Come funzionano i differenziali

Il differenziale è un dispositivo che divide la coppia del motore in due modi, consentendo a ciascuna uscita di girare a una velocità diversa.

Il differenziale si trova su tutte le auto e camion moderni, e anche in molti veicoli a trazione integrale (a tempo pieno a quattro ruote motrici). Questi veicoli a trazione integrale necessitano di un differenziale tra ciascun set di ruote motrici e ne hanno bisogno anche uno tra le ruote anteriori e posteriori, perché le ruote anteriori percorrono una distanza diversa attraverso una curva rispetto alle ruote posteriori.

I sistemi di trazione integrale part-time non hanno un differenziale tra le ruote anteriori e posteriori; invece, sono bloccati insieme in modo che le ruote anteriori e posteriori debbano girare alla stessa velocità media. Questo è il motivo per cui questi veicoli sono difficili da girare sul cemento quando il sistema di trazione integrale è attivato.

Inizieremo con il tipo più semplice di differenziale, chiamato un differenziale aperto. Per prima cosa avremo bisogno di esplorare un po 'di terminologia: l'immagine sotto etichetta i componenti di un differenziale aperto.

Quando un'auto percorre la strada in linea retta, entrambe le ruote motrici girano alla stessa velocità. Il pignone di ingresso sta ruotando la corona dentata e la gabbia e nessuno dei pignoni all'interno della gabbia sta ruotando: entrambi gli ingranaggi laterali sono effettivamente bloccati alla gabbia.

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Animazione per gentile concessione di Geebee's Vector Animations

Notare che il pignone di ingresso è un ingranaggio più piccolo della corona dentata; questa è l'ultima riduzione di marcia dell'auto. Potresti aver sentito termini come rapporto al ponte posteriore o rapporto di trasmissione finale. Si riferiscono al rapporto di trasmissione nel differenziale. Se il rapporto di trasmissione finale è 4,10, la corona dentata ha 4,10 volte il numero di denti del pignone di ingresso. Vedere Come funzionano gli ingranaggi per ulteriori informazioni sui rapporti del cambio.

Quando un'auto fa una svolta, le ruote devono girare a velocità diverse.

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Nella figura sopra, puoi vedere che i pignoni nella gabbia iniziano a girare quando l'auto inizia a girare, consentendo alle ruote di muoversi a velocità diverse. La ruota interna gira più lentamente della gabbia, mentre la ruota esterna gira più velocemente.

Differenziale aperto - Diritto (600KB)

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Differenziale aperto - Rotazione (1,1 MB)

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Il differenziale aperto applica sempre la stessa quantità di coppia a ciascuna ruota. Ci sono due fattori che determinano la quantità di coppia che può essere applicata alle ruote: attrezzatura e trazione. In condizioni di asciutto, quando c'è molta trazione, la quantità di coppia applicata alle ruote è limitata dal motore e dal cambio; in una situazione di bassa trazione, come quando si guida su ghiaccio, la quantità di coppia è limitata alla quantità massima che non causerà lo slittamento della ruota in quelle condizioni. Quindi, anche se un'auto può essere in grado di produrre più coppia, deve esserci una trazione sufficiente per trasmettere quella coppia al suolo. Se dai all'auto più benzina dopo che le ruote iniziano a slittare, le ruote gireranno più velocemente.

Sul ghiaccio sottile

Se hai mai guidato sul ghiaccio, potresti essere a conoscenza di un trucco che semplifica l'accelerazione: se inizi in seconda o anche in terza, invece che in prima, a causa del cambio nella trasmissione avrai a disposizione meno coppia alle ruote. In questo modo sarà più facile accelerare senza far girare le ruote.

Ora cosa succede se una delle ruote motrici ha una buona trazione e l'altra è sul ghiaccio? È qui che entra in gioco il problema con i differenziali aperti.

Ricorda che il differenziale aperto applica sempre la stessa coppia a entrambe le ruote e la quantità massima di coppia è limitata alla quantità massima che non farà slittare le ruote. Non serve molta coppia per far scivolare uno pneumatico sul ghiaccio. E quando la ruota con una buona trazione ottiene solo la minima quantità di coppia che può essere applicata alla ruota con meno trazione, la tua auto non si muoverà molto.

Fuori strada

Un altro momento in cui i differenziali aperti potrebbero metterti nei guai è quando stai guidando fuoristrada. Se hai un camion a quattro ruote motrici, o un SUV, con differenziale aperto sia davanti che dietro, potresti rimanere bloccato. Ora, ricorda: come accennato nella pagina precedente, il differenziale aperto applica sempre la stessa coppia a entrambe le ruote. Se una delle gomme anteriori e una delle gomme posteriori si staccano da terra, gireranno impotenti nell'aria e non sarai in grado di muoverti affatto.

La soluzione a questi problemi è il differenziale di slittamento limitato (LSD), a volte chiamato positività. I differenziali a slittamento limitato utilizzano vari meccanismi per consentire la normale azione differenziale durante le svolte. Quando una ruota slitta, consentono di trasferire più coppia alla ruota antiscivolo.

Le prossime sezioni descriveranno in dettaglio alcuni dei diversi tipi di differenziali a slittamento limitato, tra cui l'LSD di tipo a frizione, l'accoppiamento viscoso, il differenziale autobloccante e il differenziale Torsen.

Il differenziale a slittamento limitato di tipo a frizione aggiunge un pacco molle e un set di frizioni al differenziale aperto. Immagine per gentile concessione della divisione Torque Control Products di Eaton Automotive Group

L'LSD a frizione è probabilmente la versione più comune del differenziale a slittamento limitato

Questo tipo di LSD ha tutti gli stessi componenti di un differenziale aperto, ma aggiunge a pacchetto di primavera e una serie di frizioni. Alcuni di questi hanno una frizione a cono che è proprio come i sincronizzatori in una trasmissione manuale.

Il pacco molle spinge gli ingranaggi laterali contro le frizioni, che sono attaccate alla gabbia. Entrambe le marce laterali girano con la gabbia quando entrambe le ruote si muovono alla stessa velocità e le frizioni non sono realmente necessarie - l'unica volta che le frizioni entrano è quando succede qualcosa che fa girare una ruota più velocemente dell'altra, come in una svolta. Le frizioni combattono questo comportamento, desiderando che entrambe le ruote vadano alla stessa velocità. Se una ruota vuole girare più velocemente dell'altra, deve prima sopraffare la frizione. La rigidità delle molle unita all'attrito della frizione determinano quanta coppia ci vuole per sopraffarla.

Tornando alla situazione in cui una ruota motrice è sul ghiaccio e l'altra ha una buona trazione: con questo differenziale a slittamento limitato, anche se la ruota sul ghiaccio non è in grado di trasmettere molta coppia al suolo, l'altra ruota lo farà ottenere ancora la coppia necessaria per muoversi. La coppia fornita alla ruota non sul ghiaccio è uguale alla quantità di coppia necessaria per sopraffare le frizioni. Il risultato è che puoi andare avanti, anche se non con tutta la potenza della tua auto.

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Il accoppiamento viscoso si trova spesso nei veicoli a trazione integrale. È comunemente usato per collegare le ruote posteriori alle ruote anteriori in modo che quando un set di ruote inizia a slittare, la coppia verrà trasferita all'altro set.

L'accoppiamento viscoso ha due serie di piastre all'interno di un alloggiamento sigillato riempito con un fluido denso, come mostrato di seguito. Un set di piastre è collegato a ciascun albero di uscita. In condizioni normali, entrambi i set di piastre e il fluido viscoso ruotano alla stessa velocità. Quando un set di ruote cerca di girare più velocemente, forse perché sta slittando, il set di piastre corrispondente a quelle ruote gira più velocemente dell'altro. Il fluido viscoso, incastrato tra le piastre, cerca di raggiungere i dischi più veloci, trascinando i dischi più lenti. Questo trasferisce più coppia alle ruote che si muovono più lentamente, le ruote che non slittano.

Quando un'auto sta girando, la differenza di velocità tra le ruote non è così grande come quando una ruota sta slittando. Più velocemente le piastre ruotano l'una rispetto all'altra, maggiore è la coppia trasferita dall'accoppiamento viscoso. L'accoppiamento non interferisce con le svolte perché la quantità di coppia trasferita durante una svolta è molto piccola. Tuttavia, questo evidenzia anche uno svantaggio dell'accoppiamento viscoso: non si verificherà alcun trasferimento di coppia fino a quando una ruota non inizia effettivamente a slittare.

Un semplice esperimento con un uovo aiuterà a spiegare il comportamento dell'accoppiamento viscoso. Se metti un uovo sul tavolo della cucina, il guscio e il tuorlo sono entrambi fermi. Se fai girare l'uovo all'improvviso, il guscio si muoverà a una velocità maggiore del tuorlo per un secondo, ma il tuorlo raggiungerà rapidamente. Per dimostrare che il tuorlo sta girando, una volta che l'uovo gira velocemente, fermalo e poi lascialo andare: l'uovo inizierà a girare di nuovo (a meno che non sia sodo). In questo esperimento, abbiamo utilizzato l'attrito tra il guscio e il tuorlo per applicare forza al tuorlo, accelerandolo. Quando abbiamo fermato il guscio, quell'attrito - tra il tuorlo ancora in movimento e il guscio - ha applicato forza al guscio, facendolo accelerare. In un accoppiamento viscoso, la forza viene applicata tra il fluido e i set di piastre allo stesso modo che tra il tuorlo e il guscio.

Immagine per gentile concessione della divisione Torque Control Products di Eaton Automotive Group

Il differenziale autobloccante è utile per veicoli fuoristrada seri. Questo tipo di differenziale ha le stesse parti di un differenziale aperto, ma aggiunge un meccanismo elettrico, pneumatico o idraulico per bloccare insieme i due pignoni di uscita.

Questo meccanismo viene solitamente attivato manualmente tramite interruttore e, quando attivato, entrambe le ruote gireranno alla stessa velocità. Se una ruota finisce da terra, l'altra non se ne accorgerà né si preoccuperà. Entrambe le ruote continueranno a girare alla stessa velocità come se nulla fosse cambiato.

Il Differenziale di Torsen* è un dispositivo puramente meccanico; non ha elettronica, frizioni o fluidi viscosi.

-Il Torsen (da Torque Sensing) funziona come un differenziale aperto quando la quantità di coppia che va a ciascuna ruota è uguale. Non appena una ruota inizia a perdere aderenza, la differenza di coppia fa sì che gli ingranaggi del differenziale Torsen si leghino insieme. Il design degli ingranaggi nel differenziale determina il rapporto di polarizzazione della coppia. Ad esempio, se un particolare differenziale Torsen è progettato con un bias ratio di 5: 1, è in grado di applicare fino a cinque volte più coppia alla ruota che ha una buona trazione.

Questi dispositivi sono spesso utilizzati nei veicoli a trazione integrale ad alte prestazioni. Come l'accoppiamento viscoso, sono spesso utilizzati per trasferire la potenza tra le ruote anteriori e posteriori. In questa applicazione, il Torsen è superiore all'accoppiamento viscoso perché trasferisce la coppia alle ruote stabili prima che si verifichi lo slittamento effettivo.

Tuttavia, se un set di ruote perde completamente trazione, il differenziale Torsen non sarà in grado di fornire alcuna coppia all'altro set di ruote. Il rapporto di polarizzazione determina la quantità di coppia che può essere trasferita e cinque volte zero è zero.

*TORSEN è un marchio registrato di Zexel Torsen, Inc.

Hummer!

L'HMMWV, o Hummer, utilizza differenziali Torsen® sugli assi anteriore e posteriore. Il manuale del proprietario dell'Hummer propone una nuova soluzione al problema di una ruota che si stacca da terra: azionare i freni. Applicando i freni, la coppia viene applicata alla ruota che è in aria, quindi cinque volte quella coppia può andare alla ruota con una buona trazione.

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Altri ottimi link

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