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 è un requisito fondamentale, poiché durante una curva, la ruota interna alla curva stessa è quella che trova maggiore resistenza all’avanzamento e, di conseguenza, percorre una traiettoria più breve rispetto a quella esterna. Il sistema funziona perfettamente quando entrambe le ruote hanno buona aderenza; tuttavia, se una la perde, la sua velocità di rotazione aumenta, mentre quella opposta rallenta e nei casi estremi, come per esempio quando un lato dell'auto è sul ghiaccio e l'altro sull'asfalto asciutto, si può arrivare a fermarsi, impedendo il moto della vettura.
Il Differenziale "Aperto": Com'è Fatta la Maggior Parte delle Auto
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, né in accelerazione né in rilascio, dall’altro lato penalizza fortemente la capacità di trazione del veicolo, specie se si cercano le prestazioni adottando una guida più sportiva.
Una comune utilitaria a trazione anteriore, nel 99% dei casi, è dotata di differenziale “aperto”. Se solleviamo il veicolo solo da un lato, come può accadere in officina o mentre si sostituisce una gomma, ovviamente una ruota motrice tocca a terra mentre l’altra no. Se una delle due ruote motrici perde aderenza, il differenziale aperto non può che ripartire equamente la coppia motrice tra le due ruote. Di conseguenza, 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. L'affermazione che le auto a trazione anteriore abbiano in realtà una sola ruota motrice, con la seconda che gira di conseguenza perché sullo stesso asse, non è quindi del tutto errata, ma neanche completamente corretta nel descrivere il principio di funzionamento, sebbene ne descriva un effetto pratico in condizioni di scarsa aderenza.
Il Differenziale Bloccato: Massima Trazione, Minima Maneggevolezza
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. Un differenziale bloccato è tipico dei fuoristrada puri, dove la capacità di superare ostacoli e fondi estremamente difficili prevale sulla necessità di maneggevolezza su asfalto.
Il Differenziale Autobloccante: Il Compromesso Ideale
La soluzione di compromesso tra i due tipi di differenziali appena visti è di sicuro un 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 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, quasi come 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.
Il differenziale autobloccante può trovare applicazione sia sulle auto da fuoristrada sia su quelle con un’indole sportiva. Nel primo caso, il differenziale autobloccante 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 appunto forza a quella che ha più presa sul terreno. Negli ultimi anni, sono stati prodotti dei particolari autobloccanti a controllo elettronico che non si servono dei freni per pinzare la ruota in pattinamento. Le vetture sportive recenti sono caratterizzate da potenze sempre più alte, rendendo sempre più complicato scaricare tanta cavalleria a terra, soprattutto a seguito di un intervento di elaborazione e se parliamo di un modello a trazione anteriore. Per fare un esempio, fino a qualche anno fa, un 2.0 turbo vedeva nei 300 CV una sorta di traguardo, mentre a oggi questo valore è sempre più vicino alla soglia dei 400 CV. Per questo motivo, le case automobilistiche ricorrono agli autobloccanti già di serie, al fine di scaricare tutta la potenza del motore a terra. Il differenziale autobloccante diventa una necessità nella guida di vetture sportive di livello o con molta coppia e cavalli da scaricare a terra, specie su un asse solo.
Tipologie di Differenziale Autobloccante
Sul mercato delle auto sportive troviamo più generi di differenziale, i quali si differenziano per svariate caratteristiche. In generale, i differenziali lavorano sulla distribuzione e sulla trasmissione della potenza sulle due ruote motrici, ma, al tempo stesso, servono a far girare a velocità diverse i due alberi. Quello libero è sicuramente una delle tipologie di differenziale più conosciute e diffuse, impiegato sia per le auto a trazione posteriore, che per quelle a trazione anteriore. Questo viene anche chiamato open ed è in grado di assicurare sempre una diversa velocità delle ruote in curva, oltre che la ripartizione in maniera equa della coppia motrice. Il differenziale autobloccante costituisce un ottimo compromesso tra quello locked e quello open, in quanto permette di coniugare i vantaggi di quest’ultimi. Questo particolare modello, infatti, consente una variabile ripartizione della coppia motrice, senza far ruotare i due alberi necessariamente alla medesima velocità. È possibile installare il differenziale in più posizioni diverse in relazione all’effetto che si intende ottenere e alla tipologia di veicolo in questione. Esistono diversi modelli tra cui: a slittamento limitato (Limited Slip Differential - LSD), a dischi o lamelle (clutch-type), a giunto viscoso (Ferguson) e Torsen. Ogni soluzione presenta pregi e difetti specifici come velocità d’azione, intensità di attacco e dolcezza di innesto.
Differenziale a Lamelle (Clutch-Type)
È 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. 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
È 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. 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.
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, c'è 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 “locked”, inefficace.
Sistemi Elettronici e Frizione Haldex
Esistono anche sistemi che non sono differenziali autobloccanti nel senso meccanico stretto, ma che ne mimano la funzione tramite l'elettronica o sistemi a frizione avanzata. 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 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 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. Questi sistemi non vanno confusi con quelli talvolta definiti differenziali autobloccanti elettronici, che si limitano a una specifica gestione dell’ABS/ESP volta a migliorare la motricità sui fondi a bassa aderenza, frenando la ruota che slitta.
La Trazione Integrale Intelligente: Il Sistema TOD (Torque-On-Demand)
Il dispositivo TOD, acronimo di Torque-On-Demand, rappresenta un'evoluzione nel campo dei sistemi di trazione integrale. A differenza dei veicoli che hanno 2 ruote motrici con l'opzione di poter inserire la trazione integrale fissa, quelli dotati di TOD hanno la peculiarità di beneficiare del 4x4 solo quando necessario e nella quantità necessaria. Il dispositivo riceve informazioni da sensori collegati all'acceleratore, freno e sterzo e rileva costantemente la velocità di rotazione dei 2 assi del veicolo. In base a questi dati, la centralina decide in ogni istante quanta coppia inviare alle ruote posteriori.
Questo sistema è progettato per ottimizzare l'efficienza e il comportamento dinamico del veicolo. In condizioni normali di guida su asfalto asciutto, il sistema TOD tende a privilegiare la trazione anteriore per ridurre i consumi di carburante, comportandosi di fatto come un veicolo a trazione anteriore. Tuttavia, non appena uno o più sensori rilevano una perdita di aderenza delle ruote anteriori, o una sollecitazione specifica (come una forte accelerazione o una manovra di sterzo in condizioni precarie), il sistema TOD interviene automaticamente, trasferendo una porzione di coppia alle ruote posteriori per ripristinare la massima motricità e stabilità.
Questo approccio "intelligente" distingue il TOD dai sistemi di trazione integrale permanente o da quelli inseribili manualmente. Mentre un sistema permanente invia costantemente coppia a tutti e quattro gli assi (potenzialmente con sprechi di energia quando non necessario), e un sistema inseribile richiede un intervento del guidatore, il TOD opera in modo proattivo e automatico, adattandosi in tempo reale alle condizioni di guida. L'obiettivo dovrebbe essere quello di ottenere un avantreno che si inserisce ed un retrotreno che lo accompagna tentando di sovrasterzare leggermente, migliorando così la dinamica del veicolo. L'idea di un sistema 4WD permanente, come in alcuni vecchi modelli o di categoria superiore, potrebbe sollevare interrogativi sui consumi; ad esempio, i consumi della SantaFe prima serie, prima dell'introduzione del TOD, possono essere presi come riferimento.
Vantaggi del TOD
I vantaggi del sistema Torque-On-Demand sono molteplici:
- Efficienza nei Consumi: Poiché la trazione integrale viene attivata solo quando necessario, si riducono gli attriti interni e il consumo di carburante rispetto ai sistemi 4WD permanenti.
- Migliore Maneggevolezza: Il sistema è progettato per intervenire in modo graduale e proporzionale, migliorando la stabilità e la trazione in condizioni di scarsa aderenza senza compromettere eccessivamente la guidabilità su asfalto.
- Adattabilità: Il sistema si adatta automaticamente a diverse condizioni stradali e stili di guida, offrendo sicurezza e prestazioni ottimali senza richiedere interventi da parte del conducente.
- Minore Complessità Meccanica (rispetto a sistemi con differenziali bloccabili manualmente): Sebbene più sofisticato di un sistema a trazione anteriore semplice, il TOD spesso integra soluzioni elettroniche e frizioni che possono essere più compatte rispetto a complessi sistemi meccanici di bloccaggio dei differenziali.
SISTEMA DI TRAZIONE AWD-VDC-DCCD
L'Evoluzione della Trazione Integrale in Hyundai
La Hyundai, come molti altri costruttori, ha sviluppato e adottato nel corso degli anni diverse soluzioni per la gestione della trazione integrale, inclusi sistemi di tipo TOD. Questo si riflette nella gamma dei loro SUV e crossover, dove la capacità di gestire la motricità in modo intelligente è diventata un elemento chiave per offrire sicurezza e prestazioni in un'ampia varietà di scenari di guida. L'integrazione di differenziali autobloccanti o sistemi elettronici che ne simulano il comportamento, come quelli che gestiscono la ripartizione della coppia tra gli assi (ad esempio, tramite frizioni a controllo elettronico simili a quelle Haldex o sistemi basati su sensori di velocità delle ruote e accelerometri), contribuisce a migliorare ulteriormente la trazione e la dinamica del veicolo. La scelta specifica del sistema, come il TOD, riflette un compromesso ingegneristico tra prestazioni off-road, efficienza sui percorsi stradali e costi di produzione. La tendenza è quella di utilizzare sistemi sempre più sofisticati e controllati elettronicamente, in grado di adattarsi in tempo reale alle esigenze del guidatore e alle condizioni del terreno.
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