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Articoli - Archivio

21/04/2011
Il cambio

Dal motore alle ruote (seconda puntata)


Il motore a scoppio, sia esso a benzina o diesel,
non ha caratteristiche tali, se non per impieghi specialissimi, da poter trascinare le ruote con un rapporto di trasmissione fisso. È per questo che fra di esso
e la trasmissione viene interposto un organo in grado
di poter variare questo rapporto: il cambio

di Nicodemo Angì

Trasmettere la potenza del motore alle ruote è ovviamente necessario per il movimento del veicolo ma non è sufficiente, dato che il nostro propulsore a scoppio impone l'uso di altri componenti meccanici che smussino il suo bel "caratterino".

 

Ormai sappiamo qualche cosa in più sulla frizione: nel precedente articolo abbiamo cercato infatti di spiegare a cosa serve e come è fatto questo organo, essenziale nel trasmettere l'energia del motore lì dove serve, ossia a quelle ruote che i lettori di Pneurama conoscono molto bene.
Trasmettere la potenza del motore alle ruote è ovviamente necessario per il movimento del veicolo ma non è sufficiente, dato che il nostro propulsore a scoppio impone l'uso di altri componenti meccanici che smussino il suo bel "caratterino".
Per descrivere quest'ultimo ricordiamo come l'energia da esso prodotta sia definibile da alcune "qualità", come la temperatura definisce la qualità del calore. Nel caso dei motori (in generale, non soltanto di quelli a scoppio) esse sono la potenza e la coppia.
La prima quantifica la capacità del motore nel compiere più o meno rapidamente un lavoro, mentre la seconda ci informa di quanta "forza" sviluppa il motore girando ad un certo regime.
Spieghiamoci meglio: un motore più potente solleverà lo stesso peso più rapidamente o farà correre la stessa auto (o la stessa barca, lo stesso treno) più velocemente di un altro meno potente: di esempi se ne potrebbero fare centinaia ma il concetto rimarrebbe lo stesso.
La coppia è invece connessa ad un moto rotatorio e si esprime come rapporto fra una forza e la distanza dal punto di applicazione, che è l'asse intorno al quale avviene il movimento stesso: essa avrà quindi una forma del tipo F/d, essendo quindi espressa come Kg/metro o Newton/metro (il Newton è l'unità di misura internazionale della forza attualmente in uso). Basterà svitare un bullone con una chiave inglese per capire di cosa si tratta: la forza è quella della nostra mano e la distanza alla quale viene applicata è la lunghezza della chiave stessa.

 

Rapporti variabili
Se pensiamo che l'energia prodotta da un motore alternativo a combustione interna, o endotermico (esistono anche motori esotermici, come quelli a vapore, ma non sono di pratico interesse ai nostri fini) deriva dalle esplosioni del carburante all'interno dei cilindri è facile pensare che più scoppi avvengono nell'unità di tempo - ad esempio in un minuto - e più il motore produce energia.
L'idea è giusta: al crescere del regime di rotazione aumenta anche la potenza disponibile all'albero motore; questo aumento non è indefinito perché arrivati ad un certo numero di giri la potenza smette di crescere e inizia anzi a diminuire. Il perché è presto detto: la "respirazione" del motore peggiora, gli attriti e le perdite aumentano e l'energia erogata diminuisce invece di aumentare. La coppia prodotta dal motore ha un andamento piuttosto diverso, tendendo a diminuire al salire dei giri: essa dà un'idea del rendimento del motore e, in effetti, il consumo specifico (quanti grammi di carburante consuma un motore ogni ora per produrre un cavallo, una grandezza indipendente dalla cilindrata e dalla potenza massima) ha il minimo intorno al regime di coppia massima. Quando il rendimento - e perciò la coppia - diminuisce troppo all'aumentare del regime allora l'aumento delle fasi utili nell'unità di tempo non riesce a compensare questa caduta e perciò la potenza diminuisce anche se il regime aumenta.
Risulta quindi piuttosto evidente (come confermano i grafici dell'andamento della coppia e della potenza) che ogni motore rende meglio se il suo regime di rotazione non è né troppo alto né troppo basso. Per un motore automobilistico a benzina "normale" possiamo pensare ad un utilizzo compreso fra 1.500 e 6.000 giri al minuto mentre il diesel, che non riesce a girare così in "alto", ha dato tutto già intorno ai 4.500-5.000 giri/min.
La presenza del cambio di velocità è legata proprio all'esigenza di mantenere il motore entro questa fascia di regimi, con il rapporto massimo/minimo pari a 4 (per il motore a benzina), quando la velocità può variare in un intervallo molto più ampio: fra i 130 km/ora del limite autostradale ed i 5 km/ora del passo d'uomo c'è infatti un rapporto che vale ben 26. Si capisce bene che il rapporto fra i giri del motore e quelli delle ruote (direttamente proporzionali alla velocità del veicolo) non può essere costante ma, per l'appunto, deve cambiare.
La maggior parte dei cambi di velocità hanno al loro interno delle coppie di ingranaggi di dimensioni diverse: un ingranaggio di ogni coppia viene trascinato dal motore mentre l'altro è collegato alle ruote (non direttamente ma tramite il resto delle trasmissione).
La diversità delle dimensioni dei vari ingranaggi comporta che ognuno di essi abbia un differente numero di denti ed è questa differenza che determina il rapporto di trasmissione della coppia in questione. È facile capire come si esprime questa quantità: se l'ingranaggio collegato al motore ha 20 denti e quello di uscita ne ha 40 quando il primo avrà effettuato una rotazione completa il secondo avrà fatto soltanto mezzo giro. Possiamo perciò parlare di rapporto di trasmissione pari a 1:2; in altre parole l'ingranaggio condotto (quello collegato alle ruote) fa mezzo giro per ogni giro completo dell'ingranaggio conduttore.
Notiamo esplicitamente come ci possano anche essere rapporti del cambio supermoltiplicati nei quali, cioè, l'ingranaggio condotto gira più velocemente del motore; le ruote motrici gireranno comunque più lente del motore stesso perché il differenziale ha comunque una riduzione, ossia un rapporto conduttore/condotto minore di 1.
Lo schema delle coppie di ingranaggi ha diverse traduzioni pratiche, accomunate dal fatto che uno dei componenti di ogni coppia (generalmente c'è una coppia per ogni marcia) è solidale (può anche essere ricavato con lavorazioni meccaniche dall'albero stesso) ad un albero del cambio mentre l'altro è reso solidale al suo albero solo quando occorre, per mezzo di innesti dentati.
L'evoluzione della tecnica ha perfezionato non soltanto il disegno e la costruzione degli ingranaggi ma anche gli innesti, dotandoli di sincronizzatori (una sorta di piccola frizione): essi portano l'ingranaggio allo stesso regime dell'albero prima di renderlo ad esso solidale. Questa tecnologia è così matura che il rendimento meccanico di una coppia d'ingranaggi è correntemente superiore al 90% e anche il cambio completo dissipa ben poca potenza.

 

Ingranaggi o cinghie, lo scopo è cambiare
Queste coppie possono essere selezionate manualmente - con la leva che tutti ben conosciamo - o automaticamente, con dei servomotori che, coordinati da una centralina elettronica, si incaricano di disinnestare la frizione, selezionare la marcia e innestare nuovamente la frizione stessa, per un meccanismo d'azione simile all'azionamento manuale. Una variante recente e molto ben considerata è il cambio a doppia frizione, nel quale le coppie di ingranaggi sono distribuite su due alberi invece che su uno solo: ognuno dei due alberi dispone di una propria frizione. Questo accorgimento tecnico permette di non interrompere mai il flusso della trazione perché si può innestare la marcia successiva quando ancora la precedente è attiva: il passaggio dall'una all'altra comporterà quindi soltanto l'apertura di una frizione e la chiusura dell'altra, azioni coordinate da un "controllore" elettronico.
I cambi automatici a convertitore di coppia hanno sempre avuto il vantaggio - se ben progettati - di un cambio di rapporto fluido e senza scossoni sia perché il convertitore stesso (lo abbiamo visto nello scorso numero) è un collegamento idraulico, non rigido come uno meccanico, sia perché le coppie di ingranaggi sono sostituite da gruppi epicicloidali. In essi gli ingranaggi sono ad assi paralleli: partendo dal centro troviamo un albero dentato centrale detto solare, dei satelliti che lo circondano e ingranano contemporaneamente su di esso e su un altro ingranaggio cavo esterno, la corona. Il rapporto di trasmissione varia a seconda che il moto sia prelevato dagli ingranaggi planetari, dalla corona o dal solare, la selezione avviene bloccando l'uno o l'altro di questi elementi con apposite frizioni o freni. La dolcezza della cambiata deriva dal fatto che gli ingranaggi sono sempre in presa - evitando le potenziali ruvidità degli innesti - mentre il blocco degli alberi può essere graduale quanto si vuole giocando sulle frizioni e sui freni.
Il cambio di velocità idraulico, eccezion fatta per una motocicletta Honda, ha in pratica applicazioni soltanto nel campo dei veicoli industriali mentre una menzione va fatta per il variatore a pulegge espansibili, usato in qualche auto e nella grande maggioranza degli scooter.
Si tratta di una trasmissione che usa una cinghia flessibile, costruita con materiali gommosi o con anelli e piastrine di metallo, che trasmette il moto da una puleggia trascinata dal motore ad una collegata alla ruota motrice. La puleggia motrice e quella condotta sono divise in due metà che possono avvicinarsi fra di loro: più esse sono vicine e più la cinghia lavorerà su un diametro ampio. Quando il veicolo è fermo con il motore al minimo le due metà saranno distanti, la puleggia motrice sarà "larga" e la cinghia si posizionerà vicino all'asse della puleggia stessa. Inversamente accadrà nella puleggia condotta: le sue due metà saranno vicine - una molla tarata agirà in tal senso - e la cinghia sarà lontana dall'asse; la frizione centrifuga posizionata in questa puleggia non sarà innestata e la ruota non sarà trascinata.
Accelerando succederanno due cose: la frizione "attaccherà", trascinando la ruota, e delle massette poste nel mozzo della puleggia motrice verranno spinte verso l'esterno dall'azione dalla forza centrifuga, avvicinando le due semipulegge e forzando la cinghia a lavorare su un diametro più ampio. Dato che la cinghia è praticamente inestensibile essa tenderà ad avvicinarsi all'asse della puleggia condotta e, vincendo la forza della molla, ne divaricherà le due metà, con il risultato che il diametro sul quale si avvolge la cinghia ora sarà maggiore nella puleggia conduttrice rispetto alla condotta. Il rapporto di trasmissione simulerà una marcia alta, nel senso che il motore girerà piano, rispetto alla ruota, come se avessimo messo la quinta o la sesta. La variazione dei rapporti può anche avvenire in maniera manuale, agendo su un motorino che imponga la distanza fra le semipulegge motrici.

 

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