Il differenziale e il suo bloccaggio

Chi avrebbe mai pensato che ci fosse un componente presente nelle autovetture fin dai loro inizi e che ancora oggi sia considerato essenziale, nonostante inizialmente non fosse destinato a esse?

Vi molti misteri associati al differenziale, soprattutto considerando la possibilità della sua completa o parziale disattivazione.

In questo articolo, spieghiamo perché sono necessari diversi tipi di bloccaggio del differenziale e come vengono utilizzati su strada e fuoristrada.

Prospettiva storica

Sebbene il nome dell’inventore italiano del XVI secolo sopravviva grazie all’albero cardanico e al giunto cardanico, a lui è associato anche il differenziale. La datazione dell’invenzione non è un errore: questi disegni erano originariamente destinati agli orologi meccanici di Gerolamo Cardano, e l’industria automobilistica li adattò in seguito.

Il moderno brevetto automobilistico può essere fatto risalire a Onésiphore Pecqueur del 1827, che iniziò anche costruendo orologi, in questo caso orologi da polso.

Funzionamento del differenziale

Il differenziale svolge fondamentalmente due compiti: deve garantire che le ruote motrici alle due estremità dell’asse girino alla stessa velocità durante la marcia in rettilineo; il secondo compito è consentire alle due ruote motrici di ruotare a velocità diverse, cosa necessaria in curva.

Entrambe queste condizioni devono essere soddisfatte contemporaneamente, poiché entrambe le situazioni si verificano durante la guida di un’auto.

Se le ruote del veicolo non potessero girare in modo indipendente in curva, la traslazione sarebbe possibile solo se almeno una delle ruote, o anche entrambe, scivolasse sul terreno – questo è evidente, ad esempio, nei go-kart privi di differenziale.

Su strada, invece, ciò risulterebbe sfavorevole sia dal punto di vista della sicurezza che dell’economicità, in quanto lo slittamento o l’eccessiva rotazione delle ruote ridurrebbero sensibilmente l’aderenza, la stabilità e la controllabilità del veicolo. Inoltre, le gomme si consumerebbero più velocemente e in modo irregolare.

Perché è necessario il blocco?

Nelle autovetture viene utilizzato un differenziale classico (simmetrico), che rappresenta il design più semplice ed economico sul mercato. Tuttavia, presenta i suoi svantaggi.

Se un’articolazione del veicolo è ferma e quindi la sua velocità angolare è zero, il differenziale aumenta la velocità angolare dell’altra nocca fino a raddoppiarla. Questo è il caso, ad esempio, dei cosiddetti veicoli cingolati quando si svolta in curva, quando uno dei cingoli viene frenato fino all’arresto.

Un fenomeno simile può verificarsi sulle strade pubblich, ad esempio, quando un veicolo esce dalla banchina su una carreggiata ghiacciata.

Il differenziale simmetrico distribuisce uniformemente la coppia disponibile e, di conseguenza, non può fornire coppia anche all’altra ruota adiacente. Questo fa salire di giri il motore e la ruota gira sul ghiaccio per aumentare, causando lo stallo del motore.

Autobloccante

Col tempo, è stata trovata una soluzione anche a questo problema. L’attrito interno del differenziale impedisce agli ingranaggi di ruotare rispetto all’alloggiamento del differenziale, di conseguenza, l’equilibrio della coppia delle articolazioni scompare quando un lato inizia a ruotare più velocemente dell’altro. La coppia della ruota che gira più lentamente aumenta ed è tanto maggiore quanto maggiore è il grado di attrito interno.

Se l’attrito interno è sufficientemente elevato, nell’esempio precedente la ruota adiacente del veicolo riceve una coppia sufficiente e il veicolo può partire con una sola ruota motrice.

Le applicazioni pratiche sono molto diverse: ne presentiamo solo alcune.

La versione più semplice è un differenziale a frizione meccanica, utilizzato principalmente nelle auto da drift. Il suo fattore di autobloccaggio aumenta all’aumentare della coppia del motore. Ciò significa che il meccanismo può davvero bloccarsi in curva in forte accelerazione, essenziale per curve spettacolari, ma meno utile durante la guida su strada.

Una soluzione regolarmente utilizzata nelle auto da rally è il Torsen, ovvero il differenziale della ruota anteriore. Tuttavia, va notato che sia nelle auto da corsa che nei fuoristrada, viene utilizzato insieme ad altri dispositivi ausiliari, poiché, nonostante il suo design avanzato, presenta un grave svantaggio. Trasferisce il prodotto della coppia che passa dalla ruota meno aderente alle ruote aderenti. Ciò significa che se non c’è trazione sulla ruota meno aderente, né l’una né l’altra ruota ricevono coppia. L’eliminazione di questo fenomeno è solitamente possibile con un sistema di frenata intelligente.

Uno dei differenziali autobloccanti più convenienti è il differenziale a frizione viscosa. Viene spesso utilizzato anche come scatola di rinvio tra due assali motori. In questo caso l’attrito interno è dovuto alla viscosità del fluido che scorre tra le alette fissate all’albero condotto: maggiore è la differenza di rotazione tra gli alberi, maggiore è la resistenza del fluido. Il design è compatto e semplice, ma il meccanismo può facilmente surriscaldarsi con un uso intenso. Inoltre, con successivi carichi elevati, il fluido perde la sua viscosità, e con essa diminuisce la capacità autobloccante del differenziale, quindi il suo utilizzo negli sport ad alte prestazioni non è frequente.

Il differenziale autobloccante con frizione idraulica è la versione più utilizzata per impieghi gravosi. Il design è molto simile a un differenziale simmetrico convenzionale, con ciascuna articolazione che aziona una piccola pompa dell’olio. Alla stessa velocità non succede nulla, ma se uno degli alberi gira più velocemente, la pressione dell’olio su quel lato aumenta, causando il bloccaggio dei dischi della frizione. Il meccanismo è controllabile anche elettronicamente tramite elettrovalvola, è estremamente stabile e ricaricabile.

Blocco differenziale

L’autobloccante è possibile anche con differenziale simmetrico, ma il principio di funzionamento è diverso.

Si è cercato di risolvere l’inconveniente sopra descritto utilizzando un bloccaggio del differenziale attivabile e disattivabile. Quando è innestato, l’effetto di compensazione del differenziale è completamente eliminato dal collegamento rigido dell’alloggiamento del differenziale e di un giunto, quindi i giunti possono ruotare solo alla stessa velocità.

L’innesto e il disinnesto possono essere effettuati elettronicamente, idraulicamente o meccanicamente, anche quando si scende dal veicolo.

Un bloccaggio del differenziale è preferibile su autocarri pesanti e veicoli fuoristrada, soprattutto quando si guida su terreni accidentati e sconnessi.

Lo svantaggio è esattamente lo stesso del caso di totale mancanza di differenziale, perché in questa situazione non svolge la sua funzione: il blocco deve essere disattivato su una superficie dura per non causare danni permanenti alla catena di trasmissione e usura dei pneumatici estremamente rapida. Il compito del conducente è quindi quello di azionare correttamente la serratura.