Cambio automatico

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sezione di cambio automatico ZF
trasmissione automatica ad 8 velocità, ZF-Getriebe AG

Il cambio automatico è un tipo di cambio che negli autoveicoli provvede automaticamente a variare il rapporto di trasmissione, senza la necessità dell'intervento da parte di chi guida.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il cambio automatico si è molto diffuso negli Stati Uniti a partire dagli anni cinquanta, mentre è meno usato in Europa, in particolare in Italia. Uno dei motivi è dovuto alla riduzione dell'efficienza energetica e quindi maggior consumo di carburante causato dal cambio automatico, particolare evidente nei primi modelli. Negli Stati Uniti il basso costo del carburante ha minimizzato questo problema. Aumento del peso vettura, diminuzione delle prestazioni, aggiunti alla poca conoscenza che molte persone hanno verso tale tecnologia, rendono ancor ampiamente gradito l'uso del cambio manuale nonostante la guida di un'automobile con cambio manuale sia oggettivamente più complessa.

Il primo brevetto di un "cambio automatico progressivo di velocità" venne presentato e registrato in Italia nel 1931, a nome di Elio Trenta (1912-1934) di Città della Pieve (Il brevetto venne rilasciato dal Ministero delle Corporazioni-Ufficio delle proprietà intellettuali con il numero 298415). I modelli Oldsmobile del 1940 furono i primi veicoli ad avere un cambio completamente automatico, chiamato Hydra-matic, a quattro rapporti e senza frizione. Su questi modelli l'opzione cambio automatico era offerta a soli 57$. Negli anni cinquanta Oldsmobile produsse milioni di automobili con cambio automatico, dimostrandone la popolarità negli Stati Uniti.

Il cambio automatico idraulico fu poi introdotto da General Motors, Chrysler e Borg-Warner (produttore di cambi per Ford) nei primi anni cinquanta. I primi modelli avevano due rapporti e non erano in grado di trasmettere molta coppia, poi a breve furono prodotti modelli a tre rapporti.

Negli anni ottanta si è avuto un salto tecnologico con l'introduzione della quinta marcia, che ha migliorato il rendimento energetico dei cambi idraulici nei lunghi viaggi. Un altro miglioramento notevole risalente al medesimo periodo fu l'introduzione del convertitore di coppia a frizione (TCC o Lockup torque converter). Il sistema consiste nell'abbinare al convertitore di coppia una frizione comandata da un elettromagnete, in grado di connettere direttamente l'ingresso con l'uscita quando determinato dal computer di bordo. Eliminando gli attriti del fluido nel convertitore di coppia a velocità elevate, questo sistema offre un ulteriore risparmio di carburante.

È stato fatto similmente un tentativo di migliorare il rendimento con una frizione sul rapporto per la marcia veloce che intervenga automaticamente oltre una certa velocità. Il risultato è però un sistema troppo invadente, con continui inserimenti e disinserimenti in certe condizioni che comportino piccole variazioni di velocità, quali il vento.

Con l'aumento delle prestazioni dei computer di bordo, tra gli anni ottanta e novanta una parte sempre maggiore delle funzioni delle valvole è stata trasferita nell'elettronica. Il controllo delle valvole da parte del computer (alcuni produttori dedicano un microprocessore specializzato solo per il controllo del cambio) rende l'intervento più preciso e consente in alcune auto l'adozione del controllo semi-automatico sequenziale o robotizzato o anche "semisequenziale", in cui il guidatore indica al computer quali rapporti inserire o viene gestito interamente dal computer. Questi cambi migliorano notevolmente il comportamento in discesa e l'utilizzo del freno motore; alcuni modelli sono in grado di riconoscere lo stile del guidatore e adattarsi di conseguenza.

Un particolare tipo di cambio automatico, detto cambio continuo o a rapporto variabile, non ha rapporti fissi predeterminati, ma può variare il rapporto di trasmissione con continuità entro l'intervallo di lavoro.

Cambio tradizionale a rotismi epicicloidali[modifica | modifica wikitesto]

Il tipo più diffuso di cambio automatico è quello a rotismi epicicloidali. In queste realizzazioni un gruppo di sistemi epicicloidali in serie consentono di realizzare ciascuno un cambio di rapporto mediante il solo intervento di freni che agiscono, a seconda dei casi, sulla corona, sul pignone o sul portasatelliti, e talvolta anche mediante l'uso di frizioni (di solito multidisco) che rendano solidali tra loro due di questi tre elementi. Il comando automatico della cambiata viene realizzato di solito sfruttando la pressione di un fluido in un circuito idraulico azionato essenzialmente da un rilevatore di velocità finale (tradizionalmente un meccanismo a dilatazione centrifuga), ma sempre più spesso anche sulla base di altri rilevatori, ad esempio della parzializzazione della carburazione, oppure del carico sopportato, oppure della pendenza del tracciato.

Struttura e funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Una trasmissione con cambio a rotismi epicicloidali idraulico è solitamente costituito dalle seguenti parti:

  • Convertitore di coppia: è un dispositivo interposto tra il motore ed il cambio che sostituisce la tradizionale frizione. Produce una variazione della coppia alle basse velocità e durante le accelerazioni, ma soprattutto azionato "al minimo" (ossia al minimo regime del motore) non trasmette momento torcente, se non di entità minima e comunque sempre vincibile da una minima azione dei freni. Un veicolo con convertitore di coppia ha quindi (salvo casi particolari) solo due pedali: acceleratore e freno. Tale organo meccanico è diffuso anche su veicoli su cui non è presente una trasmissione a cambio automatico, come in molte macchine operatrici, e in alcuni veicoli ferroviari. Il convertitore di coppia svolge anche una limitata regolazione continua del rapporto, in aggiunta al rapporto fisso del cambio.
  • Attuatore: è il centro di controllo di tutto il sistema. Tradizionalmente è costituito da un sistema idraulico in cui un fluido in pressione giunge da una pompa azionata dall'albero di ingresso, e qui viene regolato da un sistema di valvole premute da molle. Il sistema di valvole elabora la pressione della pompa e la pressione di un rivelatore centrifugo (oltre ad un segnale idraulico determinato dalla posizione della leva di selezione e della valvola a farfalla) per determinare il rapporto da inserire. La differenza di pressione tra due cavità determina l'apertura o la chiusura di una valvola di comando, consentendo o meno il passaggio del fluido che aziona gli attuatori di frizioni e freni. Si tratta di un vero e proprio calcolatore idraulico, e infatti in molti cambi moderni è un microprocessore ad azionare le valvole con l'aiuto di attuatori elettromeccanici. La complessità e il notevole numero di componenti costituenti il corpo valvole rendevano in passato il cambio automatico molto costoso rispetto al manuale. Oggi la produzione di massa ha ridotto la differenza di prezzo di questo optional.

Comandi per il guidatore[modifica | modifica wikitesto]

Il cambio automatico richiede un minimo di interazione con l'utente. Per questo esiste una leva (selettore) che può essere spostata su una delle seguenti posizioni (in generale):

  • P - Parking (parcheggio): l'albero di trasmissione e quindi le ruote sono bloccate, lasciando libero l'albero motore. Questo impedisce all'automobile di muoversi per esempio se parcheggiata in pendenza.
  • R - Reverse gear (retromarcia): come nel cambio manuali, attiva gli ingranaggi grazie a cui le ruote eseguono la rotazione in senso contrario e contemporaneamente accende le luci di retromarcia
  • N - Neutral (folle): come nella folle dei cambi meccanici, in questa posizione non viene trasmessa potenza
  • D - Drive (guida): il cambio interviene automaticamente durante la guida
  • 3 - Terza (non sempre presente): in questa posizione il cambio è limitato alla terza marcia
  • 2 - Seconda: in questa posizione il cambio è limitato alla seconda marcia
  • 1 - Prima: in questa posizione il cambio è limitato alla prima marcia
  • L - Low (normalmente presente nei cambi a variazione continua): in questa posizione il cambio è limitato alla prima e seconda marcia circa
  • S - Sport (guida sportiva, non sempre presente): il cambio interviene automaticamente e più frequentemente durante la guida. La ripresa aumenta con il numero di giri
  • +/- se abbinato a un cambio sequenziale, per impostare manualmente i rapporti senza utilizzare la frizione

Esistono anche comandi (specialmente sugli autobus) formati da una pulsantiera generalmente con D (Drive), N (Neutral), R (reverse) poi in aggiunta anche 1 per limitare la marcia fino alla 1ª, 2 fino alla 2ª e 3 è stata gradualmente sostituita dal tasto D per bloccare le marce. A motore in moto per inserire la marcia (D o qualsiasi altro pulsante) occorre, per motivi di sicurezza, tener premuto a fondo il pedale del freno. Inoltre il guidatore ha a disposizione altri comandi del cambio automatico: nel pedale del freno (comandi frenatura idraulica) e nel pedale dell'acceleratore, (kick down).

Corpo valvole manuale[modifica | modifica wikitesto]

Particolari cambi automatici idraulici hanno il corpo valvole comandato manualmente da guidatore, il quale decide così il rapporto da inserire ma senza l'uso della frizione. L'impiego di questi cambi è limitato alle auto sportive o da gara. In alcuni modelli è possibile commutare tra la modalità manuale o quella automatica. Il sistema è però superato dal corpo valvole controllato elettronicamente.

Raccomandazioni[modifica | modifica wikitesto]

La tipologia di funzionamento del cambio automatico fa sì che spostando la leva del cambio in posizione D oppure R la vettura inizi a muoversi lentamente in avanti (o all'indietro) anche senza premere l'acceleratore, e che per mantenere la vettura ferma sia necessario mantenere premuto il pedale del freno oppure inserire il freno di stazionamento.

Questa caratteristica è particolarmente apprezzabile in caso di lunghe code e/o di marcia a bassissima velocità, in quanto evita un continuo uso di frizione, freno e acceleratore, con l'usura e lo stress che ne derivano, problema particolarmente sentito nelle grandi città degli Stati Uniti.

Per contro è necessario ricordarsi sempre di posizionare la leva del cambio in posizione P prima di scendere dal veicolo, diversamente il veicolo può scivolare in avanti e causare danni. Per questo motivo negli Stati Uniti si può osservare la presenza di appositi codoli di arresto in cemento posizionati nelle aree di parcheggio in maniera trasversale al senso di marcia, che servono appunto ad evitare che eventuali veicoli dimenticati con il cambio in posizione D continuino ad avanzare creando danni.

Per lo stesso motivo è necessario posizionare la leva in posizione P per poter estrarre la chiave di accensione; un apposito sistema elettromeccanico impedisce infatti l'estrazione della chiave con la leva del cambio in altre posizioni e permette l'avviamento del motore solo con la leva in posizione P (alcuni veicoli richiedono anche la pressione del freno come ulteriore sicurezza).

L'utilità del cambio automatico è poi particolarmente sentita nelle città con numerose strade in salita, in quanto evita la famosa manovra di "spunto in salita ", che mette in difficoltà parecchi guidatori poco esperti; per mantenere il veicolo fermo è infatti sufficiente accelerare leggermente, per avanzare premere maggiormente l'acceleratore e per tenere la posizione in salita è sufficiente rilasciare minimamente il pedale. Chiunque abbia guidato a San Francisco ha sicuramente apprezzato tale caratteristica. Molte automobili moderne dispongono ora di un sistema detto "hill holder" che blocca automaticamente il freno per un paio di secondi dopo il suo rilascio, in modo da concedere il tempo al guidatore di rilasciare la frizione con il piede sinistro e di spostare il piede destro dal freno all'acceleratore senza che il veicolo si muova; per ragioni di sicurezza tale sistema è abilitato unicamente è inserita la prima marcia e il veicolo si trova in salita, oppure se è inserita la retromarcia e il veicolo si trova in discesa.

Passando da un'auto con cambio meccanico ad una con il cambio automatico bisogna pprestare particolare attenzione, almeno nei primi tempi, a controllare il riflesso di premere con il piede sinistro il pedale della frizione: non essendo presente questo pedale su vetture con cambio automatico, si potrebbe finire con il pigiare il primo pedale raggiunto dal piede sinistro, quello del freno, provocando così una brusca e non voluta frenata che può essere controproducente; il piede sinistro va tenuto distante dai pedali proprio per perdere tale riflesso condizionato.

Curiosità[modifica | modifica wikitesto]

- Un noto costruttore europeo realizzò una curiosa versione di un noto modello di automobile da esso prodotta, equipaggiata da un cambio semi automatico, provvisto di una normale leva del cambio a 5 marce + RM, priva però del pedale della frizione. L'inserzione della prima marcia e delle successive avveniva per mezzo di una frizione elettromagnetica automatica, pilotata da un sensore di movimento sulla leva del cambio, che inseriva e disinseriva la frizione elettromagnetica, quando il guidatore esercitava una certa forza sulla leva del cambio e velocità del veicolo e marcia inserita erano adeguate alla manovra richiesta.

La macchinosità del sistema, difficile da usare in quanto ibrido causava tre problemi di una certa importanza : con la batteria scarica e la marcia inserita non era possibile mettere il veicolo in folle per poterlo spostare a mano una volta scaricato da, faceva si che il guidatore cercasse la frizione con il piede sinistro, finendo per premere fortemente il freno, con conseguenze pericolose.

- Nella città di San Francisco, nota per le strade a forte pendenza, parcheggiando un veicolo è obbligatorio inserire il freno di stazionamento (oltre ovviamente a posizionare la leva del cambio in posizione P) , ma è altrettanto obbligatorio sterzare le ruote secondo una regola ben precisa : parcheggiando in salita accostando al lato destro bisogna ruotare lo sterzo tutto a sinistra ; parcheggiando in discesa accostando al lato destro bisogna ruotare lo sterzo tutto a destra. Accostando invece al lato sinistro della strada in salita lo sterzo va ruotato tutto a destra , parcheggiando in discesa tutto a sinistra. Tale regola, che sembra macchinosa, serve ad impedire movimenti del veicolo in caso di guasti al sistema di blocco del cambio che al freno di stazionamento; in tutti i quattro casi infatti, il bordo della ruota si trova sempre accostato al marciapiede con la minima distanza possibile riducendo lo spostamento involontario al minimo.

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