Condividi su

Articoli - Archivio

05/03/2012
COME TI CAMBIO I CAMBI

DAL MOTORE ALLE RUOTE
Il cambio di velocità è generalmente associato a ingranaggi, innesti e componenti simili ma, in realtà, le cose non sono così scontate...

Nicodemo Angì

CHI LEGGE PNEURAMA avrà notato la pubblicazione di parecchio materiale riguardante il cambio e la trasmissione, gruppi meccanici intimamente legati alle ruote e alle coperture. Nonostante la pluralità degli articoli prodotti il tema è però tutt’altro che esaurito, stante la vivacità delle proposte che le aziende produttrici mettono in catalogo.
In questo articolo approfondiremo un paio di tipologie già viste in precedenza e vedremo un sistema che, anche se non è una novità, ha un approccio completamente diverso alla questione “cambio di velocità”. 

Questo importantissimo gruppo meccanico, ormai lo sappiamo bene, ha il non facile compito di adattare l’erogazione del motore alla potenza e alla coppia assorbite dal veicolo in movimento. Queste ultime sono estremamente variabili: basta pensare alle accelerazioni o alla marcia in piano o in salita. Volendo quantificare potremmo dire che i regimi utili di un motore a benzina variano da circa 6.000 a 1.000 giri/minuto – con un rapporto di 6 a 1 – mentre le velocità variano in un range molto più ampio, pari a 26:1 se si considerano come estremi i 130 km orari dell’autostrada e i 5 km/h del passo d’uomo. Per adattare il campo di variazione dei regimi del motore a quello, molto più ampio, delle velocità occorrerà quindi variare il rapporto di trasmissione fra i giri del motore e quelli delle ruote. 

 


Più marce, più prestazioni 

Una maniera piuttosto collaudata per variare un rapporto di trasmissione è quella di usare coppie di ingranaggi: facili da produrre, longevi e con un rendimento meccanico piuttosto alto. Non è infatti un caso che anche il cambio automatico di tipo classico – quello cioè che usa il convertitore di coppia al posto della frizione – usi gli ingranaggi. In queste applicazioni essi sono quasi sempre di un tipo particolare chiamato epicicloidale. Si tratta di ingranaggi che hanno assi paralleli fra loro, generalmente sistemati in modo che i più piccoli ingranino contemporaneamente in un ingranaggio centrale e in uno esterno cavo e di grande diametro. La particolarità di questo schema è che è possibile ricavare diversi rapporti di trasmissione semplicemente bloccando, con opportuni freni, l’uno o l’altro degli assi. Questa soluzione ha anche il vantaggio che gli ingranaggi sono complanari, cosa che permette di diminuire molto la lunghezza del gruppo cambio. Tutti questi benefici sono enfatizzati e, per così dire, estremizzati nel nuovo gruppo Zf 9Hp, un cambio automatico a 9 marce (più retromarcia) così compatto da poter stare nel cofano di un’auto a trazione anteriore con motore trasversale. 

La costruzione è piuttosto complicata, dato che unisce ai consueti (per i cambi automatici) freni e frizioni a dischi multipli anche degli innesti Dog Clutch, usati per bloccare gli alberi senza le perdite che le frizioni a dischi multipli introducono anche se sono “aperte”. 

In totale si contano quattro ingranaggi semplici e nove scorrevoli, due frizioni, due innesti Dog Clutch e due freni, il tutto “stipato” in un gruppo le cui dimensioni sono contenute in 36,7 x 62,1 x 42,8 cm. 

Questo cambio ha molte altre interessanti particolarità: è compatibile con la trazione integrale, lo Start&Stop e la trazione ibrida e l’elettronica di controllo – separata per risparmiare spazio – può aumentare fino al 30% le sue capacità di calcolo per attuare future strategie di funzionamento più sofisticate. Il convertitore di coppia, che viene usato soltanto per le partenze e i cambi di marcia, è bloccabile in modo da minimizzare le perdite di potenza ed è anche dotato di smorzatori di vibrazioni che ne permettono il blocco anche se il motore non gira “rotondo”, situazione che può capitare sia perché i regimi di rotazione sono bassi sia quando il cambio viene usato con motori poco frazionati, a tre e perfino a due cilindri.
Quali vantaggi si ottengono aumentando il numero dei rapporti? 

Avere molte marce permette di tenere il motore praticamente sempre nella zona del suo miglior funzionamento, con benefici effetti su prestazioni e consumi (la nona può essere molto lunga) e minore usura. 

Questi vantaggi sono ancora più apprezzabili nei motori di piccola cilindrata perché la loro coppia non esuberante viene sfruttata al meglio.



Ancora più marce!

Se nove marce vi sembran poche allora potrebbe interessarvi un cambio che il rapporto giusto lo può scegliere non fra 5, 6 o 9 ma fra un numero potenzialmente infinito di possibilità. Questi cambi si chiamano a variazione continua (continuously variable transmission o Cvt) e il loro schema più diffuso è quello a cinghia di trasmissione con pulegge a diametro variabile. Il principio di funzionamento è lineare: se una stessa cinghia si avvolge intorno a due pulegge di diametro diverso la più grande girerà più lentamente della piccola. Se si riesce a variare il diametro delle pulegge si otterrà un analogo cambiamento nel rapporto di trasmissione: collegando una delle due pulegge al motore e l’altra alle ruote si sarà così ottenuto un cambio di velocità. Il sistema è impiegato quasi universalmente negli scooter moderni ma già negli anni ‘60 e ‘70 era usato dai ciclomotori Piaggio e Peugeot. Le potenze erano così piccole che la cinghia di trasmissione in gomma era estremamente simile a quella usata per muovere alternatore e pompa dell’acqua nelle automobili. È chiaro che una soluzione del genere non possa essere usata per le autovetture, magari di grossa cilindrata. Audi e Luk hanno sviluppato un cambio Cvt, chiamato Multitronic, che riesce a trasmettere coppie e potenze elevate grazie a una robusta cinghia (o catena) metallica. La variazione del diametro delle pulegge avviene tramite un sistema elettro-idraulico che avvicina e allontana le due metà dalle quali è composta ogni puleggia; esso può anche simulare un normale cambio a rapporti fissi mentre una sofisticata gestione elettronica fornisce diverse modalità di guida, compresa una sportiva. Fra le principali questioni coinvolte in questo sistema c’è la resistenza della cinghia all’usura e la minimizzazione dei suoi slittamenti, contrastabili aumentando la sua tensione anche se a spese degli attriti. La particolare cinghia metallica del Multitronic assicura una lunga durata e una buona efficienza energetica insieme al funzionamento molto fluido proprio dei Cvt.

 

Cambiamo sistema

Molto ma molto diverso è il cambio idraulico, frutto di un brevetto dovuto al tecnico italiano Badalini e riproposto in chiave moderna da Honda sulla sua moto DN01.
Il suo schema di funzionamento prevede una piastra fissata all’albero motore (non perpendicolare a esso ma diagonale) che supporta dei pistoncini idraulici: dato che la piastra è diagonale essi andranno su e giù, pompando un olio speciale. Tramite un distributore rotante quest’olio arriva a un organo speculare, ovvero un’altra piastra con altri pistoncini che raccolgono l’olio e convertono la sua pressione in energia meccanica. Anche questa piastra è inclinata rispetto all’albero sulla quale è montata – esso è l’albero di trasmissione – ma l’angolo è regolabile e può arrivare a circa 90°. Se l’inclinazione è massima allora l’albero di uscita ruoterà lentamente ma trasmetterà molta coppia, con un comportamento del tutto simile a quello di un cambio meccanico con innestata una marcia bassa. Man mano che la piastra si avvicina alla perpendicolare, il rapporto di trasmissione si allunga, la moto va più veloce anche se la coppia alla ruota è minore. Questo cambio ha anche un dispositivo di blocco che minimizza le perdite quando il rapporto di trasmissione è il più “lungo” che si può avere.

torna all'archivio