Cambio continuo

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Sistema Super CVT-i della Toyota

Il cambio continuo o variatore continuo (o CVT dall'inglese continuously variable transmission) è un tipo di cambio automatico per autoveicoli in cui il rapporto di trasmissione può variare senza soluzione di continuità tra due valori limite, per queste sue caratteristiche di funzionamento è paragonabile al Variomatic per scooter, anche se il cambio continuo risulta essere più sofisticato soprattutto per i modelli più recenti a controllo elettronico.

Introduzione[modifica | modifica wikitesto]

Modello di base (principio di funzionamento)

Il cambio continuo permette al motore di funzionare ad un regime di giri al minuto migliore, questo comporta una maggiore economia nei consumi.

Nel guidare un veicolo con cambio continuo non si hanno a disposizione le 4-6 marce tradizionali, ma un numero infinito di rapporti e l'esperienza di guida è completamente differente. Il funzionamento del motore a regime costante provoca la perdita del feedback sonoro e in accelerazione da fermo o da bassi regimi, si può avere una sensazione di slittamento della frizione, in quanto prima il motore si porta in coppia e successivamente il cambio adegua il diametro delle pulegge al rapporto idoneo.

Tecnologie[modifica | modifica wikitesto]

Esistono cambi continui basati su differenti tecnologie.

A puleggia[modifica | modifica wikitesto]

Sistema a catena

Questo tipo di cambio utilizza pulegge collegate da una cinghia in gomma rivestita di acciaio, oppure una catena. Le pulegge sono costituite da due coni affacciati per la base minore, avvicinando od allontanando tali coni si varia il diametro apparente su cui si avvolge la cinghia, costringendola a salire o a scendere, in questo modo si varia il rapporto di trasmissione. Nel caso della catena, invece, le ruote sono dentate.

In alcune soluzioni la trasmissione del moto avviene per compressione invece che per trazione, come nel cambio CVT adottato da FIAT per la Panda Selecta, Uno Selecta e la Y10 Seletronic. Un'altra caratteristica della cinghia metallica impiegata su tali cambi è quella di essere estremamente flessibile, per permettere raggi di avvolgimento molto bassi ed ampliare la gamma dei rapporti di trasmissione. La flessibilità viene ottenuta attraverso l'impiego di 10 anelli di acciaio concentrici molto sottili. Su questo nastro così ottenuto sono montati i tasselli di spinta (il corpo a contatto con le facce delle pulegge) che risultano avere un grado di libertà rispetto al nastro che svolge la funzione di trattenimento.

In alcuni veicoli viene impiegato un sistema doppio, con una cinghia per ogni ruota motrice, eliminando i problemi tipici del differenziale (DAF Variomatic). Il sistema è anche usato negli scooter dal 1985 con il nome di variatore.

In alcuni cambi a catena si usano particolari lubrificanti, che in condizioni di pressione estrema subiscono un cambiamento di fase da liquidi a solido vetroso.

A rulli o toroidale[modifica | modifica wikitesto]

Sistema a rulli

Si immaginino due rulli (uno di ingresso e uno di uscita) con una forma vagamente conica, con il bordo concavo tale da potersi inserire nel foro centrale di un toro, affacciati per la punta e sullo stesso asse. Nella cavità risultante sono premuti uno o più rulli disposti su un piano parallelo all'asse del sistema. Se l'asse del rullo è ortogonale all'asse del sistema, il rullo tocca i due coni alla stessa altezza ed il rapporto di trasmissione è unitario. Inclinando i rulli, il contatto su un cono si sposta verso il centro e sull'altro verso la periferia, variando il rapporto di trasmissione.

Idrostatico[modifica | modifica wikitesto]

Alcuni cambi continui utilizzano pompe a portata variabile e motori idraulici. Sono sistemi in grado di trasferire maggiore coppia ma più costosi nell'acquisto e nella manutenzione. Hanno però il vantaggio che i motori possono essere montati direttamente sui mozzi delle ruote, consentendo una maggiore flessibilità costruttiva ed eliminando le perdite di energie dovute agli alberi di trasmissione e al differenziale. Questo sistema è impiegato in macchine operatrici semoventi (soprattutto macchine agricole e movimento terra), ma anche in trattori da giardino.

CVT a coni[modifica | modifica wikitesto]

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Evans friction cone - Hagley Aug 2009.jpg

Rientrano in questa tipologia i CVT la cui geometria sia costituita da uno o più corpi conici che cooperano lungo le reciproche generatrici realizzando così la variazione di rapporto. Di questo tipo ve ne sono ad un cono soltanto dove un corpo volvente (rotella) spostandosi sulla generatrice del cono realizza la variazione di rapporto esistente fra diametro inferiore e diametro superiore del cono stesso. Vi sono poi i CVT a due coni, in cui i due coni sono posizionati in opposizione (= diametro inferiore dell’uno in corrispondenza del diametro maggiore dell’altro), il contatto fra tutti i possibili diametri dei due coni è realizzato da un anello interposto tra i coni stessi. La variazione si realizza movimentando l’anello lungo il mantello-generatrice dei due coni. In un CVT a più coni basculanti la coppia viene trasmessa per attrito di contatto da un numero variabile di coni (in funzione della coppia da trasmettere) a un mozzo centrale avente forma a “botte”. La superficie laterale del mozzo è convessa secondo un raggio di curvatura determinato, inferiore al raggio di concavità dei coni, in tal modo si ha un solo punto (teorico) di contatto fra cono e botte. Una particolarità del CVT Warko è l’assenza di frizione: il motore è sempre collegato alle ruote e la trazione posteriore viene realizzata tramite un sistema epicicloidale in uscita, chiamato “power split”, che permette la condizione di “Zero Dinamico” (quando il motore è in funzione, il variatore, in una particolare posizione, compensa l’attività del motore avendo zero giri in uscita).

CVT a rulli radiali[modifica | modifica wikitesto]

Il principio di lavoro di questo CVT è simile a quello di una comune pompa a palette per olio. La differenza consiste nel fatto che non viene compresso olio ma dei semplici rulli in acciaio.

La capacità di trasmissione del moto tra i rulli in acciaio viene garantita da un apposito fluido di trazione che aumenta la frizione tra le superfici di contatto e contemporaneamente aumenta la durata del variatore. Diversamente da altri sistemi il CVT a rulli radiali non presenta variazioni della velocità tangenziale di rotolamento lungo la linea di contatto dei rulli. Grazie a questa caratteristica questo CVT ha dei rendimenti energetici estremamente elevati. I vantaggi principali di questo CVT sono il basso costo di realizzo e l’alta efficienza energetica.

CVT con rotismo epicicloidale[modifica | modifica wikitesto]

QuattroCONI.jpg

Un cambio continuo di questo tipo è montato da alcuni modelli Toyota e Lexus. La possibilità di realizzare un cambio continuo di velocità con l’uso di ruotismi epicicloidali era noto da tempo ma i componenti di cui si disponeva fino a non molti anni fa non permettevano realizzazioni con un livello sufficiente di rendimento e di affidabilità. Recentemente la disponibilità di nuovi componenti elettromeccanici ed elettronici (motori a magneti permanenti ed inverter) ha reso possibile produrre cambi continui con caratteristiche soddisfacenti sotto ogni aspetto.

Il componente base di tale nuovo cambio è il rotismo epicicloidale.

Struttura[modifica | modifica wikitesto]

Esso è costituito da:

  • una raggiera (normalmente a 3 o 4 raggi) portante su ogni raggio un perno disposto parallelamente all’asse della raggiera sul quale è montato folle un ingranaggio
  • un ingranaggio centrale disposto al centro dei 3 o più ingranaggi di cui sopra con i quali ingrana. Data la similitudine fra questa disposizione e quella del sistema solare questo ingranaggio viene chiamato “sole” mentre i 3 o più ingranaggi che gli stanno intorno vengono chiamati “planetari”.
  • una corona a dentatura interna che circonda i planetari ed ingrana con essi.

Ciascuno di questi tre elementi è sopportato da un asse.

Funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

La relazione fra le velocità e le coppie intercorrenti fra i tre assi sono deducibili dalle considerazioni seguenti:

  • raggiera bloccata i planetari sono degli intermediari fra corona e sole che non ne alterano il rapporto meccanico che pertanto vale:

k = {Nc\over Ns}. dove Nc è il numero dei denti della corona ed Ns è quello del sole. Riferendoci alle velocità V dei due assi sarà: k = {Vs\over Vc}.

  • Raggiera libera di ruotare, si vedrà le velocità della corona ridotte della velocità Vr della raggiera. La formula diverrà pertanto:

k = {(Vs-Vr)\over (Vc-Vr)}.

che si può anche scrivere:

0 = Vs - kVc + Vr \cdot(k - 1).

Quindi se la raggiera ruoterà nel medesimo verso del sole (ingranaggio centrale), si avrà una riduzione della velocità della corona, fino a un suo totale arresto, ciò permette:

  • Aumentare il regime a parità di velocità
  • Ridurre la velocità a parità di regime
  • Combinare i due precedenti

Mentre se la raggiera ruoterà nel verso opposto del sole (ingranaggio centrale), si avrà un aumento della velocità della corona, ciò permette:

  • Aumentare la velocità a parità di regime
  • Ridurre il regime a parità di velocità
  • Combinare i due precedenti

Coppie in gioco[modifica | modifica wikitesto]

La relazione fra le coppie è deducibile dalla considerazione che in qualsiasi condizione di funzionamento, la forza tangenziale fra i denti degli ingranaggi in presa è la stessa per tutti gli ingranaggi del ruotismo, per cui le coppie sugli assi dipendono unicamente dai raggi su cui esse agiscono. Cioè il rapporto fra le coppie presenti sui vari assi è costante e dipende solo da come il dispositivo è costruito.

Il cambio continuo utilizza questo dispositivo per ottenere dal motore ruotante a velocità costante un asse ruotante a velocità variabile. Se infatti il motore muove la raggiera a velocità costante Vr, la velocità della corona risulterà: Vc = {Vs\over k} + Vr \cdot (k - 1). cioè la velocità della corona Vc sarà proporzionale alla velocità del motore più (in senso algebrico) una velocità proporzionale alla velocità dell’asse sole. Se a quest’asse è connesso un primo motore elettrico capace di ruotare nei due sensi nella gamma di velocità +Vs/-Vs si otterrà sull’asse corona una velocità che varia fra +Vs/k e –Vs/k.

È da notare che il motore elettrico è sottoposto ad una coppia (il cui valore è in rapporto fisso con quelle agenti sugli altri assi, per quanto visto sopra) per cui, quando ruota, eroga o assorbe una potenza secondoché coppia e velocità abbiano lo stesso segno o segno opposto. Questa potenza viene sommata (in senso algebrico) alla potenza trasmessa dall’asse corona tramite un secondo motore elettrico o montato direttamente sull’asse corona o attraverso un riduttore. Più precisamente quando il primo motore elettrico ruota nel senso di aumentare la velocità dell’albero corona esso funziona da motore ed il secondo motore (del sole) funziona da generatore, e viceversa.

Il primo motore somma la propria velocità a quella dell’albero corona ed è controllato in velocità, il secondo motore somma la propria coppia allo stesso albero ed è controllato in coppia ad un valore tale da assorbire la stessa potenza generata dal primo motore. In sostanza tutta la potenza che eroga il motore a benzina finisce sull’albero corona indipendentemente dalla velocità a cui esso gira, che era appunto ciò che si voleva ottenere.

Alla richiesta di forti accelerazioni al secondo motore è inviato un segnale di coppia più elevato di quello corrispondente ad una richiesta di potenza pari a quella generata dal primo motore; analogamente in frenatura il segnale di coppia è minore di quello corrispondente alla richiesta di potenza di cui sopra. La differenza in ambedue i casi è coperta dalla batteria che alimenta gli inverter dei due motori.

Il ruotismo che funge da sommatore delle potenze (o più esattamente delle coppie) potrebbe essere un normale riduttore, ma nelle vetture ibride è a volte, per comodità costruttiva, un altro rotismo epicicloidale con corona bloccata funzionante pertanto da riduttore. Infatti ponendo Vc = 0 si ha: {Vs\over Vr} = 1 - k. cioè si ottiene un riduttore con rapporto 1 – k. Nella Lexus GS450h le cose sono ancora più complesse perché per sommare le coppie di ruotismi epicicloidali ve ne sono due nei quali bloccando un elemento o l’altro si ottengono due diversi rapporti. In effetti il cambio di questa vettura ha due gamme, con commutazione automatica dall’una all’altra, all’interno delle quali la variazione del rapporto è continua.

Vantaggi e svantaggi[modifica | modifica wikitesto]

Rispetto al cambio automatico idraulico, il cambio continuo è più semplice da costruire e mantenere ed offre un migliore rendimento energetico eliminando il convertitore di coppia. La massima coppia trasferibile è però limitata dal'attrito tra le parti e dalla resistenza della cinghia o catena. per questo i cambi continui sono in genere usati su veicoli di bassa potenza ed altri mezzi di lavoro leggeri.

Il cambio continuo compensa progressivamente le variazioni del veicolo facendo andare il motore sempre al suo regime di coppia massima. Ciò aumenta la resa energetica e riduce le emissioni inquinanti, ma rende il suono del motore costante e privo di risposta sonora. Una rivista ha descritto la sensazione prodotta come quella di guidare un motoscafo in accelerazione. Il software di controllo può essere studiato in modo da emulare un cambio automatico tradizionale, eliminando questo problema di marketing.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Un primo brevetto di cambio continuo toroidale fu depositato verso la fine del XIX secolo, ma il primo modello veramente funzionante, chiamato Variomatic, fu progettato e costruito dal tedesco Hub van Doorne co-fondatore della DAF, negli anni cinquanta. La prima automobile con cambio DAF fu prodotta nel 1958. Il brevetto fu successivamente venduto, assieme alla DAF, alla Volvo. La FIAT iniziò gli studi di fattibilità in partnership con DAF tramite la SIRA (Società Italiana Ricerche Automotoristiche) fondata dall'ing Dante Giacosa. Il primo prototipo dimostrativo fu allestito su una 131 opportunamente adattata. Fu quindi avviata la progettazione di un cambio per l'impiego su vetture a trazione anteriore. Dopo una produzione limitata di 150 esemplari della Ritmo (data in uso a clienti selezionati), il primo modello prodotto in serie fu la Uno Selecta (1985) che non ebbe grande successo. Successivamente (1990) il gruppo FIAT presentò la Panda Selecta e, tramite il marchio Autobianchi, lanciò la versione Seletronic sul modello Y10. Nonostante il concetto di base fosse quello della Uno, il cambio riprendeva lo schema costruttivo del cambio montato sulla Ritmo: non aveva ruotismi epicicloidali, bensì tradizionali ingranaggi, e la frizione non era centrifuga ma elettromagnetica controllata da una centralina elettronica. La sensazione di slittamento di frizione che caratterizzava la Uno era perciò limitata. Tuttavia, le resistenze da parte della clientela italiana all'uso del cambio automatico in genere decretarono l'oblio di tale dispositivo (la Panda Selecta uscì di produzione a fine 1998). Fu ipotizzato anche l'impiego su vetture di F1, ma dopo alcuni studi di fattibilità l'idea fu abbandonata a causa della notevole coppia motrice da trasmettere, anche con l'impiego di una cinghia per ruota il rendimento e la durata non erano giudicate adeguate.

Negli anni ottanta e anni novanta la Subaru Justy fu proposta con il cambio continuo. Anche sa la Justy ha avuto scarso successo commerciale, la Subaru ha continuato a produrre cambi continui per propri veicoli e per altre aziende. Nel 1992 la Nissan ha installato su propri veicoli un cambio Subaru, e negli anni successivi ha sviluppato un sistema proprio, in grado di trasferire più coppia e dotato di un convertitore di coppia. Questo modello fu utilizzato su diverse automobili per il mercato giapponese. La Nissan è anche stata l'unica marca a proporre commercialmente cambi continui a rulli negli ultimi anni. Il cambio toroidale Nissan, chiamato X-troid, era disponibile sul mercato giapponese sui modelli Y34 Nissan Gloria e V35 Skyline GT-8. Tuttavia il sistema non fu portato sul modello successivo quando la Cedric/Gloria fu rimpiazzata dalla Nissan Fuga nel 2004.

Dopo avere studiato per anni il sistema a puleggia, la Honda ha introdotto una propria versione nel 1985 sulla Civic.

Dal 1997 la Toyota impiega il cambio continuo E-CVT nell'ibrida Prius.

Nel 2002 la General Motors ha sviluppato un cambio continuo per le proprie utilitarie, ma entro tre anni l'idea è sfumata in favore del cambio automatico comune.

Altre proposte di cambio continuo si sono avute da parte di Audi, che dal 2000 offre un sistema a catena opzionalmente su alcune auto di grande potenza, tra cui la A4 3.0L V6. Nel 2005 Ford Freestyle e 500 utilizzano opzionalmente un cambio continuo appositamente elaborato.

La tecnologia del cambio continuo è molto progredita dalle sue origini ed è tuttora in corso.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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