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AMICI DELLA MITICA PANDA 4X4
IL DIFFERENZIALE
(Contributo di Americo "Pandaovunque")
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Il differenziale è un dispositivo che riceve la coppia del motore da un albero (l'albero
secondario del cambio) e lo ripartisce su altri due (i semiassi), 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 (quello preposto alla distribuzione della
coppia tra avantreno e retrotreno è detto "centrale", differenziale centrale o terzo
differenziale). Il differenziale divide la coppia in modo diverso tra i due alberi in uscita e
serve a far prevalere la coppia su uno dei due assi.
Questo articolo cerca di spiegare semplicemente il differenziale e di offrire una panoramica
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 quattro proprietà di base:
1)- Porta la potenza del motore alle ruote
2)- E' l'ultimo ingranaggio di riduzione del veicolo; cioè rallenta la velocità
rotativa della trasmissione per un'ultima volta prima di applicarla alle ruote
3)- Permettere una trasmissione della potenza del motore alle ruote a velocità
"differenti", e da questo prende il nome.
4)- Svincola cinematicamente tra loro gli alberi condotti.
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.
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.
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DIFFERENZIALE SEMPLICE "aperto"
Il differenziale più semplice è quello di tipo "aperto", nell'immagine qui sotto vediamo lo
schema stilizzato dove vengono indicati i componenti principali di un differenziale aperto.
a)- 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.
b)- 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.
c)- Corona: grande ruota dentata montata tra i semiassi che si accoppia al pignone e riceve
da esso il movimento del motore
d)- 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!).
Nella foto sotto Un differenziale esposto. Si notano la corona, la gabbia e la coppia conica
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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. 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.
Termini come rapporto al ponte, rapporto finale o coppia di riduzione finale 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.
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.
Ma che succede se una delle ruote ha buona trazione e l'altra è sul ghiaccio? Qui iniziano i
problemi
con i differenziali di tipo aperto.
DIFFERENZIALE BLOCCATO "chiuso"
Abbiamo appena detto che un differenziale aperto 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 a questo tipo di problemi è quella di rendere il differenziale "chiuso".
Chiudere il differenziale significa annullare il compito cui è preposto bloccando appunto il
suo lavoro originale (quello di differenziare la velocità tra gli assi delle ruote). Il bloccaggio
permette sia alla ruota che scivola che alla ruota che ha aderenza di girare alla stessa
velocità di quella della
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gabbia.
Poter bloccare il differenziale significa quindi poter avere un dispositivo che interrompe
automaticamente il movimento di una o più parti che invece, di solito, lavorano
trasmettendosi il moto a velocità diverse.Questo è possibile quando i pignoni in uscita
diventano solidali.
Il dispositivo di blocco del differenziale
Il grande vantaggio di un differenziale bloccabile è rappresentato dal fatto che il veicolo,
nel traffico stradale normale, circola col differenziale libero come qualunque automobile
evitando così l'usura precoce delle ruote e di alcuni organi meccanici in movimento, mentre
in fuoristrada, quando la situazione lo richiede, il blocco può essere attivato, con efficacia al
100%, L'auto con il differenziale in posizone di blocco acquista sì mobilità, ma perde
contemporaneamente capacità direzionale .Quindi si dovrà procedere solo a bassa velocità
e per brevi tratti.
Inoltre se si aziona il blocco mentre gli ingranaggi ruotano velocemente, possono
provocarsi dei danni alle parti in movimento. Per questi motivi è essenziale bloccare i
differenziali dei ponti solo a bassissima velocità e non in curva.
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!!)
Questi congegni (genericamente chiamati blocchi) possono assumere svariate forme. Il
blocco è facilmente presente sui differenziali centrali (quelli che agiscono sulla differente
rotazione dell'asse anteriore da quello posteriore) ma ne possono essere dotati anche quelli
dei ponti per accrescere sensibilmente la mobilità del veicolo. Per ragioni di chiarezza li
classificheremo in base alle modalità di azionamento.
Blocchi automatici ( o autobloccanti )
Su alcuni veicoli a trazione integrale permanente si usa un giunto viscoso in funzione di
blocco automatico del terzo differenziale (ad es. la new Panda 4x4).
Per quelli che invece ripartiscono il moto tra le ruote di uno stesso asse si usano,
generalmente, altri sistemi, ma con la medesima funzione:
limitare, o impedire, che la coppia "fugga" la dove non serve.
A differenza del blocco manuale, i sistemi autobloccanti trovano impiego anche su vetture
stradali di alte prestazioni. Sul ponte posteriore di molti veicoli 4x4 si trova un particolare
tipo di differenziale autobloccante, in cui l'effetto di blocco è assicurato da una serie di
dischi di attrito e di molle, che
oppongono una resistenza progressiva alla rotazione relativa dei due semiassi.
Un differenziale autobloccante richiede (in fuoristrada) una tecnica di guida leggermente
diversa da quella utilizzabile su un veicolo dotato di blocco manuale. Se il blocco
automatico ha il vantaggio di non richiedere nessun intervento da parte del pilota, per
contro presenta anche un grosso inconveniente.
Poiché sempre in funzione, e quindi esplica la sua azione anche nelle curve, finisce per
provocare sollecitazioni anomale alla meccanica e reazioni del veicolo difficilmente
controllabili da un utente di normale esperienza.
Per ridurre queste negatività si preferisce ricorrere a basse percentuali di bloccaggio,
sull'ordine del 25 % - 40%. Gli autobloccanti non permettono però di avere i differenziali
completamente aperti (preferibili ad es. sui laterali a scarsa aderenza).
Blocco manuale del differenziale
Un apposito meccanismo (un manicotto scorrevole) può rendere solidale un semiasse con
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la scatola del differenziale del ponte escludendone così la funzionalità. L'intero cinematismo
si trasforma allora in un semplice ripartitore che trasferisce, in ugual misura, la coppia ai
due semiasse di uscita.Un
blocco manuale del differenziale è montato sulla Panda 4x4 di Stefano (Clandestino).
Il comando è meccanico a cavo d'acciaio inguainato, si agisce tramite una leva
nell'abitacolo direttamente sul manicotto provocandone lo scorrimento.
I sistemi più moderni sui fuoristrada utilizzano invece un compressore elettrico per
comandare dei pistoncini pneumatici che svolgono la medesima funzione della leva vista
prima.
Una autovettura può essere equipaggiata con entrambi i differenziali degli assali bloccabili,
oltre al blocco del terzo differenziale centrale. Per quanto ci riguarda la Panda 4x4 old può
essere equipaggiata con il blocco del differenziale posteriore regolarmente disponibile in
commercio (ma anche il differenziale anteriore teoricamente potrebbe essere bloccato), il
differenziale centrale sulla Panda 4x4 invece non è presente, agendo sulla leva tra i sedili si
inserisce la trazione obbligata all'asse posteriore ma il sistema non prevede la possibilità di
differenziare la velocità di rotazione dei due alberi che si affacciano al meccanismo azionato
dalla leva quindi l'inserimento produce un lavoro simile a quello di un differenziale centrale
già bloccato che trasferisce rigidamente la coppia all'asse posteriore!
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.
La new Panda 4x4 è equipaggiata con un giunto viscoso tarato per inviare in condizioni
normali il 98% della coppia sull'asse anteriore e quindi poter disporre comunque del 2% di
trazione all'asse posteriore anche in posizione di riposo.
Il Giunto viscoso della Nuova Panda 4x4
La nuova Panda 4x4 trasmette il moto alle quattro ruote con una trasmissione integrale che
si avvale di due differenziali ed un giunto viscoso, quest'ultimo senza richiedere alcuna
manovra di inserimento da parte del conducente consente una distribuzione di coppia
motrice tra asse anteriore e asse posteriore a seconda delle necessità di disimpegno della
vettura.
Il giunto viscoso è parte integrante del gruppo differenziale
posteriore, contiene una serie
di dischi leggermente alettati immersi in un liquido viscoso dalle
proprietà particolari: all'innalzarsi della temperatura questo
aumenta la sua viscosità.
Quando i due assi condotti hanno velocità diverse all'interno del
giunto si verifica uno slittamento, per cui "rimescolano" il liquido e
ne fanno aumentare la temperatura.
Ma non appena la temperatura aumenta, questo diventa più
viscoso e tende a trascinare insieme i dischi, trasmettendo la
coppia motrice sull'asse posteriore.
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Il liquido viscoso quindi costituisce sia il SENSORE (rilevando con la
sua temperatura la presenza di slittamento tra gli assi), sia
l'ATTUATORE (poiché aumentando la viscosità tende ad opporsi al
fenomeno dello slittamento).
Il differenziale elettronico ELD della Nuova Panda 4x4
Il sistema ELD (Electronic Locking Differential) montato di serie solo sulla versione più
lussuosa della nuova Panda 4x4 (mod. Cross) e disponibile come optional sulle altre
versioni agisce sfruttando l'elettronica dell' ABS della vettura, il sistema confronta la
velocità delle ruote motrici di uno stesso
asse, riconoscendo il pattinamento quando la differenza tra le due supera un valore
predefinito.
A quel punto, il controllo avviene applicando alla ruota che slitta una coppia frenante,
mediante l'aumento della pressione nel corrispondente ramo del circuito freni.
Ciò permette al differenziale di incontrare resistenza, trasferendo coppia anche alla ruota
corrispondente e opposta dello stesso asse, se la ruota opposta risulta in aderenza si
ottiene
il disimpegno del veicolo.
L'incremento della pressione frenante sulla singola ruota si realizza attivando le valvole TC
ISO e TC Supply del ramo del circuito idraulico relativo alla ruota sulla quale si vuole
applicare la coppia frenante, il gruppo pompa e la valvola ISO dell'altra ruota dello stesso
ramo a cui non si vuole applicare coppia frenante.
La funzione Locking Differential è inseribile solo per valori di velocità inferiori a 30 km/h,
oltre tale velocità il Locking Differential non interviene in modo da salvaguardare l'impianto
freni e il giunto viscoso dal surriscaldamento.
Il sistema si disinserisce automaticamente anche quando la centralina calcola che la
temperatura freni ha superato una determinata soglia di sicurezza per poi ripristinarsi
quando i freni abbiano raggiunto una temperatura di sicurezza.
Quindi si tratta di un controllo di trazione, semplicemente denominato in modo diverso.
Questo sistema può agire contemporaneamente sui 2 assi se una ruota per ogni asse perde
trazione (quindi interessa i 2 differenziali della vettura). L'ELD della nuova Panda 4x4 è
azionabile manualmente con un pulsante sulla plancia.
Differenziale di tipo Torsen
Il differenziale Torsen® (da Torque Sensing), creato dall'americana Gleason invece è
puramente meccanico, niente elettronica, frizione o liquidi viscosi.
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 Torsen è superiore al giunto viscoso 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® non può fornire alcuna coppia all'altro set
di ruote perchè non arriva
mai al 100%.
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