Il differenziale rappresenta un organo fondamentale nella trasmissione di un'autovettura, essenziale per il suo corretto funzionamento. La sua funzione primaria non è solo quella di ripartire la potenza in uscita dal motore tra le due ruote motrici di uno stesso assale, ma anche di consentire ai due alberi condotti di ruotare liberamente a velocità differenti. Questa capacità è cruciale, specialmente durante la percorrenza di una curva, dove la ruota esterna deve seguire una traiettoria di lunghezza maggiore rispetto a quella interna. Senza il differenziale, le ruote perderebbero trazione e il veicolo potrebbe sbandare, con un impatto significativo sugli pneumatici, sui componenti della trasmissione e sulla capacità di controllo. La storia di questo concetto risale a tempi antichi, con progetti come il "Carro semovente" di Leonardo da Vinci nel XV secolo, considerato un antenato dell'automobile moderna.
Il Differenziale "Open" o "Libero": Vantaggi e Limiti
La maggior parte delle auto in circolazione, sia a trazione anteriore che posteriore, è equipaggiata con un differenziale di tipo "open" o "libero". Questa soluzione permette di ripartire equamente la coppia motrice tra i due alberi di uscita e garantisce una diversa velocità in curva tra ruota interna ed esterna in ogni condizione. Un vantaggio di questa configurazione è che non genera significativi momenti di imbardata o effetti sul comportamento direzionale della vettura, né in accelerazione né in rilascio, poiché trasferisce un'uguale coppia motrice tra i due alberi.
Tuttavia, il differenziale "open" presenta un limite significativo che penalizza la capacità di trazione del veicolo, in particolare quando si adottano stili di guida più sportivi o si affrontano fondi a bassa aderenza. Molto spesso, infatti, può accadere che una delle due ruote perda aderenza. Le cause di questo fenomeno possono essere molteplici, come il ghiaccio, il fango, la presenza di ghiaia o il sollevamento di una ruota da terra. In queste situazioni, il differenziale "open" non può fare altro che ripartire equamente la coppia motrice tra le due ruote. Questo significa che, per garantire l'equilibrio alla rotazione della ruota che ha perso aderenza, trasmetterà due coppie quasi nulle. La massima forza longitudinale complessivamente trasmissibile a terra è limitata a circa il doppio della massima forza che può trasmettere la ruota con minore aderenza. Di conseguenza, 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 persiste, la differenza tra le velocità di rotazione delle due ruote continua ad aumentare, fino ad arrivare in breve tempo all'arresto completo dell'auto, compromettendo gravemente l'aderenza. In pratica, le ruote prive di trazione ricevono tutta la potenza, e il veicolo non riesce ad avanzare.
Il Differenziale "Locked" o "Chiuso": Vantaggi e Svantaggi
Adottando 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. Questo tipo di differenziale è paragonabile a un sistema che invia la stessa potenza a ciascuna delle ruote posteriori indipendentemente dal loro livello individuale di trazione. Di conseguenza, finché una di quelle ruote ha trazione, il veicolo sarà in grado di superare ostacoli come il fango. I differenziali bloccabili offrono una soluzione semplice ed efficace, distribuendo la potenza uniformemente sulle quattro ruote indipendentemente dal loro livello di trazione. In situazioni in cui è difficile acquisire trazione, questo stratagemma assicura che ogni ruota con un minimo di trazione faccia la propria parte per muovere il veicolo.
Tale soluzione, se da un lato incrementa notevolmente la capacità di trazione del veicolo, dall'altro penalizza fortemente il comportamento degli pneumatici in curva, che non riescono più a girare a velocità diverse. Questo peggiora la capacità direzionale del veicolo, donandogli un comportamento sottosterzante, e genera uno scenario simile a quello in cui i pneumatici perderebbero trazione, con un impatto pesante sui pneumatici e sui componenti della trasmissione. Pertanto, il differenziale completamente bloccato è ideale per situazioni di fuoristrada estreme o su fondi a bassissima aderenza, dove la capacità di avanzamento è prioritaria rispetto alla maneggevolezza.
Il Differenziale Autobloccante: La Soluzione di Compromesso
La soluzione di compromesso tra i differenziali "open" e "locked" è rappresentata dal differenziale autobloccante. Ne esistono di diversi tipi, 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 gli 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 è un differenziale "open" con un rendimento interno estremamente basso, ottenuto aumentando l'entità della coppia di attrito interna al differenziale. Questo incremento della coppia di attrito interna permette di aumentare la differenza tra le due coppie trasmesse agli alberi di uscita, garantendo che una certa percentuale della forza motrice vada comunque alla ruota che gira più piano quando la differenza di velocità di rotazione supera un certo livello.
Il differenziale autobloccante trova la sua applicazione ideale sia sulle auto da fuoristrada sia su quelle con un'indole sportiva. Nel primo caso, ha il compito di garantire che l'eventuale rotazione a vuoto di una ruota non comprometta la motricità del veicolo sui fondi accidentati o a bassa aderenza. La sua presenza permette all'auto di avanzare anche quando una delle ruote motrici è sollevata da terra o slitta su un terreno scivoloso, dando forza a quella che ha più presa sul terreno. Sulle auto sportive, o più comunemente stradali, questo differenziale ottimizza la motricità e migliora le doti di spunto in uscita di curva, riducendo il pattinamento anche in accelerazione ed esaltando la brillantezza in partenza.
Tipologie di Differenziali Autobloccanti
Esistono diverse tipologie di differenziali autobloccanti, scelti dai costruttori in base alle specifiche esigenze del modello su cui è previsto il montaggio. I differenziali autobloccanti più diffusi sono di tipo LSD (Limited Slip Differential), Frizione Haldex e Torsen, personalizzabili a seconda delle esigenze e dai vari costruttori.
Differenziale a Slittamento Limitato (LSD - Limited Slip Differential)
Il differenziale a slittamento limitato ha un funzionamento simile a quello di un differenziale aperto, ma con un'importante differenza: invece di inviare il 100% della coppia al pneumatico con la resistenza inferiore, questo tipo di differenziale invia parte della coppia ai pneumatici con la maggior trazione, permettendo al veicolo di avanzare. L'LSD, con un sistema a ingranaggi, ha il compito di rallentare in maniera progressiva la ruota che gira più velocemente. Questo è un sistema molto in uso nelle auto da corsa che arrivano a velocità sostenute. È uno dei tipi di differenziali autobloccanti sensibili alla velocità di rotazione. 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.
Differenziale a Giunto Viscoso
Un'altra tipologia di differenziale autobloccante, anch'essa sensibile alla velocità di rotazione, è il differenziale a giunto viscoso. Questo sistema utilizza un concetto simile a quello adottato dal LSD, ma al posto del pacco frizioni, troviamo un giunto viscoso. Quest'ultimo 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 loro. Se tale differenza di velocità dovesse diventare eccessiva, allora è in grado di creare un blocco vero e proprio tra i due alberi. Questa caratteristica può considerarsi vantaggiosa, poiché il dispositivo si comporta quasi come un differenziale "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 a 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 quando necessario. Questo sistema è diffuso nell'off-road 4x4 ma anche nel mondo del rally dei tempi passati.
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 a 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.
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.
Differenziale Torsen (Torque Sensitive)
Il Torsen, acronimo di "Torque Sensitive" (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, e i satelliti sono realizzati allo stesso modo. A differenza del differenziale normale, in un Torsen si ha 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. 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 differenziale "locked", inefficace.
Controlli Elettronici di Trazione e Differenziali Elettronici
Nei mezzi di nuova generazione sono sempre più diffusi i controlli elettronici di trazione. Molti pensano che l'elettronica agisca direttamente sul differenziale, mentre invece, questa sta agendo sui freni che, a seconda dello slittamento delle ruote, bloccano la ruota che slitta, simulando l'effetto di un differenziale bloccato. Questi sistemi, talvolta definiti "differenziali autobloccanti elettronici", si limitano a una specifica gestione dell'ABS/ESP volta a migliorare la motricità sui fondi a bassa aderenza. Essi garantiscono un risultato simile ai differenziali autobloccanti meccanici, pur nella loro semplicità, frenando la ruota che gira più velocemente e permettendo così la trasmissione della coppia alla ruota con le migliori condizioni di aderenza. Questo approccio è largamente utilizzato nelle auto e nei fuoristrada di nuova generazione.
Importanza e Manutenzione del Differenziale
Il differenziale è un organo della trasmissione molto importante per il corretto funzionamento di un veorccolo. Se non ci fossero i differenziali, guidare sarebbe estremamente difficile. I differenziali sono progettati per permettere alle ruote sullo stesso assale di muoversi a velocità differenti, il che è fondamentale in fase di svolta, quando le ruote esterne devono girare più velocemente rispetto a quelle interne per percorrere una maggior distanza nello stesso lasso di tempo. In assenza di differenziale, i pneumatici perderebbero trazione e potrebbero far sbandare il veicolo, con un impatto pesante sui pneumatici e sui componenti della trasmissione, senza contare la perdita di controllo in curva.
La manutenzione del differenziale è cruciale per la sua longevità e per il corretto funzionamento del veicolo. Questo include la sostituzione regolare dell'olio specifico per differenziali, come un classico 80W90. Per la misurazione e la messa a punto del gioco del differenziale, strumenti di precisione come un comparatore centesimale con base magnetica sono essenziali. Questi strumenti, con un campo di misura di 0-0.8mm e una scala di 0.0005"/0.01mm, sono precisi, sensibili e reattivi, ideali per garantire la corretta tolleranza operativa e prevenire usure precoci o malfunzionamenti.
