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Tecnica

pubblicato il 12 febbraio 2007

I cambi robotizzati e a doppia frizione

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Il cambio robotizzato ha acquistato notorietà quando venne adottato nel 1988 sulla Ferrari di «Formula 1», liberando il pilota dall'incombenza di agire sulla leva del cambio e sul pedale della frizione (entrambi pesanti come macigni), visto che il passaggio da una marcia all'altra avveniva semplicemente tirando delle levette poste dietro al volante, una per salire, l'altra per scalare. Queste nobili origini hanno fatto sì che, al momento del travaso di tecnologia dal mondo delle corse alla produzione di serie, i modelli che li adottarono acquisissero automaticamente una fama di sportività, spesso non supportata dalla realtà dei fatti. Ma questi sono stati, e sono tuttora, furberie di comunicazione e marketing, che esulano dai nostri scopi di approfondimento tecnico.

Questo tipo di cambio non rappresenta un concetto di trasmissione diverso dal comune cambio manuale che tutti conosciamo: infatti, la base di partenza è un cambio meccanico manuale, in cui tutti i leveraggi (aste e cavi) che permettono al guidatore la selezione delle marce e l'azionamento della frizione, sono sostituiti da componenti idraulici o elettrici, detti attuatori, che, come suggerisce il nome, "attuano" tutte le operazioni necessarie a cambiare rapporto di velocità: sono, in pratica, dei robot (da cui la denominazione del cambio) che fanno il lavoro al posto del guidatore.

La "robotizzazione" viene applicata su due diverse tipologie di cambi meccanici manuali: quelli tradizionali, con selettore ad "H", e quelli sequenziali, presenti su tutte le motociclette ma, relativamente alle automobili, di impiego quasi esclusivamente riservato al mondo delle corse. Dei primi, di cui abbiamo già parlato dettagliatamente nell'articolo "Tra Ruota e Motore", ricordiamo che la selezione delle marce avviene mediante lo spostamento di un manicotto dentato, comandato, tramite una forcella e dei rinvii, dalla leva del cambio: questo manicotto si va ad "ingranare" sulla dentatura laterale dell'ingranaggio della marcia prescelta rendendo solidale l'albero "primario", collegato al motore, con l'albero "secondario", collegato alle ruote. In questo caso, gli attuatori sono dei pistoncini elettroidraulici che muovono direttamente le forcelle (di solito sono due, uno per le marce pari, l'altro per le dispari), anche se spesso si utilizzano meccanismi del tipo ingranaggio-vite senza fine azionati da un motorino elettrico.

Nei cambi sequenziali esistono sempre i manicotti dentati e le forcelle, ma è differente il modo con cui vengono mossi: qui è presente un tamburo scanalato (in pratica un cilindro metallico con delle scanalature incise), posto parallelamente ai due alberi porta-ingranaggi. Le scanalature fanno da guida alle forcelle, e hanno una conformazione tale che a seguito di una rotazione del tamburo le forcelle stesse si muovono assialmente, facendo ingranare il manicotto con l'ingranaggio. E' evidente che la "robotizzazione" di un cambio sequenziale si otterrà adottando un attuatore di rotazione (in pratica un motore elettrico) che farà ruotare il tamburo dell'angolo corrispondente al rapporto da inserire.

Per amor di precisione, chiariamo la differenza fondamentale tra un cambio con selettore ad "H" e un sequenziale. Con il primo è possibile passare direttamente da un rapporto ad un altro qualsiasi (ad esempio dalla prima alla terza), mentre con il secondo (e lo sa bene chi possiede una motocicletta) si è obbligati ad inserire ogni marcia intermedia, in sequenza: questo perchè il sequenziale si affida ad un solo dispositivo, il tamburo appunto, per muovere tutte le forcelle, che viene ruotato, per inserire la marcia desiderata, di un certo angolo, passando inevitabilmente per gli angoli (e le marce) intermedi. E' meno pratico, ma d'altra parte consente cambiate più veloci e a prova di errore.

Nei cambi robotizzati, anche le fasi di attacco e stacco della frizione vengono gestite da un attuatore idraulico. Per cambiare marcia, il pilota non deve far altro che esercitare una breve pressione o sulla leva del cambio, oppure sulle levette poste dietro al volante, che fanno molto «Formula 1»...Spetta solo alla centralina elettronica eseguire tutta quella sequenza di operazioni per un cambio di rapporto (che altrimenti farebbe il guidatore): ridurre il gas, aprire la frizione, innestare la marcia, chiudere la frizione e riportare il motore a regime. Inoltre, il chip tiene sotto controllo molti parametri, quali la marcia prescelta, la posizione di acceleratore e freno, il regime motore, per evitare che venga inserito un rapporto non idoneo. E visto che "robotizzazione" fa rima con "automatizzazione", si può delegare completamente all'elettronica la selezione delle marce, per un relax totale o una condotta di guida orientata alla massima riduzione dei consumi di carburante: giusto per citare un esempio, la «Lupo 3L TDI» del 1998, riusciva a conseguire il risultato di consumare, in determinate condizioni, solo 3 l/100 km grazie anche all'intelligente gestione elettronica e all'efficienza del suo robotizzato a 5 marce.

Più in generale, quindi, un cambio robotizzato è, tra le varie di tipologie di trasmissioni automatiche, quello meno penalizzante in termini di consumo: la base di partenza è un già efficiente, semplice e leggero cambio meccanico, e l'impianto idraulico necessario al suo funzionamento richiede un basso e quasi trascurabile assorbimento di potenza poichè gli attuatori devono compiere piccoli spostamenti di lieve entità, mentre nei CVT o negli automatici idraulici sono necessarie pompe ad alta pressione per serrare, con grandi forze, le pulegge o le frizioni.

Un cambio robotizzato unisce i pregi della facilità costruttiva e dell'adattabilità a cambi manuali preesistenti con la rapidità della selezione delle marce, tanto da trovare applicazione su una varietà di vetture quanto più possibile eterogenea: lo si ritrova sia sulle piccole Smart che sulle blasonate Ferrari («F1») e Lamborghini («E-gear»).

I due estremi della breve panoramica che abbiamo elencato, rappresentano due modi di concepire il cambio robotizzato diametralmente opposti: da un lato le costose vetture supersportive, costruite in piccola serie, che offrono dei cambi di marcia che sembrano "fucilate" (ormai siamo su tempi dell'ordine dei 100 millisecondi) e mettono a dura prova stomaco e cervicale, dall'altro una miriade di cittadine che alleviano lo stress da traffico.

Dove i cambi robotizzati non possono competere con gli automatici classici e i CVT, è nel confort di guida, dal momento che permangono, anche se leggermente attenuati rispetto ad un manuale, gli "strappi" conseguenti ai cambi marcia.



IL CAMBIO A DOPPIA FRIZIONE
Tranquilli, non significa che ha due pedali della frizione! Come tutti i cambi automatizzati, ne è privo, ma in effetti la peculiarità tecnica, che approfondiremo, è la presenza di due dischi della frizione.

Questa tipologia di trasmissione, che va generalmente sotto il nome di Dual Clutch Transmission («DCT»), è quella che si è affacciata per ultima nel panorama automobilistico della grande produzione di serie, grazie alla Volkswagen che, nel 2003, ha dotato il modello di punta della «Golf», la «R 32», con un innovativo cambio a doppia frizione (su licenza BorgWarner), battezzato «DSG», che sta per Direct Shift Gearbox (si potrebbe tradurre come cambio a innesti diretti). Eppure, come spesso succede nel mondo della tecnica, anche qui non siamo al cospetto di una novità assoluta: il merito della sua invenzione è attribuito all'ingegnere francese Andolphe Kégresse, nel 1939. La sua intenzione era di utilizzarlo sulla Citroën «Traction», ma avverse situazioni finanziare e l'imminente scoppio della Seconda Guerra Mondiale bloccarono ogni ulteriore sviluppo. L'idea venne ripresa molti anni dopo, nel 1984, dalla Porsche che sviluppò una trasmissione simile a quella ipotizzata da Kégresse, nota come «PDK» (Porsche Dual Klutch), ed impiegata sulle vetture da competizioni «956» e «962 C». E la prima vittoria per una vettura equipaggiata con una cambio a doppia frizione arrivò nel 1986 alla 1000 Kilometri di Monza, con una Porsche «962». Anche Audi fece la storia di questa trasmissione, grazie alla «Sport Quattro S1» che vinse la famosa gara di rally in salita «Pikes Peak» nel 1985.

Fin qui la storia, e ora la tecnica.

Come anticipato, sono presenti due frizioni, e lo "sdoppiamento" della trasmissione non finisce qui, dal momento che anche il cambio stesso, con i suoi ingranaggi, è concettualmente diviso in due unità indipendenti. Logico aspettarsi che ogni frizione sia accoppiata ad un porzione di cambio, una concepita per l'inserimento delle marce dispari e la retro, l'altra per le marce pari.

Le due frizioni sono di forma anulare e concentriche (per avere un gruppo più compatto), da un lato accoppiate al motore, e dall'altro a due distinti alberi di ingresso al cambio, anch'essi concentrici: nel cambio «DSG», la frizione interna trasmette il moto agli ingranaggi della 2ª, 4ªe 6ª marcia attraverso un albero cavo, al cui interno è collocato l'altro albero di trasmissione che, attraverso la frizione esterna, ingrana la 1ª, 3ª e 5ª marcia e la retro. Gli ingranaggi trasferiscono poi il moto a due alberi di uscita paralleli, uno accoppiato alla 5ª, 6ª e alla retro, l'altro alle restanti marce. Infine, entrambi gli alberi di uscita si impegnano su un unico differenziale.

In pratica, un cambio così concepito si presenta come disposto su tre assi paralleli: il centrale in cui sono collocati i due alberi di ingresso concentrici, e i due laterali dove sono posizionati i due alberi di uscita, con il "flusso" di potenza che, alternativamente, a seconda della marcia inserita, "scorre" da un lato all'altro. Questa non è, però, l'unica configurazione possibile: infatti, il cambio «PDK» della Porsche aveva un solo albero di uscita su cui erano calettati tutti gli ingranaggi.

Da questa descrizione, è evidente come un cambio a doppia frizione non sia poi tanto dissimile, sia come componenti che come principio di funzionamento, da un normale cambio meccanico: ci sono vari alberi di trasmissione, ingranaggi, sincronizzatori e due frizioni che con la loro azione di "attacca-stacca" consentono la selezione delle marce. E allora, come mai viene considerato alla stregua dei cambi (semi) automatici? Perchè tutte le operazioni necessarie all'ingranamento di un rapporto non vengono effettuate direttamente dal guidatore tramite leve o pedali, ma sono a carico di un sistema idraulico e di valvole a solenoide, controllati elettronicamente. Al guidatore, come nei cambi robotizzati, non resta che premere un pulsante per cambiare marcia, con la possibilità di scegliere una guida completamente automatica.

Ma torniamo al suo funzionamento. Lo scopo delle due frizioni è di rendere possibile simultaneamente la trasmissione del moto e l'inserimento di un altro rapporto oltre a quello attualmente in uso. Mentre una delle due frizioni è innestata con una certa marcia inserita (ad esempio la 3ª), l'altra resta aperta con una marcia, superiore o inferiore (2ª o 4ª), già selezionata ma non attiva: al momento della cambiata, non si fa altro che aprire la frizione con la marcia corrente e, contemporaneamente, chiudere quella con la marcia successiva, tenendo sempre l'acceleratore premuto. E', appunto, come avere due cambi, uno in funzione e l'altro sempre pronto a prendere istantaneamente il suo posto.

Tutto ciò si traduce in una cambiata oltrechè rapidissima, rappresentata solamente dall'aprirsi di una frizione e dal chiudersi dell'altra (la Volkswagen dichiara tempi dell'ordine di 3-4 centesimi di secondo), quindi particolarmente indicata per la guida sportiva, e pressochè inavvertibile, a tutto vantaggio del confort, venendo a mancare le interruzioni di potenza tipiche di un cambio tradizionale (e di molti automatici, sia idraulici che robotizzati). Il motore rimane sempre connesso alla trasmissione, ad ogni cambiata. Si ottengono così due benefici, apparentemente opposti, ma in realtà entrambi figli di un sistema intrinsecamente efficace: l'accelerazione è continua, costante, senza pause e interruzioni, garantendo confort nella guida rilassata e elevato spunto e divertimento in quella sportiva; il consumo di carburante, e forse questo è l'aspetto oggi più importante, si riduce, grazie all'erogazione continua e fluida da parte del motore.

Insomma, sembra proprio la quadratura del cerchio! In realtà, dietro questa apparente semplicità costruttiva e concettuale, c'è un accurato lavoro di messa a punto, soprattutto a livello di sincronizzazione degli azionamenti delle due frizioni: senza l'ausilio di una raffiinata elettronica, sarebbe stato ben più difficile conciliare sia le esigenze di confort che quelle di sportività.

Il cambio a doppia frizione si candida a diventare il nuovo punto di riferimento fra le trasmissioni automatiche e non. Purtroppo, come tutti i prodotti nuovi e innovativi, paga lo scotto di un prezzo ancora elevato, ma una sua futura adozione da parte di altre Case (e molte ci stanno pensando) non potrà che renderlo economicamente competitivo oltrechè garantirne un progressivo sviluppo in termini di affidabilità ed efficacia.

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Autore: Alessio Ciarnella

Tag: Tecnica


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