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Articoli - Archivio

06/04/2011
La frizione e il convertitore di coppia

Dal motore alle ruote (prima puntata)
Molti dei nostri lettori lavorano a stretto contatto con le ruote, che conoscono perfettamente.
Ma cosa c'è a monte? Le ruote motrici sono infatti l'ultimo anello di una catena piuttosto sofisticata, che esamineremo in diverse puntate

di Nicodemo Angì

Due turbocompressori, 4 valvole, fasatura variabile, centraline elettroniche potenti quanto un computer: i motori di oggi sono un concentrato di tecnologia che permette di avere contemporaneamente bassi consumi e inquinamento, prestazioni elevate, alta affidabilità e peso ridotto. Tutto questo rende orgogliosi i progettisti e felici gli automobilisti ma... c'è un ma! Quest'abbondanza di energia sarebbe del tutto vana se non ci fossero altri dispositivi che la trasportano verso le ruote in modo che possa essere trasferita al suolo e, per reazione, far avanzare il veicolo.
Questi organi meccanici, il cui ruolo è trasmettere la forza motrice del motore fino alle ruote, costituiscono una catena cinematica che va sotto il nome di trasmissione e che è presente - a meno che non si tratti di motori elettrici montati direttamente sulle ruote - nella pratica totalità dei veicoli.

 

Un lavoro dietro le quinte
In questo speciale esamineremo proprio questi organi importantissimi ma quasi completamente invisibili, celati come sono nel sottoscocca e nel vano motore. Nella pratica totalità dei casi la loro esistenza viene infatti testimoniata soltanto dalla leva del cambio, da un certo ingombro nel tunnel centrale dell'abitacolo e da un pedale (a rischio di estinzione, vista la crescente diffusione delle trasmissioni automatiche) da premere durante i cambi di marcia.
Questa prima puntata è dedicata alla frizione e agli organi che svolgono un ruolo simile, come il convertitore di coppia. Si tratta infatti di permettere uno scostamento - variabile a piacere - fra la velocità di rotazione dell'albero motore e quella dell'albero di trasmissione. Il motivo di questo tipo d'intervento è che nessun motore a scoppio può avviarsi sotto carico: esso dev'essere già acceso all'atto dell'inserimento della trazione e quindi la velocità dei due alberi - motore e di trasmissione - occorre venga uguagliata gradualmente. Il disinnesto del motore dalla trasmissione è necessario anche durante il cambio di marcia, dato che gli ingranaggi si devono innestare e disinnestare in assenza di carico.
Varie soluzioni si sono succedute nel corso della storia dei veicoli a motore per implementare questo tipo di funzionalità. Una delle prime trasferiva ai veicoli un sistema con cinghia e pulegge già in uso su macchine statiche. La gradualità della trasmissione della coppia era ottenuta tramite uno slittamento iniziale della cinghia, indotto eventualmente tramite una diminuzione controllata della sua tensione. All'avvicinarsi dei limiti di questa soluzione iniziò l'introduzione delle prime frizioni a cono, costituite da due porzioni coniche, in grado di entrare l'una nell'altra, una delle quali collegata al motore e l'altra alla trasmissione. Uno dei due coni era rivestito di cuoio in modo che, a contatto con il metallo liscio dell'altro cono, si sviluppasse un attrito sufficiente a trasmettere la coppia del motore; i due coni erano spinti l'uno nell'altro da molle che venivano contrastate da un sistema a leva o a pedale azionato dal guidatore. Anche questo, come altri sistemi, arrivò presto al limite ma nel frattempo, fra gli anni ‘10 e ‘20, dello scorso secolo, apparvero le frizioni a dischi multipli in bagno d'olio, ancora in uso nei giorni nostri nelle moto e nei cambi automatici con convertitore di coppia.
Le attuali (e diffusissime) frizioni monodisco a secco derivano da quelle - ormai centenarie - anche se hanno un diametro superiore a parità di coppia trasmessa; d'altro canto sono molto più efficienti dato che non devono trascinare l'olio. Esse constano di due superfici, una solidale all'albero motore (essa è, nella stragrande maggioranza dei casi, proprio il volano) mentre l'altra è collegata all'albero di entrata del cambio; quest'ultima è rivestita da un adatto materiale d'attrito e ha la forma di un disco, donde il nome. Questo particolare è accoppiato al suo albero tramite un mozzo scanalato, che permette uno scorrimento assiale di pochi millimetri, sufficienti all'innesto-disinnesto del moto. Sul volano viene imbullonato una specie di coperchio, che contiene un elemento anulare - lo spingidisco - che comprime fortemente il disco condotto contro il volano tramite l'azione di una grossa molla a diaframma, il cui nome deriva dalla somiglianza con l'organo che parzializza la luce negli obiettivi fotografici. La forza di compressione della molla viene vinta dal comando a pedale, trasmesso generalmente tramite un cavo o un pistoncino idraulico, con l'intermediazione del cuscinetto reggispinta, un componente specializzato nel reggere carichi assiali elevati impartiti da organi rotanti. In effetti la molla ruota insieme al volano, trascinata da appositi ancoraggi, e sviluppa una pressione pari a qualche quintale: l'entità elevata del suo carico impedisce slittamenti non voluti anche a pieno carico. Il mozzo del disco d'attrito contiene delle molle in funzione di parastrappi, per assorbire le irregolarità nella rotazione del motore e rendere così l'innesto più dolce e progressivo.
Come anticipato, le frizioni multidisco in bagno d'olio (Ducati è fra le poche che ne usa la versione a secco) sono ancora molto usate in campo motociclistico principalmente per la loro compattezza: dato che la coppia viene ripartita su molti elementi di ridotto diametro, l'insieme risulta molto compatto, oltre a sopportare meglio gli elevati regimi dei motori da moto. Le multidisco a secco per le automobili - in genere a doppio disco - sono usate nel caso che le coppie e le potenze siano elevate (vale sempre il principio di suddividere i carichi su superfici maggiori) e si utilizzeranno sempre di più grazie alla diffusione dei cambi automatici a doppia frizione, già illustrati su Pneurama.
Un impiego pressoché universale nel campo dei motoveicoli lo hanno poi le frizioni centrifughe a funzionamento automatico. La parte collegata al motore presenta delle masse, rivestite di materiale d'attrito, inperniate in modo da potersi spostare verso l'esterno - sotto l'azione della forza centrifuga - vincendo la resistenza di molle calibrate. Coassiale ad esse è sistemato un cilindro cavo, collegato alla trasmissione: quando il regime del motore sarà sufficientemente elevato esso sarà trascinato dall'attrito prodotto dalle massette in rotazione.

 

Un po' frizione un po' no
Nell'impiego veicolare si è poi affermato un altro tipo di giunto in grado di svolgere grossomodo il lavoro di una frizione con un meccanismo completamente diverso: il convertitore di coppia. Si tratta di un componente meccano-idraulico che ha la particolarità di accoppiare due alberi diversi; la coppia trasferita dal motore alla trasmissione è massima a regimi di rotazione medio-alti e diminuisce notevolmente ai regimi bassi. In questo modo con il motore al minimo e il veicolo fermo o quasi fermo non si ha, in pratica, trasmissione di coppia motrice ed il motore non si ferma: l'effetto è quello di una frizione ma con un funzionamento completamente automatico.
La sua costituzione interna prevede 3 organi principali, tutti a simmetria circolare, dotati di palette e immersi in un olio speciale. La pompa è connessa (insieme alla scatola esterna del convertitore) all'albero motore e trasferisce all'olio, mettendolo in movimento, l'energia prodotta dal motore. La turbina, il cui disegno è, per così dire, complementare a quello della pompa, raccoglie il flusso dell'olio e ne converte l'energia in una coppia che verrà trasmessa agli organi seguenti. Da questa caratterizzazione si evince come essa sia solidale all'albero primario del cambio. Per capire i ruoli di questi due elementi un esempio utile prevede due ventilatori messi l'uno di fronte all'altro, con uno solo dei due acceso: il flusso di aria da esso prodotto investirà l'elica dell'altro, mettendola in rotazione. In pratica l'energia del primo viene parzialmente trasferita al secondo usando un fluido (l'aria in questo caso) come intermediario.
Questo processo viene ottimizzato, nel convertitore di coppia, da un terzo organo chiamato reattore o distributore (stator in inglese). Esso ha un funzionamento piuttosto complicato (è fissato ad un meccanismo che gli concede di ruotare in una sola direzione e a certe condizioni) e la sua funzione è di modificare la direzione del flusso d'olio che ritorna dalla turbina alla pompa per ottimizzare il funzionamento del tutto. È anche grazie al suo intervento che il convertitore riesce ad aumentare la coppia prelevabile all'uscita rispetto a quella in ingresso. Questo aumento si riscontra quando la differenza fra le velocità di rotazione è massima per poi annullarsi quando i regimi di rotazione di turbina e pompa sono quasi uguali. In pratica si avrà una coppia superiore proprio quando occorre, ad esempio durante lo spunto da fermo.
Non ci sono, però, solo vantaggi: mettere in movimento l'olio è un processo che dissipa molta energia (il fluido infatti si riscalda) e anche a regime c'è sempre un certo "slittamento" fra la rotazione della pompa e quella della turbina: quest'ultima non raggiungerà mai, infatti, un regime pari a quello della pompa. È per questo che i moderni cambi automatici a convertitore prevedono la possibilità di bloccare quest'ultimo, in modo da ottimizzare la gestione energetica della trasmissione. Questo sistema permette anche di avere il freno motore, altrimenti quasi assente.

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