori e quelle posteriori. La procedura di regolazione continua viene effettuata da una centralina che prende in considerazione slittamento, condizioni di maneggevolezza e coppia trasmessa agli pneumatici. Grazie all’azionamento idraulico il valore di pressione esercitato sulle lamelle è variabile in modo continuo ed è quindi possibile variare la coppia di trasmissione in modo continuo tra asse anteriore e asse posteriore. La ripartizione della coppia può variare da un 90%-10% (quindi trazione quasi esclusivamente anteriore in condizioni normali) fino a un 0-100% (quindi trazione interamente posteriore) in condizioni limite. L’attuazione, in genere, è ottenuta per mezzo di un pistone che comprime le lamelle affacciate tra loro. A differenza del giunto viscoso meccanicamente autonomo, si avvale di un controllo elettronico di gestione capace di comandare a piacimento il bloccaggio tra gli alberi d’entrata e d’uscita del differenziale centrale.

Differenziale Torsen

Il Torsen, “Torque Sensitive” cioè sensibile alla coppia, è un differenziale il cui funzionamento si basa sul principio della “vite senza fine” cioè che il moto può facilmente essere trasmesso in un senso ma non altrettanto facilmente nel senso opposto. I planetari sono due ingranaggi con una dentatura inclinata, i satelliti sono realizzati allo stesso modo, ma al contrario del differenziale normale, ho un satellite per planetario e i due satelliti dei due planetari sono collegati tra loro da un comune ingranaggio.  Il suo funzionamento permette alle due ruote di un medesimo asse di variare la loro velocità relativa, purché una ruota aumenti la sua velocità nella stessa percentuale in cui l’altra diminuisca la propria, come nei normali differenziali durante la percorrenza di una curva. Nel caso in cui una delle due ruote tenda ad accelerare, come quando sta per pattinare, e l’altra non tenda a ridurre la propria velocità, il sistema risulta quasi bloccato e di conseguenza la coppia si indirizza verso la ruota che fa presa, impedendo il pattinamento dell’altra.

Proprio perché sfrutta la teoria della “vite senza fine” è possibile ottenere due coefficienti di bloccaggio diversi, a seconda del verso del flusso di potenza tra il motore e le ruote. In genere, si fa in modo che il coefficiente di bloccaggio più piccolo corrisponda alle fasi di rilascio, per ridurre ulteriormente le interferenze del differenziale con i sistemi di controllo attivo della dinamica del veicolo, in particolar modo con il sistema anti-bloccaggio. Però il TorSen non è capace in curva di distribuire uniformemente la coppia tra i due assi. Questo succede perché nelle curve una ruota gira più velocemente dell’altra anche in assenza di macroslittamenti. La conseguenza è la strana sensazione al volante di auto-raddrizzamento delle ruote percepita dal guidatore. Una sensazione che si fa tanto più avvertibile quanto più il differenziale adotta una percentuale di bloccaggio elevata. L’altro difetto è che il TorSen non è completamente bloccante, e quindi quando per esempio una ruota è completamente sollevata risulta, a differenza di un “locked”, inefficace. Viene impiegato come differenziale centrale su autovetture solitamente dotate di trazione integrale, o sull’asse posteriore di autovetture con trazione posteriore e consente di ripartire la coppia motrice tra le due ruote senza mai bloccare del tutto i due semiassi.