Le trasmissioni nei mezzi pesanti

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Le trasmissioni nei mezzi pesanti. Svolgono un ruolo fondamentale nello sfruttamento delle potenzialità dei motori e quindi nel contenimento dei consumi. Un celebre tecnico degli anni ’50 soleva ripetere che un cambio non doveva avere più di quattro rapporti e che aggiungerne altri significava semplicemente… avere sempre il motore in folle. Un modo pittoresco per dire che ogni ‘cambiata’ era un’interruzione della trasmissione a terra della coppia motrice. Quel signore era inglese ed è noto come da quelle parti siano piuttosto conservatori, ma in fondo aveva ragione e introduceva inconsapevolmente un tema che è oggi di grande attualità, ovvero i sistemi per ottenere un rapido cambio della marcia. In effetti i cambi a 5, 6 e più rapporti sono diventati di uso sempre più comune, specie sui truck dove è richiesta una grande gamma di rapporti per affrontare le più svariate condizioni di guida. Perché servono più marce? Per rispondere correttamente occorre fare una breve premessa: un motore endotermico esprime la coppia motrice secondo una curva che ha i valori massimi in un range di giri definito e nel quale il motore esprime le migliori prestazioni. Dunque, idealmente, occorrerebbe utilizzare il motore proprio in quella fasci di regimi, indipendentemente dalla velocità del veicolo. E’ facile comprendere come questa condizione sia irrealizzabile con un solo rapporto e che ci si possa avvicinare ad essa solo aumentando il numero delle marce. Lo scopo del cambio è dunque quello di consentire il raggiungimento della velocità desiderata mantenendo il motore sempre attorno al regime di coppia massima. Questo comporta anche dei vantaggi in termini di consumo, poiché coppia motrice e consumo specifico di carburante sono direttamente correlati; in particolare il consumo specifico è minimo quando la coppia è massima. Servono dunque tanti rapporti ma, per non dimenticare quanto detto in apertura, bisogna far si che il tempo di cambiata sia il più brevi possibile, tendente a zero, come direbbero i matematici.

 

Cambi progressivi e ‘a scalini’

Le cosiddette trasmissioni automatiche non sono certo una novità nel settore automotive. Sono senza dubbio una risposta valida per mantenere sempre ‘in tiro’ il motore, ma presentano anche alcuni svantaggi, specie quando la potenza e la coppia salgono ai valori tipici dei propulsori impiegati nei mezzi pesanti; costi elevati, complicazione meccanica, ingombri e, non ultimo, un consumo di carburante tendenzialmente superiore a quello ottenibile con un cambio tradizionale le hanno fatte mettere da parte a favore di sistemi più efficienti.

Un primo esempio è fornito dai cosiddetti cambi robotizzati, ovvero dotati di un sistema, normalmente elettro-idraulico, che sostituisce la manovra manuale di chi guida, velocizzandola e, soprattutto, mantenendola costante e ripetibile. In questo caso la complicazione meccanica è relativa, poiché il cambio resta di tipo convenzionale a cui è applicato un meccanismo esterno governato da una centralina collegata a una serie di sensori. La diffusione di questo tipo di cambio è piuttosto ampia, sia nell’automotive sia nel settore del trasporto, grazie alla relativa semplicità e al basso costo aggiuntivo cui si somma un consumo di carburante non molto distante da quello di un cambio manuale. Il tempo richiesto per effettuare un cambio di marcia è la somma di una serie di operazioni – rilascio acceleratore, apertura frizione, innesto del rapporto, rilascio frizione e ripristino acceleratore – ed è intuibile come manualmente il suo valore sia soggettivo. Nella fig.1 abbiamo schematizzato il funzionamento di un cambio tradizionale a sei rapporti, mettendo in relazione il numero di giri motore con la velocità del veicolo. Il ‘ventaglio’ delle sei rette indica, da sinistra a destra la sequenza di rapporti dalla prima alla sesta. L’inclinazione della retta è funzione del rapporto di riduzione, di quello al ponte e del tipo di pneumatici impiegati. In prima ci si muove sulla prima retta: al regime massimo di 2.500 giri/min si procede a 22 km/h. Quando si innesta la seconda ci si sposta sulla seconda curva e, seguendo la retta verticale verde, il regime motore cala di circa 1.000 giri. Da qui si riprende ad accelerare fino ai 2.500 giri, a cui corrispondono 33 km/h. E così via per ogni cambiata, fino al passaggio dalla quinta alla sesta che consente di arrivare alla velocità massima di 130 km/h. Ovviamente aumentando il numero dei rapporti gli ‘scalini’ diminuiscono d’ampiezza e ad ogni cambio il calo di giri sarà sensibilmente inferiore. In un cambio a 12 rapporti il ‘salto’ tra una marcia e l’altra può essere inferiore ai 500 giri. Condizione indispensabile per il miglior sfruttamento del motore è che il suo regime resti sempre attorno a quello di coppia massima. Condizione non sempre facile da realizzare, poiché, specie a pieno carico o con una strada in salita, la cambiata manuale, per quanto veloce, provoca un rallentamento del mezzo che lo porta a riprendere nella marcia successiva da un regime inferiore a quello previsto, con negativi effetti sul rendimento. Ecco chiarita l’importanza di un cambio robotizzato che elimina almeno il ‘fattore umano’. Ma anche così il tempo di cambiata non può scendere sotto un limite dettato dall’inerzia dei componenti in gioco.

 

 

Cambio a scalini

Uno schema che illustra la sequenza delle marce (in questo caso 6) in un cambio cosiddetto ‘a scalini’. In prima si percorre la curva più ripida fino ai 2.500 giri che corrispondono a 22 Km/h. Quando si innesta la seconda si passa sulla retta adiacente e si risale fino ai 2.500 giri arrivando a 33 orari e così via. Più il tempo di cambiata è ridotto, minore è il rischio di rallentare il mezzo a velocità inferiori a quelle calcolate per rimanere ancora a valori di coppia favorevoli.

 

Cambio a doppia frizione

Lo schema a blocchi cui ci si riferisce nel testo per spiegare il funzionamento di un cambio a doppia frizione.

Cambiate veloci? Servono due cambi!

E’ stato nella Formula 1 che, attorno alla metà degli anni ’80 si è cercato di applicare al cambio un sistema in grado di minimizzare il tempo che intercorre tra un cambio di rapporto e il successivo. Fu la Ferrari dell’epopea Barnard che, non senza aver sofferto l’inevitabile periodo di messa a punto iniziale, lanciò questa soluzione tecnica cui si adeguarono ben presto anche gli altri Costruttori. Chi assistette alle gare di F1 in quegli anni riusciva ad apprezzare la maggior rapidità di cambiata della Ferrari, il cui pilota, senza curarsi del pedale della frizione e con le mani sempre sul volante su cui erano montati i comandi degli attuatori, poteva maggiormente concentrarsi sulla guida. Su quel principio furono dapprima sviluppati i cambi robotizzati applicati alle vetture di serie e fu quindi compiuto un ulteriore passo avanti sviluppando i cambi cosiddetti a doppia frizione, pionierizzato sulle auto di serie dalla Audi, sulle moto da Honda e sui truck la Volvo, che ha recentemente presentato il suo nuovo cambio I-Shift Dual Clutch oggetto di queste note.

Un cambio tradizionale è costituito da un albero primario, collegato all’albero motore attraverso una frizione, su cui sono montati un certo numero di ruote dentate. L’albero secondario, ovvero quello collegato attraverso il ponte alle ruote motrici, porta anch’esso lo stesso numero di ruote dentate che, accoppiate a quelle del primario, consentono di selezionare un certo numero di rapporti. La trasmissione I-Shift Dual Clutch può essere schematizzata come costituita da due cambi tradizionali, ciascuno con la sua frizione e un comando indipendente di selezione dei rapporti. Se in totale ci sono 12 rapporti, possiamo immaginare di avere i rapporti dispari 1, 3, 5… sul primo cambio e i rapporti pari 2, 4, 6… sul secondo (fig.2). Alla partenza il selettore S1 seleziona il rapporto 1 nel cambio C1 e il selettore S2 il rapporto 2 nel cambio C2. Entrambe le frizioni F1 ed F2 sono aperte. Allo spunto si innesta la frizione F1 e il veicolo procede in prima marcia; al raggiungimento del regime a cui è previsto il cambio di rapporto, in modo contemporaneo e senza diminuire il regime del motore, la frizione F1 si apre e la F2 si innesta, collegando il rapporto 2. Si è così realizzato un passaggio di rapporto rapidissimo senza interruzione della coppia uscente e col calo di giri minimo previsto. Mentre è in trazione il secondo rapporto, il cambio C1, che ha la frizione F1 ‘aperta’, si predispone sul rapporto 3 in attesa del successivo cambio. E così via finché tutti i rapporti non sono inseriti in successione. Il tutto, ovviamente, con la supervisione di una centralina programmata, in grado di gestire le strategie di cambio marcia specifiche. Ora che abbiamo capito i vantaggi dei cambi a doppia frizione, analizziamo la proposta Volvo.

Il cambio I-Shift Dual Clutch, disponibile dall’autunno 2014 sui Truck Volvo FH Euro6, è in grado di gestire masse complessive fino a 60 ton e coppie in entrata fino a 2.800 Nm con motori D13 da 460, 500 e 540 CV.

 

Volvo I-Shift Dual Clutch

Il gruppo delle due frizioni coassiali separato dal suo alloggiamento. Si vedono i due alberi primari, uno interno all’altro, ciascuno dei quali è collegato a una delle due frizioni.

 

Volvo I-Shift Dual Clutch

Le frizioni cono entrambe monodisco con molla di chiusura a diaframma.

 

Uno schema che fa comprendere la catena cinematica collegata alla prima frizione (marce dispari).

Uno schema che fa comprendere la catena cinematica collegata alla prima frizione (marce dispari)

 

Uno schema analogo in cui lavora il secondo treno cinematico collegato alla seconda frizione (marce pari)

Uno schema analogo in cui lavora il secondo treno cinematico collegato alla seconda frizione (marce pari)

 

Un diagramma che evidenzia la linearità della coppia erogata alle ruota motrici rispetto a quella segmentata tipica di un cambio ad azionamento manuale. Da qui è intuibile il vantaggio in accelerazione a favore del Dual Clutch

Un diagramma che evidenzia la linearità della coppia erogata alle ruota motrici rispetto a quella segmentata tipica di un cambio ad azionamento manuale. Da qui è intuibile il vantaggio in accelerazione a favore del Dual Clutch.

Guida efficiente e comfort

I due cambi che abbiamo schematizzato sono in questo caso riuniti in un’unica unità, soltanto 12 cm più lunga di quella tradizionale, nella quale i due alberi primari sono coassiali e collegati a due frizioni a secco indipendenti, anch’esse coassiali. Le frizioni sono comandate dall’attuatore DCCA, gestito attraverso le valvole pneumatiche dell’unità DCVU, mentre l’unità GCU controlla i cambi marcia.

Se un sistema di questo genere rende entusiasmanti le prestazioni in accelerazione di una vettura sportiva, su un truck può contribuire a contenere i consumi e ad aiutare chi guida a non preoccuparsi della manovra del cambio. Il ‘powershifting’, come è stato definito questo tipo di cambiata, esegue esattamente le manovre spiegate nell’esempio per tutti i cambi a passaggio singolo tranne che per la sesta e la settima marcia, dove avviene il cambio di gamma. Non c’è il pedale della frizione e in modalità automatica (A) le marcie sono cambiate automaticamente anche se è inserito il controllo di velocità. In casi di guida particolarmente impegnativa è possibile passare in modalità manuale (M), effettuando i cambi marcia tramite il pulsante integrato nella leva di comando. Il tempo medio di cambio marcia varia da 0,9s (se la marcia è già stata preselezionata, quindi in modalità automatica) a 1,4s (in modalità manuale). In modalità automatica (A), inoltre, si può scegliere tra le strategie Prestazioni (P) ed Economica (E) i cui scopi sono evidenti. Ci sono poi programmi specifici adatti a condizioni particolari e ripetitive di trasporto. Come sul cambio I-Shift, oltre alle 12 marce avanti ci sono anche 4 retromarce.

Senza dubbio una nuova frontiera nella gestione della coppia motrice, la cui fluidità di erogazione attraverso i cambi di marcia offre l’ulteriore vantaggio di limitare le brusche accelerazioni e decelerazioni spesso dannose al carico, fenomeno cui è particolarmente attento chi trasporta animali oppure liquidi o, in generali, merci delicate.

 

 

Volvo I-Shift Dual Clutch

Il compatto cambio a doppia frizione Volvo I-Shift Dual Clutch mantiene i 12 rapporti avanti e le 4 retromarce tipici dell’I-Shift.

 

 

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