IL DIFFERENZIALE

[desertstorm]

Amici, ho trovato questo bellissimo video che spiega in modo eccellente il funzionamento del differenziale nelle auto. Per chi non ha bene in mente il concetto

[Mouze69]

Grazie, davvero interessante e di facile comprensione.

[desertstorm]

Figurati , Nemmeno io avevo mai veramente capito il funzionamento

Ora sto provando a cercare il video del differenziale autobloccante, quello che monta, nello specifico, anche la 147 Q2.

Ha la caratteristica (specie nelle curve ad alta velocità) di trasferire la percentuale di coppia della ruota interna, con poca aderenza ed in alcuni casi con aderenza quasi nulla per via della forza centrifuga che alleggerisce il carico sulla ruota stessa, alla ruota esterna. Migliorando tenuta e stabiltà.
Un pò come eLSD di Saab sulla turbo x.

Ma non riesco a trovarlo

[desertstorm]

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Nelle piste d’atletica, a fronte di traguardi coincidenti per tutte le corsie, i riferimenti per le partenze sono sfalsati: chi corre nell’anello più interno del tracciato parte in posizione arretrata rispetto a chi percorre le corsie più esterne. Per comprendere il perché di questa scelta dobbiamo ricordarci un po’ di geometria: la circonferenza si ottiene moltiplicando il raggio "r" per il doppio di 3,14 (il "pi greco"). Quindi più ci si avvicina al centro, minore sarà il valore di "r", minore sarà il valore della circonferenza. Allo stesso modo si comportano gli "archi di circonferenza" e, siccome una curva è grossomodo assimilabile ad un arco di circonferenza, è chiaro che, nel percorrere la curva, chi è più vicino al centro della stessa dovrà coprire, di fatto, meno strada.

Come il corridore che corre nella corsia interna percorrerà meno strada rispetto a chi corre nelle corsie più esterne, così quando si sterza, le ruote interne alla curva percorrono meno strada rispetto alle ruote esterne. Però, a differenza dei corridori, che sono autonomi, le ruote dell’auto sono parte integrante di un’unica entità, di conseguenza, necessita che, sia le ruote esterne sia quelle interne, percorrano la curva nello stesso tempo. Se le ruote esterne, come abbiamo visto, fanno più strada delle interne, per coprire lo stesso percorso nello stesso tempo queste devono andare necessariamente più veloci.

Ora, fin quando si tratta di ruote non motrici, il problema non si pone: è la fisica che s’accolla l’onere di regolarne il moto; ma quando si tratta di ruote motrici il problema si complica. Serve un dispositivo che, quando le ruote sono parallele rispetto al senso di marcia, le faccia marciare alla stessa velocità (pena la deriva a destra o a sinistra), e quando sono sterzate provveda in maniera del tutto automatica a ripartire esattamente la velocità tra le due. Ecco a che serve il differenziale. Questo articolo cerca di spiegare semplicemente il differenziale e di offrire una panoramica (non completa ovviamente) su questo dispositivo dove, nella maggioranza dei casi, la potenza del motore fa la sua ultima tappa prima di far girare le ruote.

Cos’è?

Il differenziale è stato inventato da un ingegnere scozzese ormai più di un secolo e mezzo fa, ed è diventato rapidamente l’elemento chiave del sistema di trasmissione (o catena cinematica) di ogni veicolo con più di due ruote. Il differenziale è un dispositivo che riceve la coppia del motore da un albero e lo ripartisce su altri due, 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 spesso uno anche tra avantreno e retrotreno. Questo differenziale epicicloidale divide la coppia in modo diverso tra i due alberi in uscita e serve a far prevalere la coppia su uno dei due assi.

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Come è fatto

L’albero secondario (d’uscita) del cambio costituisce il primo componente del differenziale, è dotata di un ingranaggio solidale con l’albero, chiamato "pignone", in presa con un altro ingranaggio, detto "corona" e decisamente più grande del primo. La corona, altro non è che la parte più esterna di una scatola cilindrica al cui interno vi è il differenziale vero e proprio. Questi due ingranaggi formano la "coppia" che può essere "conica" se prevede la rotazione ad angolo retto del movimento rotatorio degli alberi (un albero secondario longitudinale, che deve trasmettere il moto ai semiassi delle ruote che sono trasversali), o "cilindrica" se prevede il trasferimento parallelo delle forze (nel caso di cambi trasversali). All’interno della corona vi è il differenziale che è costituito da quattro ingranaggi conici, due "satelliti" e due "planetari". Ogni satellite è calettato in "folle" su un perno rigidamente collegato alla scatola, ed è in presa con entrambi i planetari. I planetari, liberi rispetto alla scatola e solidali, ognuno, con l’estremità del semiasse di una ruota motrice, sono collegati tra loro solo tramite l’interposizione dei satelliti.

Come funziona

Dai disegni, un differenziale sembra poter permettere esclusivamente il movimento in controfase delle ruote, ovvero, con una ruota che gira in avanti e l’altra che gira all’indietro. Effettivamente se si solleva l’auto e si prova a girare una delle ruote motrici, si nota che l’altra gira in controfase. Come è possibile allora che due ruote collegate in controfase, poi girino in fase, come avviene nel normale avanzamento del veicolo?

Quando l’auto è sollevata sul ponte le ruote non hanno aderenza. Il differenziale, invece, per funzionare correttamente ha bisogno che entrambe le ruote abbiano aderenza. Conseguentemente, se questa manca, applicando la forza ad una delle due ruote motrici, il differenziale non funziona correttamente, l’energia non si distribuisce agli organi di trasmissione ma è semplicemente trasferita alla ruota opposta. La scatola del differenziale, che è solidale con la corona della coppia, non ruota, è immobile. A ruotare sono esclusivamente i satelliti che si limitano a girare sul perno che li collega alla scatola.




Quando l’auto inizia a muoversi, dal secondario del cambio, il movimento giunge al pignone e da questo alla corona, che inizia a ruotare. All’interno della corona, vi è la scatola del differenziale, anch’essa messa in rotazione con la corona, in quanto solidale a quest’ultima. I due satelliti, calettati in folle su due perni nella parte interna della scatola e in posizione perfettamente ortogonale rispetto al senso di rotazione della corona, iniziano a ruotare, appunto, come satelliti, intorno ai planetari. Siccome, la dentatura conica dei satelliti è accoppiata all’omologa dei planetari, il movimento rotatorio dei satelliti deve essere accoppiato da un’ulteriore rotazione, in fase parallela, dei planetari. Questo avviene solo se, entrambi i planetari (direttamente collegati alle ruote tramite semiassi) e, quindi, le ruote, hanno aderenza sufficiente. In questo modo il gruppo "satelliti-planetari" si blocca rigidamente (il satellite è fermo rispetto al planetario, ma ruota nel complesso della scatola del differenziale, messa in rotazione dalla coppia pignone-corona), permettendo una uguale ripartizione della coppia motrice a entrambe le ruote. Questa situazione è tipica della marcia in rettilineo.

Quando si sterza accade che la ruota interna è indotta dalle stesse forze della fisica, a percorrere meno giri nell’unità di tempo, rispetto alla ruota esterna. In questa situazione si verifica una minima differenza di velocità tra i due planetari ottenibile grazie alla capacità dei satelliti di ruotare anche lungo il proprio asse longitudinale.

Questa facoltà del differenziale, di trasferire la coppia motrice da una ruota all’altra, diventa un grave problema quando una delle due gomme perde totalmente aderenza. In questo caso, il differenziale tende, a causa della sua struttura, ed erogare il 100% della coppia disponibile alla ruota priva di aderenza, lasciandoci in panne nel fango.

Questo è quello che avviene in un differenziale classico, a due satelliti. Esistono, soprattutto per le auto più potenti, differenziali con più di due satelliti e, soprattutto, differenziali bloccabili manualmente o elettronicamente o, ancora, automaticamente.




I primi, con blocco manuale sui fuoristrada e su molti mezzi agricoli e militari e con blocco elettronico su una più vasta gamma di veicoli, tramite un comando meccanico, ripartiscono rigidamente la coppia tra le ruote motrici. Ovviamente il bloccaggio manuale del differenziale va usato solo in casi di scarsissima aderenza, pena un eccessiva sollecitazione degli organi di trasmissione e un’usura decisamente irregolare dei pneumatici.

I secondi sono generalmente utilizzati sulle trazioni integrali più "borghesi", ma hanno visto la massima applicazione soprattutto sulle auto sportive, dove sono indispensabili per limitare le perdite di aderenza in accelerazione partendo da fermo, ed in uscita dalle curve. Si tratta di complessi differenziali al cui interno, oltre ai componenti classici, ci sono organi meccanici che ne causano automaticamente il blocco per attrito tra dischi, tramite fluido a densità controllata e variabile a seconda della temperatura (con l’aumentare dello slittamento tra le parti, la temperatura del fluido aumenta al punto da renderlo quasi solido e quindi irrigidire il collegamento tra il corpo conduttore e il condotto) o tramite meccaniche molto complesse, come il differenziale di tipo "Torsen". Oggi, molti differenziali autobloccanti sono a totale controllo elettronico.


Differenziale a giunto viscoso.

L’utilizzo del differenziale non è solo limitato alla distribuzione della coppia tra ruote dello stesso asse, ma anche, nelle auto a trazione integrale, per distribuire la coppia tra gli assi anteriore e posteriore.

I veicoli stradali utilizzano generalmente un differenziale che trasmette la coppia motrice generata dal motore (e moltiplicata dal cambio) a due ruote motrici, permettendo loro di ruotare a velocità diverse per esempio percorrendo una curva. I veicoli fuoristrada utilizzano invece due o tre differenziali, oltre che un riduttore che aumenta ulteriormente il valore della coppia motrice disponibile. Nei veicoli a trazione integrale permanente vi sono tre differenziali: uno centrale che ripartisce la coppia motrice ai due assi anteriore e posteriore, e uno per ogni asse che ripartisce a sua volta la coppia motrice alla ruota destra e alla ruota sinistra. In questo modo non solo le ruote da un lato possono ruotare a velocità diversa da quelle dell’altro lato, ma anche le ruote anteriori possono ruotare complessivamente a velocità diversa da quelle posteriori, come è necessario quando si percorre una curva in buone condizioni d’aderenza. Molti veicoli a trazione integrale inseribile utilizzano solo due differenziali, uno sull’asse anteriore e uno sull’asse posteriore: in questo modo i due assi sono vincolati a ruotare alla stessa velocità, e percorrendo una curva le piccole differenze di velocità di rotazione tra i due assi anteriore e posteriore dovranno essere assorbite da un leggero slittamento delle ruote rispetto al fondo stradale.




Differenziali autobloccanti

I differenziali autobloccanti sfruttano la differenza di coppia (torque sensing) o di velocità (speed sensing) tra le ruote dell’asse per compattare una serie di lamelle su dischi che lavorano a frizione. Questo è il caso del tradizionale autobloccante ZF a lamelle. In questi ultimi anni però gli si sono affiancati altri dispositivi che sfruttano altri modi di bloccaggio: meccanico (differenziale Torsen) oppure con ingranaggi immersi in un olio a densità controllata (giunto viscoso) o addirittura con una gestione elettronica che fa intervenire i freni e poi agisce sull’alimentazione del motore per impedire lo slittamento.

Gli autobloccanti vengono anche indicati come Limited Slip Differential (LSD) - Differenziale a Slittamento Limitato, a volte chiamato anche positraction. Gli LSD, qualunque meccanismo adottino, permettono un azione normale del differenziale in curva, ma quando una ruota inizia a slittare, trasferiscono più coppia alla ruota che non slitta.

Vediamo adesso alcune tipologie di LSD: a dischi (clutch-type), a giunto viscoso (viscous coupling), autobloccanti (locking) e Torsen.




Clutch-Type Limited Slip

Il differenziale autobloccante a dischi o lamelle (tipo frizione o clutch-type) è probabilmente la versione più comune. Questo tipo di LSD ha gli stessi componenti di un differenziale normale, ma aggiunge un set di molle e delle frizioni. Alcuni usano una frizione a cono che è proprio simile al sincronizzatore del cambio manuale.

Il set di molle spinge gli ingranaggi contro le frizioni che sono attaccate alla gabbia. Gli ingranaggi di entrambi i lati girano con la gabbia quando entrambe le ruote si muovono alla stessa velocità, a questo punto le frizioni non servono, entrano in gioco quando succede qualcosa che fa girare una ruote più veloce dell’altra, per esempio in curva. Le frizioni si oppongono a questo comportamento, vogliono far girare le ruote alla stessa velocità. Se una ruota vuole girare più veloce dell’altra deve prima vincere sulla frizione. La rigidezza delle molle combinata con il disco di frizione determinano quanta coppia ci vuole perché questo accada. Con questo LSD, anche se una ruota slitta e non può trasmettere molta coppia al terreno, l’altra ruota riceve comunque la coppia necessaria a muoversi. La coppia ricevuta dalla ruota che si trova in presa è uguale alla quantità di coppia che è necessaria per vincere sulle frizioni. Il risultato è che si va avanti, anche se non viene sfruttata la piena potenza della vettura.



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 cosicché 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.



Differenziale Bloccante

Il differenziale bloccante, usato su veicoli fuoristrada “seri”, condivide le parti di un differenziale normale, ma aggiunge parti elettriche, pneumatiche o idrauliche per rendere solidali i pignoni in uscita. Il meccanismo è di solito attivato manualmente con un interruttore o una leva, e quando è attivato entrambe le ruote girano alla stessa velocità. Se una ruota finisce in aria, l’altra non lo sa ne se ne importa, ed entrambe continuano a girare alla stessa velocità come se niente fosse.



Differenziale 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” perché, 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 normale 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 progetto degli ingranaggi nel differenziale determina il bias ratio di coppia. Per esempio, se un Torsen è progettato con un bias ratio (rapporto di trasferimento) di 5:1, è capace di applicare sulla ruota in trazione 5 volte più coppia della ruota che slitta. Da questo punto di vista il Torsen è superiore al viscous coupling perché trasferisce la coppia alla ruota stabile prima ancora che lo slittamento vero e proprio abbia luogo, però, se un set di ruote perde completamente trazione, il differenziale Torsen® non può fornire alcuna coppia all’altro set di ruote (5 volte di 0 è 0).

[desertstorm]

Ora dopo aver descritto il funzionamento dei vari tipi di differenziale vediamo come esso funziona sulle nostre Saab ed nello specifico, come funziona il sistema di trazione integrale di Saab.


La trazione integrale Saab XWD è costituita da una presa di forza anteriore (PTU), che attraverso un albero di trasmissione ed un ripartitore di coppia (TTD), invia la coppia motrice del motore all'assale posteriore. Il ripartitore di coppia è montato a monte di un modulo posteriore (RDM) insieme, ove presente, al differenziale autobloccante (eLSD ). Riparitore ed autobloccante dispongono entrambi di frizioni multi-disco Haldex.

Quando si parte da fermo, il ripartitore di coppia entra in funzione non appena si inserisce la marcia attivando il modulo posteriore. Una volta in movimento, una valvola inserita nel ripartitore fa variare la coppia inviata agli assali, aumentando o riducendo la pressione idraulica nei dischi frizione, in modo da inserire o disinserire progressivamente la trazione posteriore. Il grado di "slittamento" rilevato indica quanta coppia debba essere trasmessa. L'autobloccante (eLSD) utilizza lo stesso principio per ripartire la coppia tra le ruote dello stesso asse.

La centralina del sistema di trazione integrale Saab XWD riceve circa 100 informazioni al secondo da oltre 20 sensori montati sulla vettura in corrispondenza del motore, della trasmissione e dei sistemi elettronici ABS/ESC (Electronic Stability Control). I dati elaborati comprendono la velocità della vettura, la velocità di rotazione delle ruote, la forza centrifuga, la posizione dell'acceleratore, l'angolo di imbardata e l'angolo di sterzo.

L'installazione della trazione integrale Saab XWD sulle vetture della gamma 9-3 ha comportato il montaggio di un diverso semitelaio posteriore che non solo potesse accogliere il modulo posteriore e la differente geometria della sospensione posteriore con dispositivo autolivellante, ma che avesse anche una resistenza superiore del 50% alle variazioni di camber. Altre modifiche comprendono una diversa taratura di molle, ammortizzatori e barre anti-rollio anteriori e posteriori, nonchè una differente sensibilità sullo sterzo.

L'albero di trasmissione in tre parti scorre tra due supporti con giunti a velocità costante che assicurano un funzionamento fluido con minime oscillazioni torsionali e senza strappi. Le misure del passo e della carreggiata posteriore sono rimaste invariate.

la ciliegina sulla torta:

Nel sistema Saab XWD è rappresentata dal differenziale posteriore autobloccante attivo (eLSD), primo esempio di applicazione su una vettura di questo segmento di un dispositivo del genere a gestione elettronica. L'autobloccante eLSD è in grado di ripartire fino al 50% della coppia massima inviata all'assale posteriorie tra le due ruote, riconoscendo quella che ha maggiore aderenza. Se si affronta una curva a velocità sostenuta oppure si effettua un manovra ad alta velocità (come, ad esempio, un cambio di corsia), aumentando o diminuendo per un breve periodo la coppia inviata ad una delle due ruote posteriori, si permette al retrotreno della vettura di seguire meglio la direzione di quelle anteriori.

I vantaggi nella guida:

Per ottimizzare la trazione in fase di avvio, il sistema Saab XWD dispone di un innovativo dispositivo di inserimento delle ruote posteriori che, a differenza di quanto avviene sulle trazioni integrali di tipo convenzionale, non deve rilevare prima lo slittamento delle ruote anteriori per inserire la trazione anche sulle posteriori. In questo modo il guidatore può contare subito sulla massima trazione possibile e può quindi accelerare in modo deciso e fluido senza alcuna incertezza iniziale. Il tutto fa parte di un sistema che, secondo Saab, rappresenta un punto di riferimento per le prestazioni di una trazione integrale.

Oltre a garantire un comportamento sempre sicuro e prevedibile, anche in condizioni di scarsa aderenza, il sistema Saab XWD è in grado di soddisfare gli amanti della guida. Se, ad esempio, si esce da un curva con una forte accelerazione, fino all'80% della coppia motrice può essere inviato alle ruote posteriori per bilanciare la vettura. Nondimeno, se si viaggia in autostrada a velocità costante (situazione in cui non sono richieste particolari caratteristiche di trazione o di aderenza), solo il 5-10% della coppia motrice arriva alle ruote posteriore. Ciò permette di poter contare sempre sulla massima tenuta di strada, ma anche di contenere il consumo di benzina.

L'accurata ripartizione della coppia motrice sposta in alto la soglia di intervento del controllo elettronico di trazione (ESC) agendo sull'erogazione della potenza e/o sui freni e lasciando quindi maggior libertà d'azione al guidatore.


CONCLUSIONI:

La messa a punto dell'assetto della vettura e del software del sistema operativo è stata effettuata a Trollhättan, in Svezia, presso la sede storica di Saab. Per farlo i collaudatori hanno percorso più di un milione di chilometri con tutte le condizioni atmosferiche e su alcune delle più impegnative strade europee, ma anche sul famoso anello nord (Nordschleife) del circuito tedesco del Nurburgring e su alcune piste in Italia e Spagna.

«Abbiamo lavorato in modo quasi maniacale per ottimizzare il comportamento della trazione integrale Saab XWD» ricorda Anders Tysk, capo del gruppo di sviluppo. «Ripensando a tutto quello che abbiamo fatto (comprese le prove comparative con altri sistemi), a questo punto non abbiamo alcun dubbio che Saab XWD rappresenti un passo avanti nel funzionamento della trazione integrale».

Il positivo sviluppo del sistema Saab XWD ha fatto sì che il Centro Tecnico di Trollhattan era fino allo scorso febbraio considerato uno dei principali del gruppo General Motors per lo sviluppo della trazione integrale.

Ora provate a dire che bmw mercedes e audi sono meglio.......... >:]