Il differenziale centrale BMW xDrive del modello X3 E83, tecnica, malfunzionamenti e manutenzione meccanica
Il ripartitore di coppia ATC 400 (Active Torque Control) è parte della trazione integrale permanente xDrive BMW, il sistema per il controllo e distribuzione della coppia motrice tra l’asse posteriore e quello anteriore
Salone di Francoforte, settembre 2003. BMW presenta il primo SUV compatto X3 modello E83, sull’onda del successo commerciale del fratello maggiore X5 E53, rivelando nel contempo l’innovativa trazione integrale permanente xDrive.
Per il marchio bavarese la trazione integrale non era comunque una novità assoluta, già nel 1985 la serie 3 E30 325iX ne era dotata, nella declinazione berlina a 2 e 4 porte.
Ripartitore di coppia ATC 400, teoria e panoramica del sistema
In meccanica, il differenziale aperto è un sistema di trasmissione che ripartisce la coppia motrice proveniente dal motore attraverso il cambio, verso le ruote appartenenti allo stesso asse. Nella condizione ideale, quando un veicolo marcia in rettilineo con normale aderenza, il differenziale è neutro perché le ruote girano alla stessa velocità.
In curva, la ruota più interna gira più lentamente di quella esterna e il diffenziale appunto gestisce questa “differenza” di velocità relativa tra le ruote. La versione autobloccante permette di annullare o contenere l’eventuale slittamento di una delle due ruote per scarsa aderenza o per eccesso di coppia, trasferendo la coppia alla ruota ferma e quindi in presa sul terreno.
Differenziale normale aperto 
Differenziale G80 autobloccante meccanico
Nel sistema a trazione integrale la coppia motrice viene distribuita su tutte le ruote presenti nel veicolo. In questa configurazione occorre quindi un differenziale centrale a valle del cambio e a monte degli assi ruote, inseribile a discrezione del conducente, se esistono le condizioni per farlo, oppure permanente come nelle applicazioni BMW.
Il sistema xDrive, a differenza dei precedenti sistemi che hanno un rapporto fisso di distribuzione, cambia dinamicamente la percentuale di coppia assegnata ai due assi, sfruttando i sofisticati sistemi di controllo elettronici di bordo del DSC (Dynamic Stability Control) e di altre centraline, assecondando le mutevoli condizioni della strada o della guida tipicamente sportiva di una BMW.
Il cuore del sistema xDrive è il ripartitore di coppia ATC 400, il cui case (scatola) è montato in uscita del cambio meccanico o automatico. Gli elementi fondamentali del ripartitore sono:
- 1) frizione multidisco
- 2) leve di regolazione
- 3) camma a disco
- 4) catena
In condizioni normali, la frizione multidisco è azionata e una parte della coppia motrice viene “prelevata” dall’asse posteriore e inviata all’asse anteriore, con un rapporto 60% posteriore e 40% anteriore. Quando la frizione è completamente aperta, la coppia viene totalmente trasferita all’asse posteriore che è in presa permanente sull’uscita del cambio, tramite un accoppiamento con profilo scanalato.
Quando la frizione è completamente chiusa, gli assi anteriore e posteriore ruotano alla stessa velocità, ma la distribuzione della coppia dipende dalle condizioni di aderenza delle ruote sul proprio asse.
Una delle condizioni limite si verifica quando l’asse anteriore si trova su una superficie con un alto coefficiente di attrito e l’asse posteriore è sul ghiaccio. In questo caso, il 100% della coppia motrice disponibile viene trasmessa sull’asse anteriore, dato che virtualmente nessuna coppia può essere utilizzata sull’asse posteriore (le ruote girano a vuoto).
Attuatore della camma a disco, usura della ruota dentata e sostituzione
Ho desiderato guidare la BMW X3 fin dalla sua presentazione e nel 2015 l’ho comprata usata. Nello stesso anno, percorrendo spesso una strada dotata di dossi rallentatori molto pronunciati, mi si è presentata una combinazione di spie che indicavano un’anomalia al ripartitore: ABS (gialla), freno a mano (rossa), airbag (rossa), 4×4 (gialla).
Spegnendo il motore, era chiaramente avvertibile un ticchettio ripetitivo proveniente da sotto il pianale, al centro dell’auto. Un altro componente decisamente importante, possibile fonte di tale rumore, è il motore elettrico inserito sul ripartitore ATC, l’attuatore della camma a disco.
La camma è innestata sulla ruota dentata in materiale composito non metallico (vedi profilo scanalato al centro) e questa ruota è azionata da una vite senza fine (non visibile in foto) in asse col motore elettrico. Per il materiale scelto dai progettisti BMW, in questa parte della ruota a contatto con la vite senza fine, i denti tendono a consumarsi rapidamente.
Facendo qualche ricerca sul web, ho compreso che la combinazione di spie indicava l’impossibilità dell’attuatore di ruotare la camma e di aprire o chiudere la frizione, secondo il test previsto durante lo spegnimento del motore. Il rumore sentito era causato dai salti della vite senza fine sui denti usurati della ruota.
Mi sono rivolto a un riparatore specializzato, che sostituisce la ruota dentata originale con una equivalente nelle dimensioni, ma fabbricata in bronzo.
Una soluzione più economica sarebbe quella di girare di 180° la ruota dentata rispetto la posizione usurata, per sfruttare una zona che, in pratica, non ha mai lavorato. Ma questa possibilità è sconsigliata, per l’alta probabilità di ritrovarsi il medesimo guasto in poco tempo.
Situazioni critiche per il ripartitore ATC 400
In base alla mia esperienza e alle testimonianze di altri utenti, è possibile individuare alcune situazioni difficilmente gestibili dal sistema xDrive e che potrebbero causare danni al ripartitore.
L’ipotesi da verificare è che i dossi rallentatori molto pronunciati (semicilindrici, con un raggio corto) ingannino il sistema xDrive, in quanto le ruote che si trovano sul dosso ruotano ad una velocità maggiore di quelle sull’asfalto, simulando uno slittamento.
Quando le ruote anteriori passano sul dosso e “slittano”, il sistema XDrive apre la frizione multidisco per togliere la coppia sull’asse anteriore, viceversa per quelle posteriori, usando l’attuatore in modo impulsivo in entrambe i sensi di rotazione.
A lungo andare, con la ripetizione quotidiana del fenomeno, la ruota dentata già segnata da una normale usura, subisce un danno definitivo.
Un’altra situazione particolare è la presenza di ruote con circonferenze diverse tra l’asse anteriore e quello posteriore.
La carta di circolazione dell’X3 E83 permette il montaggio di pneumatici 235/50 o 255/45 su ruota da 18 pollici, ma una differenza eccessiva sulla circonferenza ruota tra i due assi (quindi velocità di rotolamento) potrebbe essere interpretata come uno slittamento perenne delle ruote di un asse.
Per lo stesso motivo, è consigliabile uniformare l’usura di un treno di pneumatici dello stesso tipo, eseguendo l’inversione delle ruote ogni 10.000 km.
Usura della catena e riparazione
Nella trasmissione a sistema flessibile di una coppia tra due alberi paralleli, come nel caso del ripartitore ATC 400, la catena a rulli appare come la migliore soluzione.
Altri sistemi, come la cascata di ingranaggi presente nel ripartitore ATC 300, probabilmente non garantiscono un certo livello di oscillazione e di assorbimento dei picchi di coppia che si alternano repentinamente dalla fase di accelerazione a quella di rilascio.
L’olio presente nella scatola del ripartitore è di vitale importanza per il funzionamento e la durata di questo delicato componente della trasmissione, consentendo uno slittamento controllato (limited slip) della frizione e la lubrificazione della catena.
Una sbagliata o mancante sostituzione dell’olio comporta inevitabilmente un’usura precoce con l’allungamento rapido della catena.
Tale indice di usura è riscontrabile dallo sbattimento della catena contro le guide pattino in materiale plastico, udibile dopo una fase di rilascio dell’auto piuttosto prolungata con arresto completo dell’auto in curva.
Alla successiva ripartenza, il tratto lasco (non teso) della catena passa velocemente da un lato all’altro, provocando un caratteristico rumore.
Quando l’allungamento diventa eccessivo, la catena salta i denti delle ruote danneggiandosi completamente.
Cambio olio, preparazione e lista dei materiali
Contestualmente alla riparazione, a 132.000 km percorsi ovviamente ho fatto eseguire anche il cambio olio e il relativo azzeramento del contatore di usura via presa ODB2.
Personalmente, non condivido la scelta del riparatore per l’olio di tipo minerale che ha utilizzato.
Dal 2015 non ho più avuto problemi, fino all’estate scorsa, a circa 180.000 km. Con l’arrivo della stagione calda, soffrivo di strattoni e vibrazioni alla trasmissione (cambio automatico) senza accensione di spie, in queste circostanze:
- in accelerazione, con organi meccanici caldi (dopo diversi km di percorrenza)
- in rotonda, anche a bassa velocità (i giri del motore e l’auto oscillano leggermente)
Con l’arrivo della stagione fredda, il problema è diminuito facendo pensare all’usura dell’olio, che perde drasticamente le caratteristiche utili con l’alzarsi della temperatura, quindi ho eseguito personalmente un nuovo cambio.
L’operazione DIY (Do It Yourself) è piuttosto semplice, in quanto la scatola dell’ATC è a vista e i tappi di svuotamento-riempimento sono facilmente accessibili.
Occorre preparare per tempo i materiali e gli attrezzi necessari, per operare senza dimenticanze e nel rispetto della propria incolumità.
La sicurezza viene prima di tutto.
Per l’olio ho scelto il Castrol Syntrax Limited Slip 75W-140, un lubrificante multigrado con un ampio range di viscosità (classificazione SAE) e completamente sintetico. È sufficiente una bottiglia da 1 litro.
Intervalli di manutenzione consigliati e conclusione
Ho tralasciato volutamente la gestione della centralina ECU (Engine Control Unit) VGSG83 che controlla il ripartitore di coppia ATC 400, alla quale dedicherò un articolo successivo, con la descrizione dei vari software disponibili e degli scanner OBD2 per uso hobbistico presenti sul mercato.
Il cambio olio del ripartitore ha sensibilmente migliorato il comportamento dell’auto nelle curve strette (rotonde), dove il comportamento sottosterzante delle ruote posteriori che girano più lentamente di quelle anteriori, impone l’apertura e lo slittamento massimo della frizione.
Il ripartitore di coppia ATC 400 si è inoltre dimostrato un sistema sofisticato, in grado di gestire le più difficili situazioni che si presentano nella guida normale e in quella sportiva.
Tuttavia, non ho risolto il problema degli strappi in accelerazione, quindi ho predisposto anche il cambio dell’olio per il cambio automatico.
Non conoscendo in dettaglio lo stato di manutenzione svolto dal precedente proprietario dell’auto, considero che l’intervallo di sostituzione dell’olio corretto stia tra 60.000 km e 120.000 km. Per semplificare, ho stabilito la manutenzione ogni 90.000 km, quindi ogni 3 cambi di olio motore.
Immagine in evidenza: BMWBLOG.com – BMW UK takes the new BMW X3 on a Trans-Saharan trip