Non solo design e non solo motori. L’auto moderna sta richiedendo un enorme sforzo di innovazione anche nel settore delle trasmissioni. E per il futuro?

 

La mobilità di domani è il frutto dell’impegno dei tecnici di oggi. E se è vero che motori e materiali hanno fornito grande impulso all’evoluzione del mondo automotive, un grande aiuto è arrivato dal l’area delle trasmissioni.
Un settore molto complesso dell’intero comparto automobilistico, sia per motivi strettamente tecnici, sia per questioni puramente commerciali. Ai progettisti di cambi sono stati imposti spesso obiettivi di profilo molto elevato. Le nuove trasmissioni devono essere sempre più contenute in dimensioni e allo stesso tempo offrire un numero di rapporti sempre più elevato.
A tal proposito, basterebbe portare l’esempio del recentissimo cambio automatico prodotto in joint-venture tra Ford e General Motors, un dieci marce super compatto che stabilisce un record in fatto di numero di rapporti per un cambio destinato all’impiego light-duty.
Tra le altre caratteristiche ormai imprescindibili vanno inoltre annoverate voci come affidabilità, durata ed efficienza elevata. Quest’ultima voce, in particolare, si concretizza nella realizzazione di cambi a bassa dispersione energetica, quindi con ridottissimi coefficienti di attrito.
Aspetto che a sua volta ha innalzato l’asticella prestazionale dei lubrificanti destinati alle trasmissioni.
 
Utenti sempre più variegati
Un tempo i cambi erano solo meccanici, le marce a disposizione erano poche e gli automatici erano soluzioni destinate a vetture di un certo pregio.
Oggi la tecnica e la tecnologia hanno permesso di mettere a disposizione degli utenti una gran varietà di trasmissioni e di conseguenza gli utenti sono diventati sempre più esigenti.
I cambi tradizionali hanno visto crescere il numero dei rapporti e oggi sei marce sono quasi la normalità, anche su vetture di segmento medio basso.
Poi sono stati introdotti nel tempo i primi cambi automatici con convertitore di coppia, che si sono perfezionati fino a raggiungere dei livelli di efficienza e omogeneità di funzionamento eccezionali.
Poi il gruppo Audi si è inventato il cambio doppia frizione, un cambio meccanico particolarmente veloce, ad alto rendimento e utilizzabile sia per impiego turistico di base, sia per vetture ad alte prestazioni.
Prima del cambio doppia frizione, però, si erano visti i cambi meccanici robotizzati in cui le funzioni della frizione e della leva venivano affidate a sistemi elettroattuati. Qualche esempio è ancora a listino ai giorni nostri.
Parallelamente a queste soluzioni sono comparsi anche i cambi a variazione continua, come quello storico montato da Fiat sulla Uno Selecta o come i CVT tanto amati dai costruttori asiatici.
 
Il cambio manuale tradizionale
Nel nostro paese il cambio automatico svolge ancora un ruolo chiave.
Storicamente, questo genere di trasmissione ebbe meno successo su suolo americano, soprattutto dopo che Ford, GM e Chrysler introdussero i leggendari cambi automatici che crearono un filone progettuale tipico della progettazione statunitense.
Il cambio meccanico, però, ha sempre conservato dalla sua alcuni vantaggi innegabili, come la semplicità del suo layout, l’elevata efficienza legata esclusivamente al disegno di ingranaggi, cuscinetti e sincronizzatori.
Il convertitore di coppia dei cambi automatici ha sempre rappresentato un ostacolo enorme alla realizzazione di cambi efficienti.
Purtroppo le esigenze progettuali imposte dalla normativa da una parte e dalla clientela dall’altra hanno messo sotto pressione anche questo genere di trasmissioni.
L’imposizione sulle emissioni di CO₂ a quota 95 g/km entro il 2020, insieme alla necessità di migliorare le prestazioni nel settore dell’NVH, hanno creato qualche problema anche a un sistema relativamente semplice come il cambio manuale.
Una delle voci più critiche è rappresentata dall’introduzione del volano doppia massa per la diminuzione delle vibrazioni e per l’incremento della “driveability”. Purtroppo questi componenti hanno messo in luce alcune problematiche che hanno colpito diversi costruttori, indipendentemente dal target delle loro vetture (economy e premium indistintamente).
I gruppi frizione montati sui volani a doppia massa, soprattutto di prima generazione, hanno manifestato, anche dopo chilometraggi bassi, problemi di vibrazioni con le auto in partenza dalla posizione di quiete. Questo genere di problema è stato risolto attraverso una rivisitazione dell’intero gruppo delle due masse vincolate tra loro; mentre l’introduzione della frizione a controllo elettronico, e quindi il passaggio ai cambi meccanici robotizzati, in taluni casi ha permesso di gestire la questione evitando di sottoporre la gestione della frizione alla “tortura” imposta da utenti poco attenti.
 
Il cambio automatico e i cambi robotizzati
Il cambio automatico è una soluzione ormai disponibile per tutti i generi di veicoli, sia di segmento basso sia di segmento premium.
I neofiti, e talvolta anche gli appassionati, utilizzano la dizione “cambio automatico” anche quando la trasmissione sotto esame è un robotizzato o un doppia frizione. Di per sé, l’errore non è certo dei più gravi, tanto che, all’atto pratico, di cambi automatici comunque si tratta.
Dal punto di vista strettamente tecnico, però, con il termine cambio automatico si fa solitamente riferimento alla soluzione più storica, quella più consolidata, ossia al sistema di trasmissione dotato di convertitore di coppia, di treni epicicloidali, di frizioni e di freni, tutti opportunamente arrangiati per fornire tutti i rapporti di trasmissione cercati. Esempi ormai storici dell’impiego della robotizzazione dei cambi ci vengono da vetture come la Smart e la Renault Twingo, per non dimenticare la stessa Lancia Ypsilon.
I cambi automatici convenzionali sono stati sottoposti a opere di “ringiovanimento” con particolari soluzioni per limitare o eliminare quasi completamente le perdite dovute all’accoppiamento viscoso tra turbina e pompa all’interno di un convertitore di coppia. Sono stati infatti inventati sistemi per disaccoppiare il convertitore dal resto del cambio con vettura ferma, oppure sono stati introdotte frizioni per limitare lo scorrimento viscoso, sempre tra turbina e pompa, quando non necessario.
D’altro canto, l’introduzione di auto con trazione ibrida ha portato alla luce gli enormi vantaggi dei sistemi a doppia frizione, perfetti per accoppiare unità termica e unità elettrica.
 
Come migliorare l’efficienza
Come già detto, il miglioramento dell’efficienza di un cambio passa attraverso la riduzione di tutte le perdite meccaniche tipiche di questo genere di macchina, intendendo il termine “macchina” nel senso più generale e ovviamente nell’ambito di ciò che interessa quella disciplina che va sotto il nome di Ingegneria Meccanica.
Le perdite meccaniche di una trasmissione sono in larga misura causate dagli attriti, tanto che la progettazione attenta dei cuscinetti portanti, l’adozione di rivestimenti antiattrito specifici e la riduzione delle masse, laddove la cosa sia compatibile con le resistenze progettuali imposte, hanno sicuro effetto sul comportamento complessivo degli organi.
Secondo alcune ricerche di Schaeffler, per esempio, il miglioramento nella progettazione e costruzione delle gabbie dei cuscinetti per ruote planetarie ha permesso di ottenere riduzioni di attrito anche del 12%. Oppure, sempre secondo Schaeffler, un rivestimento specifico della gabbia stessa porta miglioramenti, in termini di riduzione dell’attrito, anche superiori del 23%, mentre una riduzione strategica delle masse dei planetari all’interno degli ingranaggi può portare benefici dell’ordine del 50%.
 
Conclusioni
La tecnica delle trasmissioni e la tecnologia necessaria per realizzarle sono argomenti complessi. In questa sede abbiamo affrontato il problema dell’evoluzione concettuale che occuperà i progettisti dei prossimi anni.
Il cambio è uno dei sistemi meccanici, al pari del motore, che risente molto delle abitudini di un paese e della gente che ci vive. In Italia, il cambio manuale ha rappresentato quasi sempre la scelta primaria; bisogna dire che in questi ultimi anni, l’avvento dei moderni doppia frizione e dei robotizzati ha portato una piccola rivoluzione nella mentalità della gente del Belpaese che sta guardando con minori pregiudizi la soluzione che vede il cambio automatico al centro delle proprie scelte.
Il dieci marce proposto da General Motors e Ford dovrebbe rappresentare il limite massimo in termini di frazionamento del numero di rapporti. La stessa ZF tedesca si è fermata al nove marce e secondo alcuni responsabili dell’azienda, questo numero non verrà oltrepassato.
Rimarrà invece molto da fare ancora per migliorare la componentistica, i layout e l’introduzione di nuovi materiali. Infine, grazie all’introduzione di nuovi acciai, di leghe di alluminio e di plastiche per la realizzazioni delle scocche, le auto diventeranno più leggere e ciò permetterà di utilizzare motori meno potenti. Questo fatto avrà una ricaduta fondamentale sia sulla fuel-economy, sia sul modo con cui i cambi verranno realizzati. Se infatti si riuscissero a ottenere le prestazioni dinamiche cercate con motori meno potenti, ciò significherà ridurre la massa delle trasmissioni, perché la potenza da trasmettere richiederà cambi con dimensionamento resistenziale inferiore. Insomma, un circolo vizioso che dovrebbe portare all’auto del futuro e quindi alle trasmissioni di domani.
 
Dida
03-2007
Trasmissione Ford Expedition.
06-
Cambio automatico Ford CTX.
07-
Cambio automatico ZF a sei marce.