differenziale (tecnica)
Indice
Generalità
Il differenziale consente un movimento regolare e armonizzato delle ruote motrici anche se queste sono costrette a percorrere tratti disuguali per lunghezza, come nelle curve, con il risultato di favorire la tenuta di strada del mezzo. Infatti quando un autoveicolo percorre una curva, la coppia esterna di ruote deve percorrere un tratto più lungo di strada, quindi deve essere dotata di una velocità di rotazione maggiore di quella della coppia di ruote dalla parte interna della curva. La differenza tra la velocità di rotazione delle ruote interne e di quelle esterne è tanto maggiore quanto più “stretta” risulta essere la curva da percorrere. Se la trasmissione del moto dal motore alle ruote avvenisse attraverso una catena cinematica rigida, si avrebbero degli sforzi torsionali elevati sugli organi della trasmissione e la stabilità del veicolo in curva risulterebbe notevolmente compromessa. Il differenziale comprende: una struttura esterna (scatola) recante una corona dentata periferica stabilmente impegnata con un pignone conico solidale con l'albero di trasmissione; due o più satelliti conici interni alla scatola, i cui assi sono solidali con la scatola stessa; e due ingranaggi planetari, impegnati con i satelliti, i cui assi sono solidali con i semiassi delle ruote. La scatola del differenziale, che prende il moto dal pignone, è folle sui due semiassi ed è quindi libera di ruotare intorno a questi. I satelliti sono imperniati nelle pareti della scatola e sono dotati quindi di due moti: uno di rotazione intorno al proprio asse e uno di rotazione intorno all'asse dei semiassi, quando vengono trascinati dalla scatola. I planetari risultano sempre in presa con i satelliti. Quando il veicolo percorre un tratto rettilineo, la reazione che il suolo trasmette alle ruote è identica e quindi identica risulta la reazione trasmessa ai due planetari e ai relativi satelliti; i satelliti risultano sottoposti a delle forze che ne impediscono la rotazione intorno al proprio asse e pertanto la scatola li fa ruotare con identica velocità; ne consegue che i due semiassi risultano dotati di ugual velocità di rotazione. Se, come nel caso della curva, una ruota viene obbligata a percorrere un percorso più breve, essa trasmette al planetario a essa collegato una reazione maggiore di quella trasmessa dalla ruota esterna e pertanto tale reazione di maggiore intensità spinge entrambi i satelliti a ruotare anche intorno al proprio asse e quindi a far aumentare la velocità di rotazione del planetario collegato alla ruota esterna, cosa che fa aumentare quindi la velocità di rotazione della ruota esterna stessa e la spinge a compiere più strada di quanta ne percorra la ruota interna nello stesso intervallo di tempo. Il veicolo in tal modo conserva la sua aderenza alla strada anche nel percorrere la curva. Per la natura stessa del cinematismodifferenziale, se una delle due ruote rimane sollevata da terra, la ruota ancora a contatto col terreno si blocca e quella non a contatto col suolo viene spinta a ruotare a una velocità doppia della velocità della corona. Un'analoga situazione si verifica quando una delle due ruote “slitta” sul terreno, caso frequente nelle autovetture con motore molto potente rispetto al peso del veicolo. Poiché in tale caso il veicolo è impossibilitato a procedere, se si vuole ovviare a tale inconveniente bisogna dotare il differenziale di un dispositivo di bloccaggio (differenziale semiautobloccante, differenziale autobloccante). Questo meccanismo ha la funzione di ridurre o togliere forza motrice alla ruota che perde aderenza con il terreno restituendola, poi, non appena si siano ripristinate le condizioni di normale aderenza per entrambe le ruote. Per tale motivo viene utilizzato soprattutto su veicoli dalle prestazioni sportive, sui fuoristrada oppure sulle automobili di serie a trazione integrale.
Differenziali con dispositivi di bloccaggio
I differenziali semiautobloccanti presentano fra i planetari una serie di dischi o di anelli di attrito che vengono automaticamente premuti, proporzionalmente alla coppia trasmessa, dall'incuneamento del perno portasatelliti tra due piani inclinati, i quali contrastando però lo scorrimento degli elementi di attrito alleggeriscono così la potenza che si esercita in quel momento sulla ruota con minor aderenza; lo stesso scopo si ottiene con il sistema basato su due campane coniche striscianti, calettate su ciascun planetario e caricate da molle; tali sistemi sono tarati per ottenere valori autobloccanti dal 20 al 50%. I differenziali autobloccanti sono essenzialmente basati sul “sistema Torsen” (dall'inglese Torque Sensing): la complessità e la precisione del dispositivo lo rendono costoso e quindi viene montato su vetture sportive di pregio con trazione in genere integrale, oppure su automobili di grossa cilindrata. Schematicamente: sulla periferia della scatola, che alloggia i planetari terminanti con un ingranaggio a denti elicoidali, ruotano in folle tre coppie di satelliti disposte a 120º e accoppiate con ingranaggi a denti diritti; gli assi dei satelliti risultano quindi secanti la parte cilindrica della scatola, la cui corona trasmette la coppia; con la scatola ruotano, pertanto, attorno all'ingranaggio dei semiassi anche le tre coppie di satelliti che trascinano i planetari. Poiché il passo delle eliche è scelto in modo che il rendimento sia molto basso, quando una ruota perde aderenza, o è sollevata da terra, ma anche in curva veloce, la trasmissione del moto al semiasse attraverso due coppie di ingranaggi elicoidali ortogonali fra loro diventa impossibile; alla ruota che “slitta” sarà, quindi, impedito di trasferire potenza che verrà, invece, assorbita da quella aderente, consentendo così il movimento del veicolo in ogni condizione di marcia. Ulteriore vantaggio di questo differenziale autobloccante è che la ruota che ha nullo o scarso contatto con il terreno ruota alla velocità della gemella per cui, ripristinata l'aderenza, la vettura non subirà sbandamento, anche se è possibile un certo “derapamento” controllabile. Nei veicoli a trazione integrale, infine, l'adozione di un terzo differenziale intermedio consente di adeguare le velocità dei treni anteriore e posteriore, trasmettendo a uno dei due (in genere l'anteriore) una coppia motrice inferiore rispetto all'altro; tali differenziali, che sono dotati di ingranaggi cilindrici e hanno planetari e rispettivi satelliti di diametro diversi, sono dei “ripartitori di coppia” funzionanti come autobloccanti rispetto ai due treni, il che è molto vantaggioso quando il veicolo affronta terreni particolarmente accidentati o percorre curve in velocità.