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Tecnica

pubblicato il 5 febbraio 2007

Il cambio a variazione continua CVT

Come funziona la trasmissione dai rapporti infiniti

Il cambio a variazione continua CVT
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Probabilmente molti non lo immaginano, ma il cambio a variazione continua CVT (acronimo dell'inglese Continuously Variable Transmission, cioè Trasmissione Continuamente Variabile), è concettualmente molto vecchio; addirittura più vecchio dell'automobile: ha più di 500 anni! Da qui, è facile giungere all'ideatore, il Genio rinascimentale per eccellenza, il grande Leonardo Da Vinci.
In uno dei suoi celeberrimi schizzi, egli aveva concettualizzato un meccanismo di variazione di velocità che si sarebbe affermato secoli dopo. E visto che siamo in vena di curiosità, vi diremo anche che molti di noi hanno già avuto, inconsapevoli, la possibilità di saggiarne il funzionamento, ma non su un mezzo a quattro ruote, bensì sui ciclomotori: infatti, tutti gli scooter attuali e moltissimi di quelli passati, dai "cinquantini" fino a quelli di grossa cilindrata, hanno una trasmissione del tipo a variazione continua. E quindi, perché non tentare di fare il grande salto per applicarla anche sulle nostre automobili? Il grande salto è stato compiuto da diversi anni, e noi vi racconteremo i "perché" e i "come".

A differenza di qualsiasi altro cambio, sia automatico sia manuale, in un cambio CVT non sono presenti ingranaggi che accoppiandosi in vario modo tra di loro realizzano un certo numero finito (nel senso di opposto ad infinito, e spiegheremo il perché) di rapporti di trasmissione. Qui i componenti vitali sono ben altri: una cinghia e una coppia di pulegge, una di ingresso del moto (detta motrice) e l'altra di uscita (condotta). Rispetto a un cambio automatico classico con convertitore di coppia e rotismi epicicloidali ci sono molte meno parti e soprattutto più semplici e meno costose. Andiamo a conoscerle.

La puleggia, dal punto di vista ingegneristico, è una ruota capace di trasmettere un moto di rotazione all'albero a cui è collegata mediante le forze di attrito che sono esercitate su di essa da una cinghia o da una fune che la avvolgono. Nel contesto dei cambi CVT, la puleggia può essere immaginata come formata da due coni molto schiacciati affacciati per la base minore: vista frontalmente, presenta un solco o gola a forma di V, all'interno del quale va a posizionarsi la cinghia, sagomata in maniera tale da aderire perfettamente con le pareti del solco. La particolarità delle pulegge dei cambi CVT è che i coni che le costituiscono possono avvicinarsi e allontanarsi tra di loro: così facendo, il solco che essi generano, se continuiamo ad osservarlo frontalmente, si sposta verso l'esterno quando si avvicinano e verso l'interno quando si allontanano. In pratica, ciò che varia è il diametro su cui si avvolge la cinghia, costringendola a "salire" o a "scendere".

La cinghia è il componente più importante e delicato. Nelle prime applicazioni dei CVT (per la DAF «600» del 1958 su progetto dell'olandese Van Doorne) era in gomma, ma ciò limitava drasticamente le forze e le coppie che potevano essere trasmesse, oltre alla durata. A metà degli anni Ottanta fu però introdotta dalla Van Doorne (azienda fondata dall'omonimo progettista già citato) la cinghia metallica che ha permesso di superare molti vincoli ed è stata universalmente adottata su tutti i cambi CVT. Essa è formata da due nastri d'acciaio paralleli, ognuno dei quali costituito da una dozzina di sottili strisce sovrapposte, tenuti insieme, per tutta la loro lunghezza, da centinaia di piastrine di metallo. Quando la cinghia è avvolta sulle due pulegge, trasmette la coppia dalla puleggia motrice alla puleggia condotta attraverso le forze di attrito che si generano tra le piastrine e la gola delle pulegge. Questa cinghia metallica è un po' particolare perché non trasmette la forza, come ci si potrebbe aspettare, per trazione bensì spinge le piastrine "impacchettandole" tra di loro e facendole aderire alla puleggia condotta, che così viene messa in rotazione. Purtroppo la forza necessaria per premere i due coni delle pulegge sulla cinghia evitando lo slittamento è notevole (si tratta di attrito tra due metalli), e richiede l'utilizzo di pompe olio ad alta pressione che assorbono potenza e riducono il rendimento di questo cambio.

Avviciniamoci alla procedura che determina il rapporto di trasmissione di un CVT aiutandoci con un paragone "ciclistico". Consideriamo una bicicletta moderna, di quelle con il cambio sia davanti sulla corona che dietro sul pignone. Tutti abbiamo notato che inserendo un corona piccola e un pignone grande riusciamo a superare agevolmente anche le salite più impegnative, il che avviene a velocità relativamente bassa nonostante il vorticoso "mulinare" delle nostre gambe. Al contrario, spostando la catena sulla corona più grande e sul rocchetto più piccolo, raggiungiamo, dopo un lungo slancio, velocità ben più alte con pedalate molto meno frequenti ma ben più faticose: alla prima, leggera, salita rallentiamo inesorabilmente.

Nel primo esempio abbiamo realizzato un rapporto molto corto, di quelli adatti alle partenze, nel secondo un rapporto molto lungo, da "crociera": tra questi due estremi, possiamo scegliere un certo numero di rapporti intermedi. Ebbene, in un cambio a variazione continua il concetto è il medesimo, ma il numero di rapporti intermedi è...infinito! Infatti, i coni che costituiscono le pulegge possono muoversi in maniera continua, variando il diametro della gola su cui si avvolge la cinghia tra due configurazioni estreme all'interno delle quali esistono una infinità di diametri possibili. Quando una puleggia incrementa il suo diametro, l'altra lo riduce proporzionalmente, affinchè la cinghia non risulti troppo "lenta" o troppo tesa: per analogia con la nostra bicicletta, un rapporto corto si realizza con la puleggia motrice di piccolo diametro e la condotta di grande, viceversa si ha un rapporto lungo. Le pulegge riescono cosi' a realizzare una spaziatura (cioè la differenza di rapporto tra marcia più lunga e più corta) notevole, equivalente a quella di un manuale a 6 marce.

Una evoluzione della cinghia è rappresentata dalla catena progettata dalla tedesca Luk e che ha debuttato nel 2000 sull'automatico «Multitronic» dell' Audi «A6 2.8». Rispetto alla cinghia Van Doorne, lavora in trazione (come ogni catena) e riesce ad avvolgersi su pulegge più piccole, consentendo di realizzare, a parità di ingombro del cambio, una gamma ancora più ampia di rapporti di trasmissione.

La guida di una vettura equipaggiata con un cambio CVT offre sensazioni molto particolari: non si avverte, come con i cambi manuali o automatici classici, quell'effetto di accelerazione a "strappi" o variazioni di regime, ma il motore si porta subito al regime corrispondente alla potenza richiesta dal guidatore, e lì si stabilizza, mentre la velocità aumenta in maniera fluida, senza sussulti e scossoni, al solo variare del rapporto di trasmissione. La contropartita è uno sgradevole effetto acustico del tipo "frizione che slitta", a cui ci hanno abituato gli scooter in accelerazione. E' evidente che un CVT consente al propulsore di lavorare più spesso intorno al regime di maggiore efficienza, compensando ampiamente il minore rendimento intrinseco rispetto ad un cambio manuale, grazie alla fluidita' di marcia e alla possibilità di avere a disposizione il rapporto ideale (e non solo 5 o 6) per ogni condizione di utilizzo della vettura. Con il motore sempre in "tiro" anche le prestazioni ne beneficiano, tanto che, negli anni Novanta, addirittura la Williams Renault era interessata ad un utilizzo in «Formula 1» del CVT, prima di venire ostacolata dal regolamento.

Agli inizi della loro diffusione i cambi automatici CVT erano appannaggio solo delle utilitarie - ricordiamo le Fiat Uno e Panda della serie "Selecta" degli anni Ottanta e la Nissan «Micra» del 1992, prima vettura di grande diffusione ad esserne equipaggiata senza sovrapprezzo - a causa del loro limite di non riuscire a trasmettere elevate coppie: per evitare che la cinghia, in presenza di carichi eccessivi, slitti, sarebbe necessario premere le pulegge con forze tanto elevate che richiederebbero un alto assorbimento di potenza da parte della pompa idraulica. Poi, con il «Multitronic» Audi, dotato di catena, l'impiego del CVT si è esteso fino a motori con coppie dell'ordine dei 300 Nm, e oggi, con una gestione elettronica sempre più raffinata, nuove catene e nuove frizioni, sarà possibile spingersi oltre.

A proposito di frizioni, i cambi automatici CVT non ne sono certo sprovvisti (nessun motore endotermico può farne a meno), e ne adottano di diverso tipo a seconda del motore con cui sono accoppiati.

Fino a coppie basse, diciamo di 100 Nm, come quelle erogate dai propulsori di vetture cittadine, si usa la friziona elettromagnetica a polveri, di semplice costruzione ed esente da usura. Come ogni frizione, è costituita da due dischi, uno collegato al motore e l'altro al cambio, resi solidali attraverso il passaggio di corrente che magnetizza la polvere ferrosa che li separa, la quale si "attacca" così ad entrambi come una calamita: variando l'intensità della magnetizzazione si modula la progressività dell'innesto.

Con propulsori più vigorosi, ma comunque quando è richiesto un maggior confort, si adottano i convertitori di coppia, con bloccaggio dello slittamento che si attiva già a basse velocità per non penalizzare consumi e prestazioni, per una guida estremamente fluida; la contropartita è un gruppo più complesso, pesante e costoso.

Molti automatici CVT di ultima generazione offrono la possibilità di un utilizzo manuale: spostando la leva da un lato e spingendola avanti o indietro, si comandano le pulegge di variare il loro diametro in maniera determinata e non più continua, simulando il funzionamento di una trasmissione manuale. I più evoluti CVT, come quelli adottati da Audi e Honda, arrivano oggi addirittura ad offrire 7 marce in modalità manuale. L'elettronica permette anche di ridurre l'effetto "frizione che slitta" mediante una logica di funzionamento che anzichè mantenere costante il regime motore e variare solo il rapporto di trasmissione, fa subito impennare rapidamente il regime quando viene dato gas, per poi farlo crescere gradualmente e contemporaneamente all'allungarsi del rapporto di trasmissione.

Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica


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