Il differenziale ad ingranaggi negli Automodelli RC

Tra i vari organi di trasmissione troviamo il differenziale, un dispositivo meccanico che riceve il moto dall’asse (nel nostro caso può essere da un’albero a cardano o da una cinghia),

ripartendo poi il movimento sui due semiassi, attribuendo a ciascuno di essi la velocità che gli compete in funzione della propria traiettoria: in rettilineo trasmette ugual numero di giri, in curva la ruota interna diminuisce di giri e li trasferisce a quella esterna.

Il differenziale classico che troviamo sui nostri modelli touring 1:10 ed è del tipo basico chiamato “libero” o più correttamente “Open” che, tramite i semiassi,  trasmette il moto alle ruote.

Esso è meccanicamente e concettualmente il sistema più semplice nonché il più diffuso sulle auto reali non a trazione integrale e sulla stragrande maggioranza dei nostri automodelli RC.

Gli stessi differenziali Open equipaggiano i modelli RC Buggy 1:8 a “trazione integrale permanente”; qui sono presenti ben tre differenziali: uno centrale e uno per ogni asse.

Quello centrale ripartisce la coppia ai due assi anteriore e posteriore, e i relativi differenziali la ridistribuiscono alle ruote destra e sinistra.

In questo modo si ha una differenza di velocità di rotazione sia fra anteriore e posteriore, che tra destra e sinistra.

Bene, prepariamoci ad entrare nel dettaglio sapendo che:

1 -  Usando il termine corretto “Asse” , faremo riferimento alla trazione generata, e trasmessa tramite cardano o cinghia, dal modello RC; quest’ultimo può essere con trazione anteriore, posteriore o integrale.

2 - Se esaminiamo un modello a trazione anteriore, l’asse diventa appunto quello anteriore, ed il semiasse, si colloca come la parte di esso che porta dal differenziale stesso alle ruote motrici.

3- Di conseguenza i modelli a trazione anteriore o a trazione posteriore ( asse posteriore) avranno due semiassi, quelli integrali ( trazione anteriore + posteriore) ne avranno quattro.

Proviamo ora ad entrare nella parte più tecnica per spiegare come i Differenziali esplicano la loro funzione;

esistano diverse tipologie di differenziali , ma qui analizzeremo le due macro categorie del tipo ad ingranaggi: il differenziale Open ( Libero) che prenderemo in esame in modo più approfondito perché più pertinente, e quello Locked (bloccabile) dal quale proviene la sua famigerata variante, il TorSen.

Il Differenziale Open è costituito da un albero di entrata (conduttore) e da uno di uscita (condotto) collegati tra di loro da un complesso di ingranaggi tale da distribuire la coppia generata dal motore in modo equo ai due alberi condotti indipendentemente dalla velocità di rotazione di questi ultimi.

Il suo utilizzo è fondamentale per permettere alle ruote motrici di non slittare percorrendo una curva; infatti, durante una traiettoria curvilinea, le ruote percorrono traiettorie diverse: quella interna compierà sempre un tragitto minore rispetto a quella esterna.

Vi è, di conseguenza, una ruota che necessita di velocità maggiore rispetto all’altra e viceversa; senza il differenziale le ruote riceverebbero dalla trasmissione la stessa coppia ed avrebbero la stessa velocità con grave danno per la durata degli pneumatici e per la tenuta di strada.

Il Differenziale Open può essere descritto tramite due leggi:

1) La velocità di rotazione dell’’albero conduttore è sempre il valore medio delle velocità degli alberi condotti.

2) La coppia disponibile su ciascuno degli alberi condotti è sempre la metà di quella applicata all’’albero di entrata o conduttore.

Per come è stato concepito, il differenziale Open ha sì il grande pregio appena descritto, ma ha anche un grande difetto: per comprendere meglio il comportamento del nostro modello RC, ci si avvale di un’esempio scolastico collegato all’esperienza di guida reale per il quale, chiunque di noi abbia guidato una macchina a trazione anteriore sulla neve, o sul fango, o sulla sabbia, ha potuto notare che:

quando una ruota motrice finisce ( usiamo il caso più frequente) in un punto fangoso e senza aderenza , e perciò con meno trazione dell’altra che poggia sull’asfalto, questa inizia a slittare (gira a vuoto ) e la macchina rimane ferma ( non avanza).

Cio’ è dovuto proprio al fatto che il differenziale distribuisce sempre la stessa quantità di coppia ad entrambe le ruote. Entrambe dunque ricevono la stessa coppia, ma attenzione !!! in questo caso a decidere “ i giochi” è l’aderenza che nel caso della ruota posta nel fango è minore ( prossima a un valore 0  e  quindi la ruota trasmette alla superficie di appoggio Coppia 0); l’altra ruota , sebbene posta su fondo idoneo in aderenza, non potrà fare altro che adeguarsi allo stesso valore di Coppia trasferita ( cioè  0); tutto ciò non permette all’automobile di ripartire ( e si rimane fermi e impantanati).

In sintesi:

Nel caso appena descritto la ruota con molta trazione riceve solo una piccolissima quantità di coppia ( insufficiente a vincere tutte le resistenze all’Avanzamento) che, al tempo stesso, è pari alla coppia massima trasmessa dalla ruota con poca trazione = solo finché entrambe le ruote hanno aderenza, il differenziale Open fa egregiamente il suo dovere.

Situazioni in pista del modello RC:

L’esempio limite sopra esposto, diventa così importante per comprendere il meccanismo ”perverso” che subisce il modello RC in pista affrontando una curva al limite, situazione dove per via del trasferimento dei pesi la ruota esterna ha più grip di quella interna:

“DONG” stop , il suono ferma il tempo e noi possiamo osservare e valutare il fermo immagine con tutta calma:

Siamo in rettilineo, il differenziale non sta lavorando in quanto entrambe le ruote motrici girano alla medesima velocità in perfetta aderenza.

“DONG” azione: il nostro modello raggiunge la fine del tratto rettilineo e noi ( tramite la trasmittente) curviamo a sinistra : istantaneamente la ruota interna subisce un rallentamento da forte attrito; il semiasse relativo, attiva istantaneamente i planetari che ruotando trasferiscono ( in incremento ) i giri “persi” alla ruota esterna che li somma ai propri.

“DONG “ stop
Congeliamo il tempo per un ‘istante e osserviamo che, trascorso un tempo di circa 1/100 di secondo da quando abbiamo abbandonato il tragitto rettilineo ed impartito l’ordine di curvare a sinistra, il modello si è posto ( grazie al differenziale) nel modo corretto che permetta alle ruote motrici di affrontare il tratto curvilineo a velocità diverse (più lenta l’interna, più veloce l’esterna).

Bene, scongeliamo il tempo ed osserviamo cosa succede immediatamente dopo:

“DONG” azione: Le forze arrivano come una tempesta: la centrifuga e la centripeta si scatenano sul modello e tutta questa energia convoglia come un macigno che, partendo dalla ruota motrice interna, rotola e finisce sulla ruota motrice esterna.

Ora, la ruota motrice esterna ha più grip di quella interna; il semiasse esterno, avente maggiore aderenza, oppone più resistenza all’avanzamento rispetto a quello con scarsa aderenza e ciò fa si che i satelliti si mettano a girare attorno al loro perno, facendo girare molto più velocemente il semiasse con scarso attrito che altro non è che la ruota interna, proprio quella che dovrebbe girare più lentamente per seguire il suo raggio e compiere il tragitto nello stesso identico tempo della ruota esterna.

Raggiunto il proprio punto limite, la ruota interna slitta e, perdendo aderenza, trasmette al suolo Coppia 0 , e come ora avrete capito, la ruota esterna si adeguerà alla Coppia 0 ed il modello rallenterà fino a quando l’aderenza non sarà per entrambe le ruote nuovamente ottimale, ritornando così nella situazione iniziale.

Questa caratteristica penalizza fortemente la capacità di trazione del modello poiché se le due ruote motrici si trovano in condizioni di aderenza diverse, la massima forza longitudinale che complessivamente può essere trasmessa a terra ( avanzamento) è limitata a circa il doppio della massima forza che può trasmettere la ruota con minore aderenza (quindi se zero…. 0 x 2 = 0 !!!)

Il tutto accade per decine,centinaia o migliaia di volte consecutive in una singola curva, e sono cicli misurabili in frazioni millesimali di secondo: nella migliore delle ipotesi, perdiamo decimi per ogni curva, nella peggiore, ci parte il posteriore e perdiamo preziosi secondi, o peggio, mettiamo a rischio l’integrità del modello per la totale perdita del controllo in guida.

Il problema principale dei differenziali di tipo Open è tutto qui: la motricità.

Possiamo intervenire sul comportamento dei nostri Differenziali OPEN per migliorare le prestazioni in pista del Modello RC?

La risposta è sì !!!

Principalmente si può intervenire modificando la densità del lubrificante presente internamente al differenziale, e secondariamente ( se siamo consapevoli e sicuri di cosa stiamo facendo) modificando leggermente la sua quantità (che è sempre compresa tra un minimo ed un massimo) la quale influisce sulla capacità di adesività massima del film di lubrificante posto tra i denti degli organi in presa.

Questo speciale lubrificante siliconico, oltre a garantire il minor attrito tra gli ingranaggi interni ( planetari e satelliti), funge da termoregolatore del sistema ( assorbendo il calore generato dal funzionamento delle singole parti e distribuendolo equamente in tutta la cassa) e in base allo spessore del film che interpone tra i denti in presa, permette in bassa aderenza (e persino nel caso estremo in cui la ruota si sollevi dal suolo) di trasferire ugualmente per un tempo infinitesimo una modesta quantità di coppia alla ruota opposta (ovvero quella in situazione di buona aderenza).

La presenza dell’olio lubrificante causa infatti la nascita di forze di attrito di tipo viscoso. La presenza di queste forze di attrito ostacola ( ma mai impedisce) la nascita di movimenti relativi tra gli ingranaggi in comunicazione del differenziale.

Più è viscoso questo lubrificante, più coppia e per più tempo si rende disponibile alle ruote in conseguenza di un effetto di ritardo dei satelliti rispetto ai planetari; questo gap temporale, in una situazione per cui abbiamo in uso un differenziale perfettamente preparato per quella condizione di pista in atto, può essere sufficiente a mantenere il modello nella corretta traiettoria e di limitare il valore “n” di intervento differenziale, ottenendo così la massima velocità possibile di percorrenza e per tutto il tratto curvilineo.

Semplificando al massimo la questione:

1 - Un lubrificante poco viscoso renderà più “Libero” il differenziale e le ruote percorreranno quasi totalmente il tratto curvilineo a velocità corretta nel loro tragitto individuale: il valore medio della coppia disponibile alle ruote partirà alto e sarà lento e progressivo nel suo aumentare fino al termine del tratto curvilineo.

Controllo guida in curve strette = Facile

Controllo sbandata = Difficile

Percorrenza serie di curve = Facile e con potenziale velocità medio-Bassa (frequenza di intervento del differenziale ELEVATA)

Usura gomme = contenuta e tendenzialmente equilibrata.

2- Un lubrificante altamente viscoso renderà più “ Bloccato” il differenziale e le ruote percorreranno gran parte del tratto curvilineo a velocità scorretta il loro tragitto individuale: il valore medio della coppia disponibile alle ruote partirà alto ma sarà anche brusco e poco prevedibile nel suo aumentare fino al termine del tratto curvilineo.

Controllo guida in curve strette = Difficile

Controllo sbandata = Facile

Percorrenza serie di curve = Difficile e con potenziale velocità medio-Alta ( frequenza di intervento del differenziale BASSA)

Usura gomme = elevata e tendenzialmente squilibrata

3- Sapendo ciò, possiamo comprendere tutte le innumerevoli implicazioni derivanti dalla scelta di una determinata viscosità , fattore che da solo influisce sulla preparazione dell’assetto ( fondamentale per dare aderenza costante) e sul tipo di guida, insomma, sulle prestazioni generali del modello, per cui dovremmo sempre valutare per quel circuito (disegno, fondo e tenuta ), per la potenza del sistema propulsivo, per la qualità dello pneumatico in equipaggiamento e per il tipo di trazione dello stesso , per il tipo di carrozzeria e del suo carico generato, quale viscosità sia il nostro giusto compromesso tra tenuta, progressione e guidabilita’.

Ma come è fatto e cosa avviene nel Differenziale Open?

Il differenziale è solitamente costituito da una gabbia portasatelliti cui sono vincolati due perni. Su entrambi i perni sono installati 4 satelliti liberi di ruotare ( praticamente in folle sul loro perno), in presa con due planetari (ingranaggi conici) solidali con i semialberi ( i bicchierini del differenziale) e collegati tra loro solo mediante l’interposizione dei satelliti , ma comunque liberi rispetto alla scatola del differenziale.

Quando si comincia una curva, il planetario interno rallenta, ed i satelliti iniziano a girare su se stessi trasferendo giri al planetario esterno.

I Differenziali Locked

Per superare i limiti del differenziale Open, sono stati creati i differenziali locked o bloccabili. In caso di perdita di aderenza di una delle due ruote, il differenziale , una volta bloccato, obbliga la ruota che ha perso aderenza a ruotare alla stessa velocità della ruota che ha aderenza, nel contempo, la coppia motrice applicata alla due ruote viene scaricata a terra dalla ruota che ha maggiore aderenza. Si comprende così il perché questi differenziali trovino maggiore applicazione nei veicoli a trazione integrale che per loro natura hanno maggiore facilità a percorrere fondi nevosi, terra non battuta, ghiaia e rocce , o in genere con poca aderenza.

Nel modellismo RC sono in uso nelle competizioni 1:5 GT e 1:6 per affrontare particolari situazioni in pista con basso o scarso grip.

Un differenziale a ingranaggi che merita particolare attenzione è il TorSen, acronimo di Torque Sensing ,ossia, sensibile alla coppia.

Il differenziale TorSen è un differenziale con un comportamento simile a quello di tipo Open, permettendo quindi alle ruote di variare la velocità relativa in egual misura, ma nel caso in cui una delle due perda aderenza, il TorSen non indirizza a questa la maggior parte della coppia motrice ma la direziona verso lo pneumatico con maggiore grip.

Il TorSen permette alle ruote di un medesimo asse di variare la loro velocità relativa a patto che una aumenti nella stessa misura in cui l’altra diminuisce (come quando si percorre una curva con un auto dotato di differenziale open).

Se, invece, una delle due ruote tende ad accelerare come quando sta per pattinare e l’altra non riduce la propria velocità il sistema risulta bloccato e di conseguenza la coppia si indirizza verso la ruota che fa presa.

In condizione di scarsa aderenza un TorSen ha un comportamento compreso tra il differenziale Open ed il Locked, comportamento valutabile attraverso un rapporto di bloccaggio; nella condizione di minimo bloccaggio il rapporto di bloccaggio è dello 0%, mentre nella condizione di massimo bloccaggio in ogni caso questo rapporto non raggiunge mai il 100%.

La regolazione di quando debba entrare il bloccaggio è decisa principalmente dall’angolazione degli ingranaggi e non dalla viscosità del lubrificante ( generalmente vengono utilizzati, per la lubrificazione degli ingranaggi, grassi al bisolfuro di molibdeno che, avendo grandissima capacità adesiva, resistono alla forza centrifuga rimanendo in loco): più è elevata l’angolazione dell’ingranaggio, prima il sistema entra in blocco.

Si può dire dunque che un TorSen è una sorta di compromesso che cerca di mantenere il meglio del differenziale Open, permettendo agli assi condotti di ruotare a velocità diverse, e un pò del buono di un differenziale Locked, trasmettendo più coppia motrice alla ruota con maggiore trazione, cosa utile sui terreni con poca aderenza.

Questa soluzione è comparsa nel modellismo nella prima decade del 2000 , miniaturizzando su licenza il sistema originale brevettato, prendendo subito campo nell’off road 1:8 e nella GT 1:8 e 1:5 per poi perdere progressivamente interesse ( ma mai il fascino) per diversi motivi tra i quali la difficoltà di regolare e mantenere costante nel tempo di utilizzo su pista il bloccaggio del differenziale nel modo voluto , in aggiunta, una necessaria e continua precisa manutenzione in revisione ad intervalli brevi; va comunque precisato che, ancora oggi, ci sono molti estimatori di queste componenti, sia tra i piloti amatoriali che tra quelli professionisti .

L’altra faccia della medaglia del TorSen è rappresentata da due limiti, il primo dei quali è una distribuzione non uniforme della coppia tra i due assi nelle curve, poiché nelle curve una ruota gira più velocemente dell’altra; l’effetto è che il guidatore percepisce una sensazione di auto-raddrizzamento delle ruote, modesta ma avvertibile.

L’altro difetto è che il TorSen non è completamente bloccante, e quindi quando per esempio una ruota è completamente sollevata risulta, a differenza di un locked, inefficace.

 

Giemme 2024