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Articoli - Archivio

04/07/2011
La trasmissione

Dal motore alle ruote (terza puntata)

Se le ruote non girano anche il motore più potente non riuscirà a far muovere il veicolo. La conversione della potenza del motore in movimento è indispensabile e viene portata a termine da una catena di molti organi: la trasmissione

 

di Nicodemo Angi'

La potenza e la coppia del motore sono state adeguatamente “trattate” dalla frizione e dal cambio: per iniziare a muoversi occorre ormai solo un ultimo passaggio, ossia il loro trasferimento alle ruote. Spetta infatti a loro scaricare a terra la coppia generata dal propulsore in modo che, per reazione, il veicolo possa avanzare ed è perciò necessaria una catena trasmissiva - la trasmissione, per l’appunto - che la trasferisca dall’uscita del cambio fino alle ruote.
In realtà molti motori elettrici hanno caratteristiche tali da poter essere utilizzati senza né frizione né cambio. Fra le caratteristiche di queste unità c’è infatti quella di erogare la loro coppia massima già a zero giri ed il riuscire a raggiungere, grazie all’assenza di parti in movimento alterno, regimi di rotazione piuttosto elevati. Queste peculiarità rendono possibile il loro montaggio direttamente sulle sospensioni, in modo che la ruota possa essere calettata direttamente su di essi. Essendo lo spazio a disposizione piuttosto limitato è chiaro come le unità adottate non possano essere molto potenti ma questo ostacolo non è molto grave dato che la coppia favorevole e la possibilità di montare perfino quattro propulsori, uno per ruota, permetterebbero di ottenere un veicolo con una dinamica soddisfacente. Il vero limite è, con la tecnica odierna, l’eccessivo valore delle masse non sospese, che rischia di compromettere il comportamento delle sospensioni.

Portare la potenza dove serve
Tornando al nostro amato motore endotermico possiamo dire che la trasmissione è assolutamente indispensabile: esso, ormai lo sappiamo, non è in grado di funzionare se collegato rigidamente alle ruote. Ha infatti bisogno di una frizione (o dispositivi che possano esplicare la stessa funzione) e di un qualche meccanismo che possa variare il rapporto fra il suo regime di rotazione e quello delle ruote. Inoltre il gruppo motore-cambio è, nella pratica totalità dei casi, non vicinissimo alle ruote ed è più stretto della carreggiata, donde la necessità di prelevare l’energia motrice e portarla lì dove serve, ovvero all’insieme cerchi-coperture.
Vediamo allora i componenti della trasmissione, partendo dall’uscita del cambio. Già a questo primo “crocevia” è possibile prendere direzioni diverse, a seconda di come siano le posizioni reciproche del motore e delle ruote motrici. Nel caso che essi siano vicini, allora dopo il cambio troveremo una semplice coppia (o un “treno” di 3-4 elementi) di ingranaggi chiamata riduzione finale. Essa è a monte del differenziale e riduce di un fattore pari a circa tre - quattro volte il numero di giri delle ruote rispetto quello dell’albero di uscita del cambio; la presenza di questa riduzione fornisce al progettista un ulteriore elemento per accordare l’erogazione del motore all’automobile sul quale esso sarà montato. Un’altra scelta deriva dall’orientamento reciproco fra gli assi del motore e delle ruote: se il motore è disposto longitudinalmente sarà infatti necessario che due ingranaggi siano conici oppure ipoidali, in modo da “girare” di 90° l’asse del differenziale rispetto a quello del cambio. Se anche il motore è trasversale allora sarà possibile usare ingranaggi cilindrici, dato che gli assi di motore e differenziale saranno paralleli. Qualora le ruote motrici siano lontane dal motore e in ogni caso se l’auto è a trazione integrale sarà necessario ricorrere ad un albero di trasmissione, un elemento che serve a collegare l’uscita del cambio alla scatola del differenziale. La sua forma è grossomodo tubolare e di solito è dotato di almeno un giunto cardanico. Talvolta è costituito da due o più sezioni collegate tra di loro e può anche presentare un supporto intermedio, praticamente obbligatorio nelle applicazioni nel campo dei veicoli industriali e commerciali a trazione posteriore, vista la grande lunghezza presentata dall’albero. L’albero di trasmissione presenta anche un giunto scanalato, che permette un certo scorrimento assiale di due sezioni dell’albero: esso è necessario per assorbire le variazioni di distanza che si verificano durante l’escursione verticale della sospensione. Questo tipo di accoppiamento prevede un manicotto con scanalature interne nel quale si inserisce la parte finale – scanalata in maniera omologa ma all’esterno – della porzione di albero che deve avere la possibilità di scorrere longitudinalmente. Nei veicoli a trazione integrale a volte si usano due alberi di trasmissione, necessari per  collegare il ripartitore centrale ai differenziali anteriori e posteriori. Un’interessante variante di questi schemi di trasmissione è il transaxle, usato nelle auto a motore anteriore e trazione posteriore, che ingloba in un blocco unico frizione, cambio e differenziale: l’elemento risultante, piuttosto pesante, permette una migliore ripartizione dei pesi rispetto allo schema “tutto avanti” che prevede in posizione posteriore il solo differenziale. Il transaxle prevede a volte un grosso tubo che collega rigidamente il motore al gruppo posteriore e al cui interno ruota l’albero di trasmissione.

Differenziali & Co.

Un altro importantissimo elemento della trasmissione è il differenziale, quel dispositivo che permette una piccola differenza di velocità fra le ruote motrici quando si percorre una curva. La sua presenza è resa obbligatoria dalla semplice considerazione che, in curva, le ruote interne percorrono una distanza minore rispetto a quelle esterne e la cosa, se non crea problemi alle ruote non motrici (che girano liberamente) porterebbe le ruote motrici a slittare se esse fossero calettate rigidamente su un asse comune. Questo elemento prevede una gabbia che porta un paio di assi alle estremità di ognuno dei quali è montata una  coppia di ingranaggi folli detti satelliti. Essi si innestano con due ingranaggi a cono, i planetari, rigidamente calettati sui semiassi, gli elementi che portano il moto alle ruote. La gabbia portasatelliti è solidale al grosso ingranaggio, detto corona, che riceve il moto dall’albero di trasmissione. Durante una curva i satelliti, privi di rotazione nella marcia in rettilineo, gireranno lentamente intorno al loro asse permettendo un piccolo scorrimento reciproco dei due semiassi.
Un differenziale di questo tipo è però in difficoltà nel caso una delle ruote perda aderenza: in questo caso, infatti, la coppia trasmessa alla ruota con più aderenza sarà quasi nulla mentre l’altra girerà vorticosamente. Per superare questo tipo d’inconveniente si sono sviluppati i differenziali bloccabili manualmente o autobloccanti che inibiscono temporaneamente, grazie a innesti, lamelle o frizioni, lo scorrimento relativo dei due semiassi; il funzionamento brusco e le improvvise variazioni di assetto che si sperimentano all’atto del blocco hanno spinto i costruttori a sviluppare differenziali a scorrimento limitato, che non si bloccano, cioè, completamente. Vari sistemi, anche a controllo elettronico, sono stati sviluppati; buona diffusione hanno gli elementi meccanici, come il differenziale Torsen.
Un tipo particolare di differenziale è il ripartitore di coppia, usato dai veicoli a trazione integrale per suddividere fra i vari assi di trazione, in una misura prestabilita in fase di progetto, la coppia prodotta dal motore. In genere questo compito è svolto dallo stesso gruppo che permette la piccola differenza di velocità fra i due assali durante la percorrenza delle curve. La percentuale di coppia che deve andare ai vari assi può essere controllata elettronicamente o stabilita meccanicamente, ad esempio tramite ingranaggi epicicloidali simili a quelli usati nei cambi automatici.
Altri elementi cruciali nei sistemi di trasmissione sono poi i giunti, ossia quei sistemi che permettono di collegare due alberi i cui assi di rotazione non sono allineati ma possono formare un angolo, anche variabile, e di entità eventualmente considerevole: essi sono usati nel comando dello sterzo, negli alberi di trasmissione e nei semiassi. Il giunto cardanico è uno dei più semplici (la sua concezione risale a diversi secoli fa) e prevede una crociera dotata di quattro articolazioni con cuscinetti. Due di essi si impegnano in una forcella solidale all’albero conduttore e gli altri due in una forcella simile ma vincolata all’albero condotto. In questo modo il movimento viene trasmesso anche se gli alberi non sono allineati ma quando gli assi dei due alberi non sono coincidenti la trasmissione del moto subisce una serie di decelerazioni e accelerazioni anche se la velocità dell’albero conduttore è costante. È per questo motivo che questo tipo di giunto viene ormai impiegato quasi esclusivamente per comandare lo sterzo e gli alberi di trasmissione, organi nei quali l’angolo di lavoro non è mai troppo elevato.
Nei veicoli a trazione anteriore è ormai universale l’uso, nelle articolazioni delle ruote sterzanti, dei giunti omocinetici, elementi che permettono angoli anche elevati senza variazioni di velocità. La loro costruzione prevede due elementi e precisamente un elemento cavo, collegato alla ruota, che ha al suo interno una porzione sferica. La faccia interna dell’elemento esterno e quella esterna della porzione interna (scusate il bisticcio linguistico) hanno delle scanalature nelle quali si impegnano delle sfere di acciaio speciale. In questo modo il moto si trasmette uniformemente anche se gli assi di rotazione sono angolati, dato che le sfere possono scorrere trasversalmente nelle loro piste senza discontinuità durante la rotazione.
Esistono anche altri tipi di organi che si possono usare per creare una catena di trasmissione ma per brevità non ne parliamo.

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