Bloccaggio del differenziale: Come lo si ottiene?

In alcuni precedenti articoli si è parlato dei differenziali (come il Salisbury o quello impiegato nel Dynamic Performance Control della BMW) e dell’esigenza di bloccaggio del differenziale.

In questo articolo parleremo di come si può ottenere, concettualmente, il bloccaggio di un differenziale. Innanzitutto un differenziale concepito per non essere bloccato, non è detto che lo si possa bloccare senza incorrere in problemi.

Si immagini di partire da un differenziale a ruote coniche “standard”, rappresentando un solo satellite (per facilitare la schematizzazione).

Prima soluzione concettuale:

Si potrebbe pensare di bloccare un differenziale eliminando lo spostamento relativo della ruota solare rispetto al portasatelliti (rimuovendo l’unico grado di libertà che ha l’inversore di velocità), realizzando almeno un foro nel portasatelliti ed inserendo una spina al suo interno. La spina è collegata ad un collare traslante assialmente rispetto al portasatelliti e nel collare s’impegna una forchetta o una leva oscillante rispetto al telaio.

Facendo ruotare la leva (verso sinistra), il collare avanza (verso destra), le spine avanzano (verso destra) e vanno ad interferire con la ruota solare che dovrà essere provvista di un numero di fori pari al numero delle spine (sul dorso della ruota solare si ricavano n fori per le n spine).

Con la spina inserita nel foro, la ruota solare non può più ruotare rispetto al portasatelliti; tale ruota ingrana con il satellite, che quindi non può più ruotare rispetto al portasatelliti e quindi anche il semiasse di destra non può più ruotare (rispetto al portasatelliti); i due semiassi non possono più ruotare uno rispetto all’altro, è come se facessero parte dello stesso membro.

Utilizzando questo tipo di bloccaggio, si potrebbe però correre il rischio di rompere il differenziale quando lo si blocca; per evitare che ciò accada, bisogna valutare il caso peggiore possibile, ossia quando il differenziale è soggetto al massimo momento applicabile (con differenziale “libero”), che indico con Mo.

Per valutare tale soluzione, si vadano a confrontare le forze e i momenti applicati al differenziale nel caso di differenziale “libero” (cioè standard, non bloccato) e differenziale “bloccato” (con questo sistema) in due situazioni particolari.

1) Bassa aderenza sul lato opposto alle spine:

Si supponga di avere una pozzanghera ghiacciata sotto la ruota destra:Si applichi al portasatelliti il momento Mo (quello in alto) diretto come in figura; la ruota destra è su ghiaccio, la ruota sinistra su asfalto asciutto, si faccia slittare la frizione (per avere il massimo momento trasmissibile); si consideri che la ruota in condizioni di buona aderenza (la sinistra) non slitti e quindi neanche l’altra si metterà a pattinare sul ghiaccio. Le due ruote rimangono ferme, solo la frizione sta slittando.

Le parti più deboli del differenziale tendono ad essere o gli alberi (i semiassi in qualche sezione) o le dentature; sul semiasse destro, in questo caso, non c’è momento torcente perché la ruota destra è sul ghiaccio; non ci sono reazioni tra la ruota solare di destra e il satellite; il satellite, trascurando l’attrito in tutte le coppie rotoidali presenti, è in equilibrio alla rotazione attorno al suo asse;

In generale questo satellite riceve una reazione dalla ruota solare di destra e dalla ruota solare di sinistra; all’equilibrio alla rotazione del satellite attorno al suo asse, partecipano solo i momenti delle componenti tangenziali delle due reazioni. Il braccio di queste due reazioni è il medesimo, l’intensità di queste due reazioni è la stessa. Le reazioni tra le dentature delle ruote sono nulle e i denti non corrono il rischio di rompersi.

Il momento Mo viene trasmesso al semiasse di sinistra tramite la ruota solare di sinistra, sfruttando però il dorso di tale ruota dentata e non la dentatura; ora il momento torcente sul semiasse di destra è nullo, quello sul semiasse di sinistra vale Mo (il doppio di quello che si avrebbe nel caso peggiore, con differenziale non bloccato, quindi il semiasse deve reggere) e le dentature sono scariche.

2) Bassa aderenza sul lato delle spine:

Ora si consideri il medesimo sistema di bloccaggio, ma con il ghiaccio collocato sotto la ruota sinistra.Ora il momento torcente sull’albero di sinistra è nullo, quello sul semiasse di destra è Mo; la componente tangenziale della reazione del satellite sulla ruota solare di destra vale Mo/R (R è la distanza tra l’asse del differenziale e la zona di contatto tra satellite e ruote solari).

Le dentature sono caricate da reazioni con componente tangenziale pari a Mo/R; a differenziale non bloccato però, quando è applicato Mo (quello massimo possibile, al portsatelliti), sul semiasse di sinistra è applicato il momento torcente Mo/2, quello sul semiasse destro è Mo/2 e le componenti di reazione (nelle zone di contatto tra satellite e ruote solari) hanno intensità Mo/4.

Quindi quando c’è ghiaccio a sinistra (stesso lato in cui vi sono le spine) si corre il rischio di danneggiare le dentature perché le reazioni sono doppie rispetto a quelle che avevo nel caso di differenziale “libero”; quando il ghiaccio è sul lato opposto (rispetto alle spine) non si riscontrano problemi di rotture.

Però il ghiaccio può passare tranquillamente da una parte all’altra e quindi si corrono sempre dei rischi; piuttosto che rimanere senza differenziale, conviene rimanere senza spine e quindi si realizzano spine non molto robuste  in modo tale che, all’occorrenza, siano loro a rompersi.

Questo prima sistema di bloccaggio, è abbastanza semplice ed economico, ma presenta un’asimmetria di comportamento. Esso però concettualmente, mostra bene come si possa bloccare un differenziale, quando se ne ha la necessità.

In un altro articolo parleremo di un’altra possibilità di bloccaggio del differenziale, senza differenza di comportamento in relazione alla posizione della ruota con meno aderenza.