Ogni volta che una vettura affronta una curva, le sue ruote percorrono traiettorie di raggio diverso. La ruota esterna descrive un arco più lungo di quella interna e, per compierlo nello stesso tempo, deve necessariamente girare più in fretta. Se le due ruote di uno stesso asse fossero collegate da un unico albero rigido, sarebbero costrette alla medesima velocità di rotazione: una delle due dovrebbe strisciare sull’asfalto, con usura anomala degli pneumatici, sollecitazioni elevate sugli organi della trasmissione e una perdita di aderenza proprio nel momento in cui serve di più. Il differenziale è il meccanismo che risolve questo problema: ripartisce il moto che arriva dal motore fra i due semiassi, permettendo loro di ruotare a velocità differenti senza interrompere la trasmissione della coppia.
Il differenziale classico è un rotismo epicicloidale realizzato con ingranaggi conici. Il moto arriva dall’albero di trasmissione al pignone, che ingrana con una corona di grande diametro fissata alla scatola del differenziale, detta anche gabbia portasatelliti. All’interno della gabbia sono montati due o quattro ingranaggi conici, i satelliti, liberi di ruotare attorno al proprio perno; essi ingranano a loro volta con due ulteriori ingranaggi conici, i planetari, ciascuno calettato su un semiasse. In rettilineo le due ruote girano alla stessa velocità: i satelliti non ruotano attorno al proprio asse e si limitano a trascinare i planetari, così che l’intero gruppo si comporta come un corpo unico. In curva la ruota interna rallenta e quella esterna accelera: i satelliti iniziano a girare su sé stessi, restituendo al planetario esterno esattamente i giri sottratti a quello interno. La somma delle velocità dei due semiassi resta pari al doppio della velocità di rotazione della scatola.
C’è però una conseguenza importante, che è anche il limite di questa architettura. Proprio per la geometria degli ingranaggi, il differenziale ripartisce sempre la coppia in parti uguali fra i due semiassi, indipendentemente da quanta aderenza ciascuna ruota abbia realmente a disposizione. Da qui nascono le diverse soluzioni adottate dai costruttori:
- Differenziale libero (o aperto)
- Differenziale a slittamento limitato (autobloccante meccanico)
- Differenziale bloccabile e a controllo elettronico
Differenziale libero
È la soluzione più diffusa sulle vetture di serie, perché semplice, economica, leggera e priva di manutenzione specifica. Assolve perfettamente al suo compito principale, cioè consentire la differenza di velocità in curva, ma paga il fatto di ripartire la coppia in parti uguali. Dato che una ruota può trasmettere al suolo solo la coppia che la sua aderenza consente, la coppia effettivamente sfruttabile è al massimo il doppio di quella sopportata dalla ruota messa peggio. Il caso limite è quello di una ruota motrice su ghiaccio o sollevata da terra: la sua aderenza è prossima allo zero, quindi anche la ruota in presa riceve una coppia prossima allo zero. La ruota che slitta gira vorticosamente, la vettura resta ferma. Lo stesso fenomeno, in forma attenuata, si manifesta in uscita di curva su una trazione anteriore potente, quando il trasferimento di carico alleggerisce la ruota interna e la coppia trasmissibile si riduce.
Differenziale a slittamento limitato
Per superare quel limite si introduce all’interno del meccanismo un attrito controllato, che si oppone alla differenza di velocità fra i due semiassi e trasferisce parte della coppia verso la ruota che gira più lentamente, cioè quella con maggiore aderenza. Il grado di intervento si misura con il rapporto di bloccaggio, o bias ratio: un valore di 3:1 significa che il differenziale è in grado di inviare alla ruota in presa il triplo della coppia che arriva alla ruota che slitta. Le realizzazioni meccaniche più diffuse sono due.
A pacco di frizioni. Fra i planetari e la scatola sono interposti dischi alternativamente solidali all’una e agli altri. Un precarico, ottenuto con molle a tazza, li tiene già parzialmente in presa; la spinta assiale generata dai denti conici sotto coppia aumenta poi la compressione del pacco in proporzione al carico trasmesso. È una soluzione tarabile, molto usata nelle preparazioni sportive, ma soggetta a usura dei dischi e vincolata all’impiego di lubrificanti con additivi specifici.
A ingranaggi elicoidali (tipo Torsen). Qui satelliti e planetari sono sostituiti da ruote elicoidali accoppiate secondo il principio della vite senza fine, che trasmette il moto agevolmente in un verso e con difficoltà nel verso opposto. L’attrito interno che ne deriva è proporzionale alla coppia trasmessa: il bloccaggio è nullo in rilascio e cresce con l’accelerazione, il che rende l’intervento progressivo e poco avvertibile. Il suo limite è di essere sensibile alla coppia e non alla velocità: se una ruota perde completamente aderenza, la coppia di riferimento crolla e il differenziale non ha più nulla da moltiplicare.
Differenziale bloccabile e a controllo elettronico
Sui fuoristrada si ricorre spesso al bloccaggio integrale: un innesto a denti, comandato meccanicamente, pneumaticamente o elettricamente, rende solidali scatola e semiasse, imponendo alle due ruote la stessa velocità. La trazione diventa massima, ma il differenziale cessa di svolgere la propria funzione, per cui il bloccaggio va inserito solo a bassa velocità e su fondi cedevoli e disinserito su asfalto.
Sulle vetture stradali moderne si preferisce invece l’autobloccante a controllo elettronico. Il principio meccanico resta quello del pacco di frizioni, ma la sua compressione non dipende più dal solo precarico: è un attuatore elettromeccanico o idraulico, comandato dalla centralina, a modularla in tempo reale. La centralina incrocia i dati dei sensori di velocità delle ruote, dell’angolo di sterzo, dell’accelerometro e del pedale dell’acceleratore, e decide istante per istante quanto bloccare il differenziale, arrivando a favorire deliberatamente la ruota esterna in curva per ridurre il sottosterzo. Va infine distinto da questa famiglia il cosiddetto differenziale elettronico simulato, presente su molte vetture di grande serie: in quel caso il differenziale resta libero ed è il sistema di controllo della trazione a frenare la ruota che slitta, ottenendo per via indiretta un trasferimento di coppia verso quella in aderenza.
