Tecnica

pubblicato il 29 gennaio 2007

Il cambio automatico “classico”

Il cambio automatico “classico”

Selespeed, Multitronic, Dualogic, DFN, Tiptronic, F1, Sensodrive, SMG, DSG... e chi più ne ha più ne metta! Dietro questi nomi, sigle fantasiose e accattivanti, che fanno molto hi-tech, si nascondono una nuova generazione di trasmissioni. Un tempo (non molto lontano) i cambi automatici erano sinonimo di spreco di carburante, scarsa capacità di conduzione del proprio veicolo, e mortificazione delle prestazioni. Ora, grazie all'evoluzione della tecnica sono sempre più richiesti e apprezzati, tanto da essere utilizzati dalle stesse Case come armi efficaci per conquistare nuovi clienti, nonchè, tema di grande attualità, per ridurre consumi ed emissioni inquinanti.
Orientiamoci, quindi, in questo affascinante universo per capire cosa vi si nasconde... oltre alla mancanza della frizione!



IL CAMBIO AUTOMATICO
E' il cambio automatico "propriamente detto", il più diffuso, dal momento che le prime applicazioni in campo automobilistico risalgono agli anni Cinquanta, quando fece la sua comparsa nel mercato degli Stati Uniti su vari modelli Ford, General Motors e Chrysler. Sebbene nel corso della storia dell'automobile siano stati ideati molti tipi di cambi automatici, quando parliamo di automatico classico ci riferiamo al cambio idraulico con convertitore di coppia e rotismi epicicloidali. Cosa si nasconde dietro a questi astrusi termini tecnici? Essi sono il cuore, gli organi vitali di un cambio automatico. Vediamoli in dettaglio.

Il convertitore di coppia è un dispositivo idraulico che fa, in pratica, le veci della classica frizione impiegata nei cambi manuali tradizionali: il suo compito è creare un accoppiamento, più o meno solido, tra il motore e il cambio stesso. L'aggettivo "idraulico" deriva dal fatto che per espletare la sua funzione, il convertitore di coppia utilizza un fluido, generalmente un olio poco viscoso. Il convertitore si presenta come una grossa e robusta "ciambella" metallica al cui interno possono essere individuati due elementi dalla forma anch'essi a ciambella: da un lato, collegata direttamente albero motore, troviamo la pompa, dall'altro, connessa all'albero di ingresso del cambio, si trova un motore idraulico o turbina. Le due parti sono molto vicine tra di loro ma non in contatto, e sono immerse nel fluido. Sia la pompa che la turbina sono provviste di palette che formano dei canali disposti a raggio ma con una certa inclinazione (un po' come una stella con le punte curvate) all'interno dei quali è obbligato a scorrere il fluido seguendo un determinato percorso.

La pompa, posta in rotazione dal motore, raccoglie il fluido al centro e lo spinge, per effetto della forza centrifuga, verso l'esterno imprimendogli anche un moto vorticoso. Il fluido viene quindi raccolto dalla turbina, ma ora entra dalla periferia ed è guidato dai suoi canali verso il centro dove viene espulso; da qui attraversa un terzo elemento detto statore, che ha il compito di guidarlo nella maniera più efficiente possibile, e infine viene poi ricatturato dalla pompa per ricominciare il ciclo. Ricapitolando: nella pompa il fluido segue il percorso centro-periferia, nella turbina periferia-centro. Ora, ci si potrebbe giustamente chiedere, tutto questo gran turbinio di fluido come riesce a far muovere una automobile? Per capirlo, dobbiamo tornare ai canali presenti nella pompa e nella turbina e ragionare sulla loro forma. Infatti, il fluido spinto nei canali della turbina subisce una deviazione, e per le leggi della fisica, se si vuole cambiare la direzione di un corpo (liquido, solido o gassoso non ha importanza) in movimento bisogna applicare una forza, e Newton ci insegna che ad ogni forza ne corrisponde una uguale e contraria. Così come i canali della turbina deviano il fluido (precedentemente energizzato dalla pompa mossa dal motore), il fluido deviato esercita una forza sulle palette sulla turbina...e finalmente la mette in rotazione, insieme al cambio e alle ruote motrici. Lo scambio di forze tra pompa e turbina, attraverso il fluido, è tale che a basse coppie e alte velocità in entrata del dispositivo corrispondono alte coppie e basse velocità in uscita: da qui il nome di convertitore.

Il convertitore di coppia, pur creando una separazione tra motore e cambio, è capace, come visto, di renderli solidali attraverso un fluido di lavoro, riuscendo ad assolvere a due compiti: da un lato, ai regimi medio-alti e con il crescere delle forze nel fluido, permette il trasferimento di coppia tra motore e cambio; dall'altro, a regimi decrescenti, il dispositivo risulta sempre meno efficiente e, generando forze via via più basse, permette uno slittamento graduale che consente al motore di non arrestarsi pur con il veicolo fermo. Quest'ultimo compito, in un veicolo a cambio manuale, è ovviamente svolto dalla frizione con l'intervento del guidatore. Lo slittamento, che si verifica anche ai regimi più alti seppure in forma minore, rappresenta però una perdita energetica (parte del lavoro del motore viene disperso sotto forma di riscaldamento del fluido) che si traduce in un maggiore consumo di combustibile del veicolo e nell'effetto acusticamente sgradevole di "frizione che slitta"; per limitare questi fenomeni, i moderni convertitori integrano un sistema a frizione che unisce meccanicamente la pompa e la turbina a velocità costante.

Ultima funzione che interessa il convertitore di coppia è il "parcheggio". A motore fermo, a differenza di un cambio manuale in cui lasciando una marcia inserita si ottiene il bloccaggio delle ruote, in un cambio automatico del tipo illustrato viene meno qualsiasi forma di collegamento rigido tra cambio e motore (il fluido è a riposo e non può esercitare alcuna forza) lasciando, di fatto, le ruote della vettura libere. Per questo motivo nei veicoli con cambio automatico è prevista una apposita funzione di parcheggio (identificata sul selettore dalla lettera "P") che blocca meccanicamente, tramite un perno, la trasmissione.

Come in una trasmissione manuale, la frizione trasferisce il moto al cambio, qui il convertitore di coppia trasferisce il moto al complesso dei rotismi epicicloidali.

Per "rotismo epicicloidale" si intende un sistema di ruote dentate composto da tre elementi: i satelliti, il sole e la corona. I termini sono dovuti alla loro disposizione "astronomica": al centro abbiamo la ruota dentata detta sole o pignone, circondata da due o più ingranaggi (i satelliti), montati su un organo porta-satelliti detto planetario; il tutto è posto all'interno di una anello circolare, la corona, con i denti posti internamente.

Il nome di questo dispositivo deriva dal fatto che il movimento degli ingranaggi satelliti è simile a quello che si supponeva avessero i pianeti del Sistema Solare nel sistema tolemaico, in cui si ipotizzava l'esistenza di moti detti epicicli.

Il rotismo epicicloidale è un dispositivo ingegnoso: il sole è a contatto solo con i satelliti i quali ingranano solo con la corona, mentre non vi è ingranamento tra sole e corona. Ognuno dei componenti può essere sia quello di ingresso del moto (collegato al motore attraverso il convertitore di coppia), sia quello di uscita (collegato alle ruote tramite il differenziale), o essere mantenuto fermo: la scelta di un ruolo per ciascuno di essi determina, in ultimo, il rapporto di trasmissione adottato durante il funzionamento da un cambio automatico.

Tale scelta è affidata ad un sistema di freni che agiscono, a seconda dei casi, sulla corona, sul sole o sul planetario, e talvolta anche mediante l'uso di frizioni (di solito multidisco) che rendono solidali tra loro due di questi tre elementi: infatti, bloccando la corona esterna con l'ingresso applicato al pignone e l'uscita sul planetario si ottiene un rapporto di riduzione (velocità di uscita minore di quella di entrata, in pratica un marcia "corta"), mentre bloccando il pignone, con l'ingresso al planetario e l'uscita alla corona, si ha un rapporto di moltiplicazione (una marcia "lunga", detta anche overdrive); infine, con il planetario fermo, l'ingresso al pignone e l'uscita sulla corona, si ottiene una riduzione ma con una rotazione invertita, cioè la retromarcia.

Nella configurazione più semplice, con un rotismo epicicloidale si possono avere due rapporti in avanti e uno indietro, ma sappiamo che i moderni cambi automatici hanno un numero di marce che va da 4 a 7, più la retro. Ciò è possibile collegando in serie più rotismi, con ogni planetario solidale al pignone successivo, realizzando un gruppo compatto, capace di molti rapporti di trasmissione e con gli assi di ingresso e uscita allineati.

Vediamo ora con quale logica si passa automaticamente da una marcia all'altra.

Chi ha guidato una vettura con cambio automatico avrà certamente notato alcuni comportamenti tipici: se si accelera gradualmente, i cambi marcia avvengono a un regime inferiore rispetto a quando si accelera bruscamente; se si inserisce manualmente un rapporto basso, la scalata avverrà solo se la vettura non procede ad una velocità troppo alta per quel rapporto; schiacciando rapidamente il pedale del gas, la trasmissione passa al rapporto inferiore (è il noto kick-down).

Tutte queste situazioni sono gestite da un complesso sistema idraulico formato da diversi componenti, detto attuatore. Il "cervello" è costituito da una scatola metallica in cui sono ricavati dei canali, come a formare un intricato labirinto; realizzare lo stesso sistema con dei tubi, avrebbe richiesto molto più spazio e un gran numero di connessioni. Una apposita pompa, collegata la motore, aspira un olio (lo stesso del convertitore di coppia) e lo spinge in questo circuito. L'immissione è controllata da una valvola detta regolatore, la cui apertura è direttamente proporzionale alla velocità di rotazione della trasmissione. Per poter funzionare correttamente, un cambio automatico necessita però di conoscere le condizioni in cui lavora il motore: ciò si ottiene o misurando semplicemente la posizione dell'acceleratore oppure, in maniera più accurata, valutando la depressione che si viene a formare nel collettore di aspirazione (più è alta, maggiore è il carico richiesto al motore).

La fase di cambio di rapporto è demandata ad un gioco di pressioni che ha luogo in apposite valvole a pistoni che da un lato sono messe in comunicazione con l'olio del regolatore, dall'altro con l'aria dell'impianto di aspirazione: il pistone si sposterà in una direzione o nell'altra a seconda della pressione (e quindi della forza) agente sulle sue facce, permettendo il passaggio dell'olio solo in alcuni canali dell'attuatore. L'olio in pressione, guidato lungo predeterminati canali, andrà ad agire sui freni e le frizioni presenti nei rotismi epicicloidali determinando il rapporto di trasmissione.

Volendo essere pragmatici, per capirne bene il funzionamento, bisogna immaginare che sul pistone l'aria agisce per passare al rapporto superiore, mentre l'olio agisce per mantenere il rapporto innestato o scalare al rapporto inferiore. Il bilanciamento (o lo sbilanciamento) tra queste due forze, che agiscono in contrapposizione, determina il mantenimento del rapporto o il passaggio al marcia più alta o più bassa.

Proviamo a simulare un passaggio di marcia nel caso di una accelerazione graduale. Al crescere della velocità del veicolo, aumenta proporzionalmente la quantità di olio che passa per il regolatore (a cui corrisponde, per una legge fisica, un minore pressione dell'olio stesso), mentre la depressione dell'aria nel collettore resterà bassa (perché l'acceleratore è poco premuto): quindi, dal lato del pistone su cui agisce l'olio ci sarà, durante tutta la fase di accelerazione, una forza progressivamente decrescente rispetto a quella presente sul lato dove agisce l'aria, e la valvola si sposterà rapidamente nella direzione che consente il passaggio alla marcia superiore.

Se invece acceleriamo bruscamente, la depressione che si viene a creare nel collettore, in seguito all'apertura totale della farfalla, sarà tanto elevata da creare una minima forza sul pistone della valvola dell'attuatore. Verrà quindi mantenuta la marcia inserita fino a quando l'olio, sull'altra faccia del pistone, non raggiunga una pressione tale da generare un forza ancora più ridotta: e ciò si verifica solo se il regolatore (e quindi il motore) si apre al massimo, ovvero ad alto numero di giri. In questa condizione, il cambio di marcia si verifica automaticamente ad alti regimi di rotazione.

Nella fase di kick-down avviene esattamente il contrario: si genera una forte e improvvisa depressione nel collettore che fa crollare la forza agente sul lato aria del pistone, per cui la pressione dell'olio "vince" e lo sposta in direzione opposta permettendo di scalare al rapporto inferiore.

L'utilizzo di una unica valvola consentirebbe di scegliere solo tra due marce, ragion per cui nei cambi automatici sono presenti più valvole ognuna delle quali lavora solo in un certo range di pressione. Inoltre, nei moderni cambi automatici le valvole sono di tipo elettro-meccanico e governate da centraline che controllano matematicamente molti altri parametri: il regime motore, se il pedale del freno e dell'acceleratore sono premuti e quanto, la velocità di imbardata (che segnala se e come si percorre una curva), eventuali segnali dall'ABS, se si viaggia in salita o in discesa...al fine di garantire il rapporto più idoneo in ogni condizione di marcia e adeguandosi allo stile di guida del pilota. Grazie ad una così raffinata gestione elettronica, i moderni cambi automatici non presentano più quei fastidiosi comportamenti delle trasmissioni del passato, come l'inserimento della marcia più lunga al rilascio dell'acceleratore (sempre per il gioco di pressioni...), le scalate in curva che possono squilibrare la vettura, e il ridotto freno motore offerto.

Il cambio automatico classico si presenta al guidatore, nonostante la complessità della meccanica che lo costituisce, in maniera molto semplice: una leva che può essere spostata avanti e indietro (non ad "H" come i cambi manuali) in determinate posizioni. Comuni a tutti questi cambi sono la posizione di parcheggio ("P"), la retromarcia ("R"), il folle ("N") e la posizione di marcia normale ("D", cioè Drive) in cui le cambiate avvengono automaticamente; inoltre sono presenti altre due-tre posizioni che permettono di selezionare e mantenere dei rapporti fissi, utili in alcune circostanze. Gli autobus urbani, dove gli automatici sono da quasi trent'anni una costante, hanno in genere una piccola pulsantiera in luogo del selettore a leva, mentre da diversi anni, le vetture più importanti e sportive offrono la possibilità di utilizzare il cambio automatico come se fosse manuale, lasciando al guidatore la decisione di quale rapporto inserire (con la supervisione dell'onnipresente elettronica): per fare ciò è sufficiente spostare la leva del selettore di lato e dare piccoli colpetti in avanti e dietro per salire o scendere di marcia. La prima Casa ad introdurre questa funzione è stata nientemeno che la Porsche con la sportivissima «911 Carrera» del 1990 equipaggiata con l'automatico ZF «Tiptronic».

Snobbato dalla maggior parte degli automobilisti, un po' torto e un po' a ragione, l'automatico con convertitore di coppia sta incontrando una crescente diffusione, non solo sulle grandi berline di rappresentanza, ma anche sulle «medie», fino ad arrivare alle supersportive, come la già citata Porsche, o la Jaguar, finanche la Ferrari, che ha adottato una trasmissione a (soli) 4 rapporti sulla «456 M GTA».

Tra le ragioni di questo appeal, c'è senza dubbio il felice accoppiamento con i moderni Diesel ricchi di coppia (poco indicati, proprio per la loro esuberanza, ad altri diffusi automatici come quelli a variazione continua CVT), la raffinata gestione elettronica che ha quasi annullato i suoi punti deboli, la dolcezza di funzionamento, la possibilità di "divertirsi" selezionando manualmente le marce senza rinunciare al confort. Uniche note dolenti sono ancora il suo costo, più elevato rispetto a un cambio manuale, e che può incidere notevolmente sul prezzo di una automobile, e la sua elevata complessità costruttiva.

Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica

Iscriviti alla Community

Scrivi un commento

Condizioni d'uso
Vai allo speciale
  • Le ragazze del Salone di Parigi 2014 - Salone di Parigi 2014 - 19
  • Salone di Parigi 2014, le ragazze più belle - Salone di Parigi 2014 - 6
Vai al Salone Salone di Parigi 2014
 
Top