Cambio (meccanica)

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Il cambio o cambio di velocità è un componente meccanico che ha la funzione di modificare la caratteristica della potenza in uscita da un motore, similmente ad un riduttore, ma permettendo di selezionare di volta in volta un rapporto di trasmissione differente, dalla gamma di cui il cambio è dotato. Il cambio è una macchina trasformatrice, caratterizzata da una certa gamma di rapporti e da un valore di efficienza, non unitaria, per ciascuno di essi. Può essere azionato in modo manuale od automatico. Generalmente per cambio ci si riferisce alla tipologia a scatola di ingranaggi, normali od epicicloidali, comune sugli automezzi, se una variazione continua dello stesso e per questo tali sistemi vengono denominati "variatori meccanici di velocità" o "cambi continui".

Introduzione[modifica | modifica sorgente]

È comunemente usato negli autoveicoli e nei rotabili ferroviari a motore termico, allo scopo di poter variare entro ampi limiti la velocità del mezzo pur mantenendo il motore a combustione interna entro un regime di funzionamento ottimale per rendimento, coppia motrice o potenza. Il motore a combustione interna, infatti, mediamente ha una velocità di rotazione compresa tra 600 e 12.000 rpm, mentre la velocità delle ruote varia tra zero e 2.500 rpm.

Cambi di velocità sono anche impiegati in macchine industriali come per esempio i torni per metalli.

In macchine e veicoli che impiegano una trasmissione di tipo elettrico o idraulico il cambio non è utilizzato, poiché altri sistemi, generalmente più economici, possono essere utilizzati per ottenere un rendimento ottimale su tutta la gamma di velocità.

Cambio dei veicoli a motore[modifica | modifica sorgente]

Cambio automobilistico completo

In ambito dei trasporti su strada, il cambio è fondamentale anche perché permette di variare il rapporto tra il regime motore e la velocità del veicolo, al fine di ottenere una coppia motrice appropriata alle ruote, il motore infatti presenta regimi di rotazione ottimali diversi a seconda che occorra privilegiare il rendimento chilometrico (generalmente a velocità costante), la coppia e potenza (per la velocità massima, la ripresa, accelerazione, salite etc..) o regime di sottocoppia (per i fondi innevati o a bassa aderenza).

In generale il cambio agisce come riduttore di velocità, anche se talvolta per le marce più alte (in particolar modo nei mezzi più potenti e che raggiungono alte velocità) dei cambi possono avere rapporti di trasmissione unitari o leggermente sopra l'unità; In taluni veicoli l'ultima marcia è del tipo a "riposo", studiata per l'uso ottimale in autostrada.

Manuale (cambio ad H)[modifica | modifica sorgente]

Cambio H a 5 marce + retromarcia

Questo tipo di cambio è presente nelle primissime moto e pressoché universalmente nelle automobili, questo cambio varia il rapporto di trasmissione tramite una leva che viene mossa, andando a formare un "H".

In questo cambio le coppie d'ingranaggi sono disposte su due alberi e sono sempre tutti accoppiati e in rotazione, ma gli ingranaggi sull'albero condotto sono liberi di girare e non ingaggiano l'albero condotto, che ci scivola dentro.

Interposto tra l'albero condotto e gli ingranaggi ci sono delle ruote dentate (selettori) calettate su di esso e ad esso solidali, con l'azionamento della leva si aziona il selettore (forchette selezionatrici) che sposta i selettori, che non sono altro che corone internamente dentate, che vanno a collegare la ruota dentata calettata sull'albero motore ai corrispondenti denti praticati su una corona solidale all'ingranaggio della marcia scelta.

Caratteristiche della cambiata[modifica | modifica sorgente]

Il cambio può avere un'azione di cambiata diversa l'una dall'altra, prendendo il nome di:

Cambio non sincronizzato[modifica | modifica sorgente]
Illustrazione di un cambio non sincronizzato a 3 marce + la retro

Nelle prime automobili il cambio era costituito da ingranaggi non sincronizzati, le ruote dentate non erano permanentemente ingranate come avviene nei cambi moderni. Esse venivano spostate dal guidatore mediante i comandi, ed era richiesta una buona preparazione e sensibilità dell'operatore per capire quando gli ingranaggi stavano ruotando alla giusta velocità per permettere l'inserimento, in caso contrario grattavano rumorosamente e l'innesto non avveniva. In mancanza degli innesti ausiliari a frizione presenti nei cambi sincronizzati, gli innesti delle marce possono avvenire solo quando la velocità relativa tra le ruote è molto bassa o nulla.

Nel salire di marcia, era necessario rallentare l'ingranaggio motore, e per questo era sufficiente premere la frizione ed attendere il momento giusto per cambiare. Nello scalare la marcia invece, era necessario accelerare il motore. Per velocizzare o semplicemente rendere possibile questo veniva utilizzata una tecnica detta del doppio disinnesto (doppietta), che può essere ascendente (per i passaggi a marce superiori) e discendente (per i passaggi a marce inferiori)[1]. Il primo caso (doppietta ascendente) prevede di portare il cambio in folle, quindi rilasciare la frizione senza accelerare in modo da decrementare la velocità dell'albero di cambio al regime giusto e quindi inserire la marcia superiore. Il secondo caso (doppietta discendente) prevede di portare il cambio in folle, quindi rilasciare la frizione accelerando contemporaneamente in modo da incrementare la velocità dell'albero di cambio al punto giusto, e quindi inserire la marcia inferiore.

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Train baladeur.
Cambio sincronizzato[modifica | modifica sorgente]
Selettore con sincronizzatori
sincronizzatore

I cambi manuali delle automobili prodotte dopo il '60 sono di tipo sincronizzato. Il meccanismo del cambio è costituito da due alberi paralleli, quello di entrata connesso alla frizione e quello di uscita, connesso all'albero di trasmissione. Sui due alberi sono montati parallelamente gli ingranaggi. Tutti gli ingranaggi sono costantemente ingranati, ma solamente una coppia è connessa all'albero di uscita.

Tecnicamente il meccanismo di innesto consiste in un collare (manicotto) che scorre lateralmente su di un supporto coassiale all'albero, il manicotto viene fatto scorrere lateralmente dalle forchette di comando azionate dal selettore del cambio. Il supporto del manicotto rimane solidale all'albero motore grazie all'accoppiamento millerighe tra i due e agli ingranaggi e spessori che non permettono il suo spostamento laterale, il manicotto che è esterno a questo supporto ha sempre un accoppiamento millerighe con il suo supporto, ma con una maggiore tolleranza, in modo da permettere la corretta lubrificazione e uno scorrimento più fluido. Quando questo manicotto si sposta lateralmente rispetto alla sua posizione di riposo, si ha il rientro delle piccole chiavette dentro al supporto del collettore (queste chiavette vengono spinte da alcune molle contro il collettore), che servono per stabilizzarne la posizione quando è in posizione neutra. Inoltre il manicotto ingrana il sincronizzatore e lo spinge sull'ingranaggio della marcia, permettendo all'ingranaggio di portarsi alla stessa velocità di rotazione dell'albero motore prima di essere ingranato e facilitare l'innesto, a questo punto il manicotto si ingrana sulla corona laterale dell'ingranaggio e inizia il trasferimento della coppia motore

I sincronizzatori possono quindi essere considerati come delle minifrizioni coniche o ad anello che portano il manicotto (quindi l'albero di ingresso) e la corona solidale all'ingranaggio a girare alla stessa velocità, quando si sente grattare durante un cambio di marcia, non sono i denti degli ingranaggi a "grattare", ma quelli del manicotto e della corona dell'ingranaggio. Inoltre la corona dell'ingranaggio è sensibilmente più sottile degli ingranaggi tra gli ingranaggi, per il fatto che tra gli ingranaggi si ha il contatto con solo un dente per volta (denti dritti), mentre la corona ingrana con tutti i denti.

Il primo cambio sincronizzato fu introdotto dalla Cadillac nel 1929, mentre l'attuale sistema a coni fu sviluppato dalla Porsche nel 1952. Negli anni cinquanta solamente la seconda e terza marcia erano sincronizzate, ed il manuale d'uso suggeriva, per passare dalla seconda alla prima, di fermare prima completamente il veicolo. Nei cambi attuali, sono sincronizzate tutte le marce, compresa la retromarcia per evitare la "grattata" nei casi in cui quest'ultima viene inserita con il mezzo ancora in movimento.

Il cambio sincronizzato presenta diversi svantaggi, tra cui:

  • L'usura dei sincronizzatori
  • Il ritardo introdotto nella cambiata
  • Maggiore ingombro del cambio.

Per questo motivo nei grandi camion, nei macchinari e nei cambi speciali per corse automobilistiche si usa un sistema non sincronizzato. Nei cambi impiegati in gara si usano anche cambi sincronizzati con un numero ridotto di denti sui collari per avere una velocità di cambiata migliore, avendo per contro un'usura molto rapida.

Numero delle marce[modifica | modifica sorgente]

Motocicletta del 1921 della ABC con cambio H a 4 marce

Per essere chiamato tale, un cambio deve possedere almeno due rapporti mentre non esiste un limite superiore a questo numero al di fuori di quello dettato da ragioni di costo, utilità ed ingombro. Un cambio munito di un numero maggiore di rapporti è generalmente più pesante, ingombrante e costoso di un cambio che ne possiede meno, tuttavia a seconda delle caratteristiche del motore e dell'inerzia del carico a valle del cambio stesso è in molti casi possibile ottenere maggiori efficienze globali con il frazionamento dell'accelerazione su un numero maggiore di rapporti. Storicamente, il motore Minarelli "Pettirosso" da 50 cm³, del 1955, in quanto veicolo relativamente economico, era munito di un cambio a due velocità comandato dalla manopola, mentre la maggior parte delle automobili già nella prima metà del Novecento era dotata di cambio a tre o quattro rapporti, sia per via del costo più elevato di acquisto che lo permetteva, sia per la maggiore utilità di questo a fronte della grossa inerzia di cui le pesanti autovetture erano dotate. Con il miglioramento dei processi produttivi e quindi l'abbattimento dei costi di produzione, i cambi a maggior numero di rapporti sono diventati comuni. Tradizionalmente i cambi meccanici moderni sono dotati di cinque o più rapporti. La quinta marcia fu introdotta con l'aumentare delle velocità raggiungibili dai veicoli, per risparmiare combustibile. A valle del cambio, anche il differenziale (rapporto pignone cambio/corona differenziale) incide sul rapporto tra giri motore e giri ruota.

Le macchine agricole ed i mezzi pesanti tendono ad avere cambi dotati di molti rapporti, per via dei grossi carichi che devono poter affrontare. Tali cambi hanno talvolta la possibilità di selezionare due ingranaggi di una serie, in modo da avere quindi due cambi di velocità in serie. Il comando in quel caso avviene per mezzo di leve distinte, comandi secondari sulla leva o elettronicamente.

La retromarcia è realizzata con l'ausilio di un terzo albero con un ingranaggio folle su di esso, che trasmette il moto tra l'albero primario e secondario invertendone il senso di rotazione (ruota oziosa).

Un cambio può anche essere dotato di un numero multiplo di retromarce, uguale o diverso da quello delle marce normali. Può essere presente, a monte o a valle del cambio, un sistema con la sola funzione di invertire il senso di rotazione dell'albero condotto in tutte le marce (di fatto un cambio di velocità a due rapporti, avanti e retromarcia) permettendo al cambio principale di essere sprovvisto di retromarcia.

Schema della leva del cambio automobilistico[modifica | modifica sorgente]

Il comando del cambio è solitamente una leva sporgente dal pavimento dell'auto. Muovendo questa leva lateralmente ed avanti o indietro si ingrana la marcia desiderata. In posizione centrale si ha la posizione di folle, in cui nessun rapporto è inserito e le ruote sono isolate dal motore.

Schemi standard[modifica | modifica sorgente]

Gli schemi più diffusi attualmente prevedono due configurazioni

Gli schemi seguenti illustrano le posizioni di un classico/tipico cambio a cinque marce:

Manual Layout.svg
Manual Dogleg.svg


N sta per Neutral, ovvero Folle in inglese. A volte l'inserimento della retromarcia deve essere sbloccato agendo su un comando supplementare, questo per ridurre i rischi di inserimento accidentale. Nel caso dello schema a sinistra, ciò si potrebbe verificare quando si scala dalla quinta alla quarta marcia oppure cercando di innestare una inesistente sesta marcia; tuttavia questo rischio è spesso limitato da altri dispositivi che impediscono l'inserimento della retromarcia ad alte velocità. Il problema è più insidioso per lo schema a destra. In questo caso la possibile confusione è tra due marce inseribili con vettura ferma (prima e retromarcia); inoltre la retromarcia si viene a trovare nella posizione tradizionalmente occupata dalla prima.

Un'alternativa è quella di posizionare la R dallo stesso lato della prima e seconda marcia ma con un'escursione maggiore; nelle vetture Opel la R sta in avanti (vedi figura), mentre nelle Mercedes sta in basso. Poiché con questa disposizione è concreta la possibilità di innestare la R invece di una marcia in avanti, in alcune vetture (per esempio Opel) per l'innesto della R viene richiesta la contemporanea azione meccanica su una corona posta sulla leva del cambio.

Manual Layout 2.svg


Lo schema è di solito riportato sulla manopola stessa.

Schemi antiquati e moderni[modifica | modifica sorgente]
Manual Layout 3.svg
Manual Layout6.svg
Manual Layout4d.svg
Posizione della leva[modifica | modifica sorgente]

In alcune vecchie auto il comando del cambio era costituito da una leva posta sul piantone dello sterzo. Il funzionamento era simile a quello a pavimento, ma con i movimenti riportati sul piano verticale invece che su quello orizzontale.

In tempi recenti su alcune auto europee (in particolare su alcune FIAT), la leva del cambio è stata notevolmente accorciata e posta sulla plancia, alla sinistra dell'autoradio. Tale configurazione viene talvolta detta "leva all'americana", poiché ricorda la disposizione della leva del cambio automatico nelle vetture d'oltreoceano.

Cambio a chiavetta scorrevole[modifica | modifica sorgente]

Il cambio a chiavetta scorrevole[2][3] chiamato anche a crociera per via della forma della chiavetta scorrevole, e a volte ridenominato cambio a manopola, è stato usato su molti scooter con il comando d'azionamento a manopola, tra cui Vespa e Lambretta, così come il triciclo a motore Ape Piaggio, questo tipo di cambio è più vicino al cambio manuale delle auto che al cambio sequenziale delle moto.

Questo tipo di cambio nella versione a manopola ha la peculiarità d'avere una leva che comanda la frizione e le marce del cambio, infatti azionando (premendo) la leva si aziona la frizione e ruotandola in alto o in basso si poteva scegliere la marcia, l'inconveniente di questo cambio è di dover trovare la giusta posizione della leva, la quale per poter facilitare il suo posizionamento aveva un dente che doveva essere ingranato in una gola del preselettore (un disco metallico al lato della leva), ma permetteva di passare dalla marcia più alta alla più bassa o viceversa con un semplice comando.

Una caratteristica di questo cambio è quella d'avere le marce disposte in ordine crescente o decrescente, con la folle generalmente tra I e II marcia.

Sequenziale (cambio a innesti frontali)[modifica | modifica sorgente]

Cambio a innesti frontali
*Uno dei due alberi di trasmissione in basso con i relativi ingranaggi delle marce
*Selettore desmodromico delle marce in alto
*Forchette selettrici tra il desmodromico e gli ingranaggi delle marce

Presente raramente su auto (sostituito dal semimanuale) e pressoché universalmente installato su motociclette è il cambio sequenziale o a innesti frontali,[4] dove non si usa lo schema della leva del cambio ma la si aziona in due sole direzioni, con ritorno automatico in posizione di neutro per poter cambiare la marcia, questo cambio rimane del tipo completamente manuale, difatti l'azionamento della frizione e il comando del cambio sono manuali.

In questi cambi a innesti frontali, ogni ingranaggio del cambio ha dei pioli o risalti perpendicolari alla sua superficie laterale oppure delle sedi e il selettore desmodromico scanalato che è calettato su un albero, questo selettore muove delle forchette che spostano sia ingranaggi flottanti che ruotano su cuscinetti, sia gli ingranaggi che sono posti su alberi a millerighe, in modo che l'ingranaggio che scorre su cuscinetti, si vada a ingranare (tramite i suoi innesti laterali) su un ingranaggio calettato sull'albero del cambio tramite millerighe.

Sistema di selezione delle marce in un cambio ad innesti frontali in posizione di folle, è visibile sia il selettore al centro, lo stabilizzatore alla destra e la forchetta di comando a sinistra

Per far ruotare il selettore e quindi selezionare la marcia, tramite il comando del cambio che ha solo tre posizioni (marcia su, marcia giu, neutra o riposo), il selettore è munito di una ruota dentata o simili, che viene governata da due dispositivi, il primo serve per evitare che il selettore si muova senza essere selezionato, il secondo è dato dai rinvii del comando del cambio, i quali hanno una forma tale che agiscano solo in una direzione (quella di comando), non agendo nell'azione di ritorno alla posizione di riposo (conferita da una molla) della leva del cambio.

La fluidità del cambio è determinata sia dalla conformazione delle forchette, sia dal selettore, il quale inizialmente ruotava sull'alluminio del carter, poi si è adottato una boccola sul lato in cui agivano i rinvii della leva del cambio, mentre sull'altro si aveva sempre il contatto diretto con l'allumino del carter, poi comparvero i rasamenti per questo lato, poi si adottarono delle sfere al posto della boccola, che vennero velocemente rimpiazzate da cuscinetti, più recentemente su modelli di alta gamma si stanno utilizzando dei cuscinetti su entrambi i lati del selettore.

I comandi per il cambio sequenziale possono essere:

  • Il pedale (nelle moto)
  • Una leva avanti-indietro
  • Al volante

Interruttore di cambiata[modifica | modifica sorgente]

Con l'interruttore di cambiata o quick shifter, i cambi sequenziali che vengono muniti di questo dispositivo vengono chiamati anche "cambio elettronico", ma non si deve confondere con i cambi robotizzati (semimanuale), perché è un dispositivo/accorgimento extra per i cambi sequenziali, che serve per ridurre le sollecitazioni del cambio in condizioni gravose dove si passa da una marcia inferiore ad una superiore con il motore sempre in trazione, come nel caso delle competizioni o ogni qual volta si aziona il cambio senza togliere l'acceleratore e azionare la frizione, soprattutto quando il mezzo in questione sviluppa una potenza elevata ed è munito di un cambio che è studiato per resistere a un periodo di sollecitazione/lavoro ridotto (come nei prototipi sportivi).
Tale dispositivo taglia l'accensione del motore durante il tempo di cambiata in modo d'avere una cambiata veloce e non gravosa per il cambio e tutti i cuscinetti, infatti ogni qual volta si passa ad una marcia superiore si ha una modifica del rapporto di trasmissione, che, per non creare eccessive forze di sollecitazione, deve essere effettuata senza che il cambio sia sollecitato/trazionato. Per far ciò si usa una centralina munita di un sensore per rilevare gli spostamenti della leva del cambio o di un pulsante che effettui questo taglio solo durante il passaggio ad una marcia superiore ma non in tutte le competizioni è ammesso questo sensore che permette, assieme alla centralina, di determinare per quanto tempo non si alimenta il motore.
Questo sistema (insieme ad altri sofisticati sistemi elettronici tipo: controllo di trazione, anti impennamento e il controllo della partenza) viene proposto dal 2010/2011 su moto di serie di tipo sportivo come Ducati 1199 Panigale S, Aprilia RSV4 APRC SE e Bmw S1000 RR

Cambio semimanuale (Cambio robotizzato)[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Cambio robotizzato.

Nel sistema semimanuale o semiautomatico il guidatore deve semplicemente scegliere la marcia (generalmente possono funzionare anche in modalità automatica).

I comandi per il cambio semiautomatico possono essere:

  • Una leva avanti e dietro
  • Pulsanti sullo sterzo, effettuano rispettivamente la scalata e la salita di marcia.
  • Levette (paddles) poste dietro il volante.

I primi test di questo cambio avvennero già nel 1983 presso la Scuderia FERRARI

Con l'utilizzo dei pulsanti si elimina la necessità di usare uno schema di manovra come con l'uso della leva del cambio; in genere è automatizzata anche la frizione. Questo tipo di cambio venne per la prima volta utilizzato sulla Ferrari 640 F1, monoposto del cavallino per la stagione 1989 di Formula 1.

Nelle automobili moderne con cambio automatico questa funzione (cambio semi-automatico) è in genere controllata da un computer ed è un'alternativa alla modalità completamente automatica. Le prime autovetture ad adottarlo sono state le Alfa Romeo 156 e poi di conseguenza altri marchi (per esempio alcune BMW e Audi) impiegano un cambio manuale manovrato da un computer (cambio robotizzato), ed il guidatore agisce semplicemente sui comandi sequenziali.

La prima motocicletta ad usare questo tipo di cambio (sia in modalità automatica che semiautomatica) in sostituzione al classico cambio sequenziale è stata l'Aprilia Mana 850, presentata nel 2008.

Cambio seamless o ad innesti continui o zero-shift[modifica | modifica sorgente]

Nel 2007 è stato introdotto il cambio ad innesti continui, un'evoluzione del cambio semimanuale e sviluppato dalla Scuderia Ferrari assieme alla Zeroshift, il quale permette un cambio istantaneo della marcia: appena si preme la leva dietro il volante la marcia viene innestata, senza che ci sia il tempo di transito da una marcia all'altra, quindi si ha sempre la motricità anche durante la cambiata. Il tutto è permesso grazie a un nuovo sistema di selettori, che richiedono due forchette di selezione, anziché una, ma in compenso non richiede l'uso del sincronizzatore.

Il cambio di base è quello automobilistico (cambio ad H), ma con il selettore completamente rivisto, in modo d'agganciare le diverse marce in modo simile a un cambio ad innesti frontali, infatti il selettore che si trova tra le due marce è accoppiato a due dischi scorrevoli, che si vanno ad agganciare alle marce poste ai lati del selettore e che azionano le rispettive coppie d'innesti, i quali sono sagomati in modo tale che una volta ingranata la marcia superiore la seconda coppia d'innesti si sganci automaticamente dalla marcia inferiore, grazie al profilo smussato, che permette di svincolarlo in modo automatico. Spiegando più in dettaglio si ha la prima coppia d'innesti che si prepara ad ingranare la marcia superiore, ma permettendo alla seconda coppia di rimanere vincolata e quindi di continuare la trasmissione del moto, quando la marcia viene ingranata è questa prima coppia d'innesti che ora trasmette il moto, senza che ci sia un tempo di commutazione privo di trazione, da questo momento, si ha l'ingranaggio della marcia inferiore che ruota ad una velocità minore rispetto all'albero del cambio a cui è vincolato e quindi non è più quella marcia (inferiore) che permette la rotazione dell'albero stesso, di conseguenza si troverà poi a trattenere l'innesto del selettore che prima lo vincolava all'albero, ma grazie al profilo smussato questo si svincolerà, lasciando ruotare liberamente l'ingranaggio del cambio.[5][6]

Cambio a doppia frizione[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Cambio a doppia frizione.
Cambio a doppia frizione della Honda VFR 1200 F

Un'altra tipologia di cambio da comprendere è il cambio a doppia frizione (o "Dual Clutch Gearbox"); Si tratta di un cambio in cui sono presenti due alberi collegati a due frizioni a loro volta collegate all'albero di trasmissione. Su un albero si trovano i rapporti dispari mentre sul secondo i rapporti pari: ciò che accade è una contemporanea rotazione degli alberi interni, tuttavia, solo uno dei due, grazie ad una frizione, trasferisce il moto all'albero di trasmissione. Nel frattempo, l'altro continua a ruotare ed ha così "già pronto" il rapporto successivo. Il vantaggio consiste in una notevole velocità di cambiata sequenziale. Il passaggio fra rapporti non contigui (e.g. kick down) è invece tanto rapido quanto lo è un singolo albero.[7]

Automatico[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Cambio automatico.

Molte automobili attualmente sul mercato hanno un cambio automatico, in grado di selezionare automaticamente il rapporto senza l'intervento umano, semplificando notevolmente la guida. Il sistema più usato è di tipo idraulico, basato sulle variazioni di pressione, che però presenta problemi di costo, affidabilità e consumo di combustibile. Il cambio automatico infatti è particolarmente diffuso in paesi dove il costo del combustibile è particolarmente basso, come gli Stati Uniti, dove cinque auto su sei hanno installato questo dispositivo.

Evoluzione[modifica | modifica sorgente]

Con il progresso tecnologico e soprattutto l'introduzione dell'elettronica nel settore automobilistico, sono stati realizzati diversi tipi di cambi automatici a controllo computerizzato:

  • Cambio robotizzato in modalità automatica, che basandosi su cambi meccanici tradizionali eliminano gli inconvenienti tipici del cambio automatico idraulico. Questo sistema ha avuto una discreta diffusione in Europa, dove il costo del combustibile è quasi il doppio che in America.
  • Cambio continuo, in cui non esistono valori fissi, ma il rapporto varia con continuità entro due limiti estremi, questo cambio è detto anche CVT ma è poco usato in campo automobilistico, solo da pochi anni a questa parte viene utilizzato in questo campo.

Mentre il classico cambio automatico si basa su sistemi idraulici, che abbattono il rendimento complessivo del cambio.

Diffusione del cambio automatico[modifica | modifica sorgente]

Il cambio automatico è poco diffuso in Europa tuttalpiù considerato erroneamente solo un "costoso" optional impiegato sulle auto di fascia alta o nei veicoli per disabili. Negli ultimi anni la situazione pare sia in controtendenza. In effetti si realizzano cambi automatici sempre più prestanti con un consumo minore di carburante a prezzi sempre più ridotti. La tradizione di guida europea induce però il pubblico a preferire il più controllabile cambio manuale rispetto a quello automatico, che sebbene semplifichi la guida, lascia al guidatore minore controllo sullo stile di guida.
Negli Stati Uniti invece la situazione è esattamente opposta. Una diversa tradizione di guida, i costi accessibili del carburante, gli enormi ingorghi nelle grandi città hanno sancito il successo del cambio automatico adottato nella maggior parte dei veicoli. Il cambio manuale è invece considerato tutt'al più un "costoso" optional impiegato solo sulle auto sportive o che comunque non vengano usate come semplice mezzo di trasporto.[8]

Cambio a presa diretta[modifica | modifica sorgente]

Vengono definiti tali quei cambi che almeno in alcune situazioni utilizzano solo un albero del cambio e quindi trasmettono con un rapporto 1:1 alla trasmissione finale.

Rientrano in questo campo alcuni sistemi costituiti nell'uso della sola frizione centrifuga, senza la possibilità alcuna di variare il rapporto di trasmissione, questa soluzione è usata sui piccoli utensili da lavoro con motore termico, come i decespugliatori e le motoseghe, anche se era stato usato su alcuni ciclomotori come i primi Piaggio Ciao.

Cambio a presa diretta tipica dei mezzi di trasporto pesanti

Vengono definiti tali dei cambi per autotrazione pesante che riescono ad avere sull'albero primario, sia l'ingranaggio che riceve la forza del motore (albero primario del cambio), sia l'ingranaggio che rimanda la forza alla trasmissione finale (quest'ingranaggio può essere disposto su un terzo albero del cambio, coassiale al primo), questo è possibile perché quest'ultimo ingranaggio scorre sull'albero primario e non vi è solidale, per la variazione del rapporto di trasmissione si ha un secondo albero, che viene utilizzato per tutte le marce tranne una (la marcia su cui si ha la trasmissione 1:1, dove l'ingranaggio di rinvio alla trasmissione finale viene calettato all'albero primario), mentre per le altre rinvia sempre la forza a quest'ultimo ingranaggio.[9][10]

Cambio Mabon [11] (Variatore manuale)[modifica | modifica sorgente]

Questa tipologia di cambio è stato utilizzato in particolar modo sulle motociclette ed è costituito da un variatore azionato/comandato tramite una leva, la quale può essere vincolata tramite una guida metallica lineare o con andamento curvilineo, in quest'ultimo caso permette un azionamento rapido del comando definendo delle marce di trasmissione, questo tipo di comando venne poi riutilizzato per i primi cambi ad innesti frontali.

Nei primi modelli di motocicletta questo sistema poteva essere presente di serie o montato successivamente, in quest'ultimo caso o nei casi in cui il mezzo era disponibile sia nelle versioni a cambio singolo che a cambio Mabon si contraddistingue per una forma ovale, in quanto oltre al variatore manuale contiene anche una ruota condotta e una ruota motrice (pignone motore).

Cambio a frizione automatica[modifica | modifica sorgente]

Questa struttura, consiste nell'uso di un cambio (a H, a CVT, ecc.) con associata una frizione centrifuga, che collega/scollega automaticamente il motore alla ruota a seconda delle sue condizioni operative.

Questa struttura del cambio viene usata nel sistema Variomatic e quindi sulla stragrande maggioranza degli scooter.

Vantaggi e svantaggi del cambio manuale, sequenziale e semimanuale[modifica | modifica sorgente]

Di seguito sono elencati i vantaggi del cambio manuale su quello automatico:

  • È più semplice costruire cambi manuali robusti e affidabili.
  • I cambi manuali non richiedono sistemi di raffreddamento specifici, mentre i cambi automatici hanno a volte appositi radiatori.
  • Il cambio manuale è più efficiente dal punto di vista energetico soprattutto perché utilizza una frizione invece di un convertitore di coppia.
  • Il guidatore ha un controllo maggiore sullo stato del cambio. Un cambio automatico può decidere di cambiare rapporto in un momento in cui il guidatore non lo desidera.
  • Il cambio manuale è più economico, sia alla produzione che per la manutenzione.


Di seguito sono elencati i vantaggi del cambio automatico su quello manuale:

  • Minore interazione e apprendimento richieste al guidatore (buona parte dell'addestramento di un nuovo guidatore al cambio manuale è appunto la sua corretta gestione).
  • Nel traffico lo stress è sensibilmente minore.
  • Nessun rischio di inserire la marcia sbagliata con la possibilità di danneggiare sia il cambio che il motore (anche se la meccanica dei rapporti, fatti in modo che a una certa velocità sia impossibile scalare troppe marce, aiuta a evitare questo caso)
  • Rende agevole la partenza in salita.
  • L'eliminazione dei comandi del cambio è vantaggiosa per i portatori di handicap.

Cambio per bicicletta[modifica | modifica sorgente]

Cambio a deragliatore[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Deragliatore.
Ruota multipla di un cambio a deragliatore a 9 posizioni SRAM serie R9
Deragliatore Campagnolo C-Record Long Cage

Il cambio a deragliatore è costituito da una catena, diverse ruote affiancate ed un meccanismo comandato dal guidatore, in grado di spostare la catena (deragliare) da una ruota all'altra e tenere la catena in tensione.

Nelle biciclette da passeggio è presente un solo deragliatore sulla ruota dentata collegata alla ruota posteriore, mentre nelle biciclette da corsa e nelle mountain bike è presente anche un deragliatore (e quindi ruote multiple) sulla corona dei pedali. Questo consente di aumentare le marce teoriche fino al prodotto tra i rapporti anteriori e posteriori. La ruota posteriore può avere fino a 10 posizioni (corone) per la mountain bike e fino a 11 posizioni per la bicicletta da corsa. Sul deragliatore anteriore si arriva sino a 3 corone, per un totale di 30 rapporti sulla mountain bike; mentre sulla bicicletta da corsa, tipicamente, si dispone di 2 soli rapporti per un totale di 22.

Alcune combinazioni prevedono però un eccessivo disassamento della catena e non possono essere usate, ma data la disposizione delle ruote si tratta in genere di rapporti ridondanti, ottenibili diversamente. Le ruote anteriori e posteriori sono disposte in ordine di diametro inverso di grandezza, in modo che sia per i rapporti più elevati che per quelli minori la catena sia in asse.

Il comando del cambio avviene per esperienza, si sposta la leva fino a fare scattare la catena sulla nuova posizione, poi si agisce in modo da centrare al meglio la catena. Tutta l'operazione deve essere effettuata mentre si pedala, poiché questo cambio non agisce a catena ferma. La cambiata andrebbe fatta fermando per pochi secondi la pedalata: in questo modo si evita una maggiore usura della catena. Infatti, specialmente sulle MTB, proprio per la loro attitudine a terreni sconnessi, si tende a cambiare numerose volte sulle salite e dal momento che la catena, in queste condizioni, si trova al massimo della tensione, fermando la pedalata si evita un suo maggiore sforzo.

Cambio epicicloidale[modifica | modifica sorgente]

Cambio Rohloff epicicloidale a 14 rapporti interno al mozzo

In alcune biciclette è utilizzato un sistema di ingranaggi epicicloidali integrati nel mozzo della ruota posteriore. Il vantaggio di questo sistema è di avere una cambiata più liscia, possibilità di cambiare anche a bicicletta ferma (caratteristica vantaggiosa in città), maggiore protezione dallo sporco e minore necessità di manutenzione. Inoltre permette di mantenere sempre la linea di catena ottimale e un miglior tensionamento della stessa. Generalmente un cambio epicicloidale è più costoso di uno a deragliatore, ma ne esistono modelli - per uso non agonistico - dal prezzo conveniente. È infine da sottolineare che il minor numero di rapporti che questo sistema permette rispetto ai cambi con deragliatore è solo teorico: infatti, i 27 rapporti di questi ultimi non sono in realtà tutti sfruttabili, mentre i rapporti del cambio epicicloidale (fino a 14) sono tutti reali. Di fatto lo sviluppo di rapporti dei due sistemi è equivalente.

Questo sistema era molto diffuso fino agli anni settanta, quando si diffuse il cambio a deragliatore. Negli anni venti del XX secolo il cambio epicicloidale veniva utilizzato anche su alcuni modelli di autovettura.

In Italia tale sistema è poco utilizzato, mentre è molto diffuso nelle bici da città nel nord Europa.

Rapporto fisso e cambio[modifica | modifica sorgente]

Alcuni ciclisti professionisti preferiscono la bicicletta a rapporto fisso, più robusta, senza cambio e cavi. Essi approvano [senza fonte]l'affermazione di Henri Desgrange, cofondatore del Tour de France:

"Ritengo sempre che il cambio di velocità è per persone oltre i 45 anni. Non è meglio trionfare con la forza dei propri muscoli piuttosto che grazie all'artificio meccanico del deragliatore? Ci stiamo rammollendo, per me...datemi una bici a rapporto fisso!"

(L'Équipe, articolo del 1902)

Posizione[modifica | modifica sorgente]

Il cambio può essere posto in diverse posizioni:

  • Anteriormente o centralmente, quando il cambio è posto all'avantreno o ne è a ridosso
  • Posteriormente, quando il cambio è posto al retrotreno, sistema utilizzato solo su alcuni mezzi a trazione posteriore e normalmente presente sulle biciclette con il nome di "deragliatore posteriore"

Accorgimenti[modifica | modifica sorgente]

Per l'uso sportivo si usano alcune soluzioni:

  • Cambio estraibile, tale cambio può essere estratto dal blocco che lo contiene e permettere una veloce regolazione dello stesso, con il cambio rapido delle coppie d'ingranaggi per la trasmissione, modificando così il rapporto di trasmissione, in modo da regolarlo ai vari tracciati e varie condizioni atmosferiche (vento compreso).
  • Spia del folle/neutro, usata nei cambi sequenziali motociclistici, per segnalare l'inserimento della posizione neutra e la non trasmissione della forza all'albero secondario del cambio, per questa spia serve un sensore che avverte il posizionamento di un determinato ingranaggio, che assume una posizione solo nel caso dell'inserimento della folle.
  • Ridotte il cambio è provvisto di un terzo albero, il quale nei modelli più semplici (fuoristrada) ha solo due rapporti, normale e ridotte, mentre nei trattori questo può avere tanti rapporti quanti il cambio primario, come ad esempio 4+4, dando 16 combinazioni diverse.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Ernesto Tron, "L'arte di guidare", terza edizione, 1961, Touring Club Italiano
  2. ^ [1]cambio a chiavetta scorrevole
  3. ^ Mario Rossi, 4 in Macchine utensili, Volume 1, 1ª edizione, Milano, Ulrico Hoepli, 1978, p. 504, ISBN 88-203-0965-3. URL consultato il 1º febbraio 2011.
  4. ^ Cambio a innesti frontali (sequenziale motociclistico) [2] [3] [4]
  5. ^ Cambio a ZEROSHIFT forse la strada intrapresa dalla HRC
  6. ^ Zeroshift System Animation
  7. ^ Dual clutches take the lead
  8. ^ Cambio automatico o manuale?
  9. ^ Dizionario tecnico dell'automobilismo: Cambio
  10. ^ Trasmissione e cambio di velocità
  11. ^ Storia Triumph

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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