Come la maggior parte delle cose sulle automobili moderne, il semplice ingranaggio noto come differenziale ha visto un costante perfezionamento e sperimentazione, portando a una gamma di tipi ciascuno con i propri vantaggi e svantaggi.
Il concetto del differenziale – cioè di permettere alle ruote montate sullo stesso asse di ruotare indipendentemente l’una dall’altra – è un disegno antico, con la prima istanza nota del suo uso registrata in Cina durante il i millennio AC.,
Anche se questo era molto prima dell’invenzione dell’automobile, carri, carri e carri soffrivano ancora dello stesso problema di una ruota che scivolava o si trascinava in curva, aumentando l’usura e danneggiando le strade.
L’avvento di motori che alimentano ruote anteriori o posteriori per spingere un veicolo invece di trascinarli semplicemente via cavallo ha aggiunto un nuovo problema da superare – come consentire la rotazione indipendente pur essendo in grado di alimentare entrambe le ruote.
Le prime automobili non si preoccupavano di provare, semplicemente alimentavano solo una ruota su un asse indipendente., Ma questo era tutt’altro che ideale in quanto significava che erano sottodimensionati e incontravano frequenti problemi di trazione su qualcosa di diverso da un terreno solido e pianeggiante.
Alla fine questo ha portato allo sviluppo del Differenziale aperto prima che altri tipi più complicati fossero sviluppati per superare condizioni di guida più complesse.,
Guarda questo video che spiega con immagini 3D come funzionano i seguenti tipi di differenziale:
Differenziale aperto:
Un differenziale nella sua forma più elementare comprende due metà di un asse con un ingranaggio su ciascuna estremità, collegati tra loro da una terza marcia che compone tre lati di un quadrato. Questo di solito è integrato da una quarta marcia per una maggiore forza, completando il quadrato.,
Questa unità di base viene quindi ulteriormente aumentata da un ingranaggio ad anello aggiunto alla cassa differenziale che contiene gli ingranaggi di base – e questo ingranaggio ad anello consente di alimentare le ruote collegandosi all’albero di trasmissione tramite un pignone.
In questo esempio è possibile vedere i tre lati dell’ingranaggio interno che compongono il meccanismo principale, con l’ingranaggio blu più grande che rappresenta l’ingranaggio ad anello che si collegherebbe all’albero motore., L’immagine a sinistra mostra il differenziale con entrambe le ruote che girano alla stessa velocità, mentre l’immagine a destra illustra come le marce interne si innestano quando una ruota gira più lentamente dell’altra.
Questa disposizione di ingranaggi costituisce il differenziale di tipo aperto ed è il tipo più comune di differenziale automobilistico da cui derivano sistemi più complicati.,
Il vantaggio di questo tipo è principalmente limitato alla funzione di base di qualsiasi differenziale come descritto in precedenza, concentrandosi principalmente sul consentire all’asse di curvare in modo più efficace consentendo alla ruota all’esterno della curva di muoversi ad una velocità più veloce rispetto alla ruota interna in quanto copre più terreno. Beneficia anche del suo design di base relativamente economico da produrre.,
Lo svantaggio di questo tipo è che poiché la coppia è divisa uniformemente tra entrambe le ruote, la quantità di potenza che può essere trasmessa attraverso le ruote è limitata dalla ruota con la più bassa quantità di aderenza.
Una volta raggiunto il limite di trazione di entrambe le ruote combinate, la ruota con la più bassa quantità di trazione inizierà a girare, riducendo ulteriormente tale limite poiché c’è ancora meno resistenza dalla ruota già in rotazione.,
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Differenziale bloccato:
Il differenziale bloccato o di bloccaggio è una variante che si trova su alcuni veicoli, principalmente quelli che vanno fuori strada. È essenzialmente un differenziale aperto con la possibilità di essere bloccato in posizione per creare un asse fisso invece di uno indipendente. Ciò può avvenire manualmente o elettronicamente a seconda della tecnologia del veicolo.
Il vantaggio di un differenziale bloccato è che è in grado di ottenere una quantità considerevolmente maggiore di trazione rispetto a un differenziale aperto., Poiché la coppia non è equamente divisa 50/50 può incanalare più coppia alla ruota che ha la migliore trazione – e non è limitata dalla trazione inferiore dell’altra ruota in un dato momento.
Poiché è improbabile che si viaggi a velocità e di solito si viaggia su terreni sconnessi, il problema della resistenza e dell’usura degli pneumatici in curva su un asse fisso è meno problematico.,
Uno svantaggio delle differenze bloccate è chiamato legame, che si verifica quando l’energia rotazionale in eccesso (coppia) viene accumulata all’interno del treno di trasmissione e necessita di rilascio, tipicamente ottenuto dalle ruote che lasciano il terreno per ripristinare la posizione. O semplicemente rilasciando le serrature una volta che non sono più necessari.
Immagina un lungo tubo di cartone tenuto a ciascuna estremità, e poi torcendo il tubo in direzioni opposte fino al punto in cui il tubo non poteva più resistere alla forza e si piega e si strappa – è vincolante., Succede perché le ruote si muovono a velocità diverse che torce gli assi e mette maggiore pressione sugli ingranaggi-ma il carico sulle ruote e la loro maggiore trazione è sufficiente per evitare che i pneumatici scivolino per rilasciare la pressione.
Differenziale saldato / Spool:
I differenziali saldati sono essenzialmente gli stessi di un differenziale bloccato, solo che è stato saldato in modo permanente da un differenziale aperto in un asse fisso (noto anche come diff spool.,) Questo di solito viene fatto solo in circostanze specifiche in cui le caratteristiche del differenziale bloccato/asse fisso, che rende più facile mantenere entrambe le ruote che girano contemporaneamente, sono desiderabili, ad esempio, nelle auto destinate alla deriva.
In genere non è raccomandato in quanto il calore derivante dalla saldatura può compromettere la resistenza dei componenti e aumentare il rischio di guasti catastrofici delle parti, potenzialmente anche con conseguente rottura degli ingranaggi differenziali che esplodono attraverso l’involucro diff e rappresentano un pericolo per altri utenti della strada e pedoni.,
Differenziale a slittamento limitato:
Il lavoro di LSD per combinare i vantaggi dei differenziali aperti e bloccati attraverso un sistema più complicato. Ci sono due categorie che utilizzano diverse forme di resistenza per ottenere lo stesso effetto:
Frizione meccanica LSD:
Questo tipo di LSD circonda lo stesso ingranaggio centrale visto nel diff aperto con una coppia di anelli di pressione, che esercitano forza su due serie di piastre frizione posizionate a fianco degli ingranaggi., Ciò fornisce la resistenza alla rotazione indipendente delle ruote che cambiano l’effetto del differenziale da aperto a bloccato – e fornendogli la trazione aumentata questo tipo trae giovamento da sopra un differenziale aperto.
In questo spaccato, è possibile vedere gli anelli di pressione (anche tagliati) che circondano gli ingranaggi centrali, che sono forzati a parte dai perni centrali che spingono contro le superfici angolate in rotazione., Questo movimento spinge gli anelli di pressione sui pacchi frizione (giallo e blu) su entrambi i lati, generando resistenza e cambiando il comportamento dell’asse da un tipo aperto a un tipo fisso di effetto.
Gli LSD della frizione meccanica sono ulteriormente suddivisi in sottotipi che si comportano in modi leggermente diversi e si alterano quando viene esercitata la pressione sulle piastre della frizione e sugli anelli di pressione:
- In un LSD a senso unico, la pressione viene esercitata solo in accelerazione., Ciò significa che in curva e fuori dalla corrente il diff si comporta come un tipo aperto, permettendo loro di girare indipendentemente – ma in accelerazione la rotazione forzata del differenziale crea attrito nelle piastre della frizione, bloccandole in posizione per ottenere più trazione.
- Un LSD bidirezionale fa un ulteriore passo avanti ed esercita una pressione anche sulle piastre della frizione in decelerazione, nel tentativo di migliorare la stabilità in frenata su superfici stradali variabili.,
- L’one and half way tenta nuovamente di combinare il meglio di entrambi i sottotipi, esercitando una maggiore quantità di pressione in accelerazione e una minore quantità in decelerazione.
L’aspetto negativo degli LSD meccanici è che richiedono una manutenzione regolare per mantenersi operativi e sono soggetti a usura completa, rendendo costosa la sostituzione delle parti.
LSD viscoso:
Il secondo tipo di differenziale a slittamento limitato, utilizza invece un liquido denso al posto delle frizioni per creare la resistenza necessaria ad alterare il comportamento dei differenziali tra aperto e bloccato., A causa di avere meno parti in movimento di un LSD meccanico, VLSD sono più semplici, ma hanno anche una gamma più ampia di vantaggi e svantaggi in confronto.
Nel loro funzionamento di base l’effetto è più fluido nell’applicazione rispetto agli LSD meccanici, poiché la resistenza si costruisce all’unisono con la velocità a cui le ruote viaggiano rispetto al caso differenziale, fornendo un aumento molto graduale.
I VLSD sono anche in grado di indirizzare la coppia in modo più efficace alla ruota che ha più trazione., Poiché il fluido agisce per essere resistente sotto la velocità, se una ruota perde mai trazione e gira la differenza di velocità tra le due ruote all’interno del differenziale crea più resistenza sulla ruota in movimento più lento – incanalando più coppia dall’albero di trasmissione ad esso.
I VLSD diventano meno efficaci con l’uso prolungato, poiché il fluido riscalda diventa meno viscosa e fornisce meno resistenza. Inoltre, non può bloccarsi completamente come un LSD meccanico a causa del fatto che un fluido non è in grado di fornire una resistenza assoluta in uno spazio adeguato.,
Uno svantaggio con LSD sia meccanici che viscosi è che il sistema non incanala sempre la coppia in modo efficace durante le curve ad alta velocità, poiché può interpretare la ruota esterna in movimento più veloce come una perdita di trazione. Quindi dirige la coppia alla ruota interna, generando sovrasterzo / sottosterzo nel momento opposto a quando è necessario.
Differenziale Torsen:
Il differenziale Torsen (Torque – Sensing) impiega l’uso di alcuni ingranaggi intelligenti per produrre lo stesso effetto di un differenziale a slittamento limitato senza la necessità di frizioni o resistenza al fluido.,
Si ottiene questo con l’aggiunta di uno strato di ingranaggi a vite senza fine per la tradizionale gear set up di un differenziale aperto. Questi gruppi di ingranaggi a vite senza fine che agiscono su ciascun asse forniscono la resistenza necessaria per consentire il trasferimento della coppia, che raggiunge quindi avendo gli ingranaggi a vite senza fine in maglia costante tra loro tramite ingranaggi cilindrici collegati.
La prima e la seconda immagine mostrano le tre coppie di ingranaggi a vite senza fine collegate a ciascuna metà dell’asse – con gli ingranaggi cilindrici all’estremità di ogni vite senza fine che collegano le coppie., È questa connessione che trasferisce la coppia da una ruota all’altra, una volta che un asse inizia a ruotare più velocemente dell’altro. Mentre la prima e la seconda immagine sono del progetto originale torsen, la terza immagine è della seconda versione del differenziale torsen. Il design più recente ha riposizionato gli ingranaggi dei vermi per essere in linea con gli assi, ma ancora eseguire la stessa azione meccanica. Ogni ingranaggio a vite senza fine è ancora in contatto con la sua coppia e solo un lato dell’asse con spazi nell’ingranaggio rimuove la rete con l’altro lato.,
La maglia costante fra i due lati del differenziale ha il vantaggio aggiunto di trasferire immediatamente la coppia di torsione, rendente estremamente rispondente al cambiamento delle condizioni stradali e di guida.
Mentre un differenziale aperto deve sempre dividere la sua coppia divisa 50/50 tra ogni ruota, il differenziale Torsen è in grado di dirigere una percentuale maggiore di coppia attraverso una ruota a seconda dei rapporti degli ingranaggi., Ciò rimuove la limitazione di potenza che i differenziali aperti soffrono perché la quantità di coppia disponibile non viene limitata dalla quantità di trazione in entrambe le ruote.
Inoltre, l’ingranaggio può anche essere lavorato in modo tale da conferire un diverso rapporto di resistenza durante l’accelerazione e la decelerazione nello stesso modo in cui un differenziale a slittamento limitato a metà strada fa.,
Tutto questo ottenuto meccanicamente senza l’uso di elettronica o qualsiasi forma di parte deperibile essere sacrificato per attrito, e nel complesso il differenziale Torsen è il sistema meccanico superiore che combina i vantaggi primari di tutti i tipi differenziali precedenti elencati.,
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Differenziale Attivo:
Molto simile ad un differenziale a slittamento limitato, il differenziale attivo ancora si avvale di meccanismi per fornire la resistenza necessaria per il trasferimento di coppia di torsione da un lato all’altro – ma piuttosto che fare affidamento esclusivamente meccanica di forza, queste frizioni può essere attivata elettronicamente.
Il differenziale attivo può utilizzare l’elettronica per alterare artificialmente le forze meccaniche che il sistema sta vivendo attraverso il cambiamento delle condizioni di guida., Questo li rende controllabili e quindi programmabili, e impiegando una gamma di sensori in tutto il veicolo un computer può rilevare automaticamente quali ruote motrici per dirigere l’alimentazione e quando.
Questo migliora drasticamente le prestazioni, specialmente su superfici stradali imperfette, ed è particolarmente favorito dai piloti di rally le cui auto sopportano condizioni di guida in rapida evoluzione e necessitano di un sistema in grado di tenere il passo con le loro continue regolazioni del veicolo.,
Coppia Vectoring Differenziale:
Il TVD prende questo sistema elettronicamente migliorato ancora di più, utilizzando per manipolare l’angolo, o vettore, del veicolo dentro e fuori delle curve, incoraggiando ruote specifiche per ricevere più coppia nei momenti chiave – migliorare le prestazioni in curva.
Attivando la frizione opposta a quella che normalmente si innesta un LSD a comando puramente meccanico, è possibile utilizzare l’effetto per aiutare con lo sterzo, riducendo al contempo la potenza, superando le carenze del sistema LSD.,
All’ingresso in curva, un LSD a più vie esercita resistenza su entrambe le ruote per bloccare almeno parzialmente l’asse e stabilizzarlo in frenata-che viene poi rilasciato quando la velocità della ruota diminuisce e il veicolo si gira, consentendo alle ruote di ruotare a velocità diverse .
Tuttavia, invece di rilasciare la resistenza su entrambe le ruote, un TVD continua ad attivare la frizione solo sulla ruota esterna, aumentando la resistenza sperimentata da quella ruota e rendendo il canale del sistema più coppia attraverso di essa., Questo squilibrio di potenza verso l’esterno incoraggia il veicolo a girare nell’angolo più nitido e riducendo il sottosterzo.
Continuando ad applicare questa resistenza attraverso l’angolo, mentre il veicolo passa l’apice e inizia ad accelerare, continuerà a ignorare un normale multiway-LSD – che interpreterebbe nuovamente la ruota esterna in movimento più veloce come scivolamento e deviare la coppia durante l’accelerazione verso la ruota interna, che percepisce come avere più aderenza.,
Con il TVD che esercita una maggiore resistenza sulla frizione delle ruote esterne, induce il sistema a deviare più coppia attraverso di esso – aumentando la potenza di quantità che può essere applicata e riducendo il sottosterzo sperimentato in accelerazione fuori da una curva.
La freccia gialla evidenzia il trasferimento di coppia che avviene attraverso l’angolo, generato dalla resistenza artificiale esercitata dal TVD sulla ruota esterna. Ciò consente una maggiore accelerazione fuori dall’angolo mentre la capacità di svolta dell’auto aumenta.,
Un differenziale Torque Vectoring è in grado di convogliare il 100% della coppia disponibile attraverso una singola ruota quando necessario nelle circostanze più estreme.
L’aspetto negativo del sistema è che è molto complicato e molto costoso, e in genere utilizzato solo per applicazioni da corsa/pista per il suo potenziale di curva ad alta velocità.
Ogni sistema ha i suoi vantaggi e svantaggi, e anche se i sistemi più complicati sono generalmente superiori hanno un costo collegato che supera di gran lunga i sistemi più semplici.,
Come con tutto automotive, quanto beneficio si otterrà da ogni sistema viene a giù a che cosa esattamente si farà con il vostro veicolo e che cosa avete bisogno il differenziale per essere in grado di. Non avrai molto bisogno di un differenziale di Vectoring della coppia quando visiti il supermercato locale, a meno che tu non abbia voglia di te stesso nel prossimo WRC e possa permetterti le multe, ma potresti voler un differenziale di bloccaggio se ti capita di vivere in una località rurale meglio accessibile da un fuoristrada.