Trasmissioni automatiche

Trasmissioni automatiche Generalità 16/01/2021 Montebruni Angelo   Riassunto Questa analisi a un duplice scopo: presentare una panoramica dell’evoluzione delle trasmissioni automatiche e di guardare verso una possibile futura tendenza. Tre aree di prodotto sono coperte in questa presentazione: Trasmissioni automatiche convenzionali per auto passeggeri e autocarri leggeri. Trasmissioni variabili continuamente. Trasmissioni automatiche convenzionali per autocarri medi e pesanti. Non sono stati considerate trasmissioni specificatamente progettate per applicazioni per autobus da città ed autocarri per fuori strada. Trasmissioni automatiche per auto passeggeri Per gli scopi di questa analisi è definita una trasmissione convenzionale automatica come quella che ha caratteristiche di un gruppo di ingranaggi planetari ed elemento idrodinamico e rapporti di cambio in accordo ad un programma pre-configurato senza alcuno speciale ingresso di conduzione o senza interruzione di coppia motore. La prima trasmissione automatica per auto passeggeri che incontra questa definizione fu la Oldsmobile Hydra-matic 1939. Uno schema di questa trasmissione è mostrato in figura 1. Utilizzava un giunto a fluido ed un gruppo di ingranaggi planetario a quattro velocità. La potenza completa passava attraverso un giunto a fluido solamente nella prima marcia, nelle marce superiori la potenza era divisa con un progressivo inferiore passaggio attraverso il giunto. Questo approccio forniva operazioni continue a velocità del veicolo più basse e minimo scorrimento per la crociera nei rapporti più alti. Figura 1 – Hydra-matic originale. Altri sviluppi di trasmissioni pre-guerra includevano la Buick Hydra-matic del 1937 che era una trasmissione planetaria a quattro velocità. Al contrario della versione dell’Oldsmobile non aveva giunto a fluido ed operava in un modo semi-automatico. Nel 1939 la Chrysler introdusse una trasmissione che aveva un giunto a fluido ed una frizione manuale a fronte di un cambio manuale a tre velocità. Nel 1941 questa era revisionata nella trasmissione a quattro velocità semi-automatica M3 che aveva un giunto a fluido a fronte di un cambio a quattro velocità funzionante a vuoto. Un cambio automatico ad una marcia più alta alla seconda od alla quarta era ottenuto rilasciando il pedale per chiudere l’acceleratore. Un’automatica scalata alla prima od alla terza era ottenuta rilasciando l’acceleratore oltre la posizione di guida normale. Questa trasmissione evolvette nella M5 con controllo di cambio idraulico e nella M6 nel 1951 con un convertitore di coppia che sostituiva il giunto a fluido. Seguendo la ripresa della produzione automobilistica nel 1946, molti degli sforzi nello sviluppo delle trasmissioni era diretto verso l’ottenimento di cambiate più continue. Un approccio era sostituire una frizione rotante con un giunto smorzante e riempito a fluido. L’Hydra-matic fece questo nel modello 315 introdotto nel 1956, la figura 2. Un altro approccio per migliorare la qualità delle operazioni di cambio marcia era non avere cambiate automatiche completamente. Questo era effettuato espandendo il campo del convertitore di coppia attraverso l’uso di turbine ad ingranaggi multipli ed altri elementi aggiunti. Figura 2 – Hydra-matic a doppio giunto. Esempi di questo approccio furono l’Ultramatic della Packard, il primo Powerglide della Chevrolet ed il Dynaflow della Buick, figura 3. L’Ultramatic della Packard è stato introdotto nel 1949 ed ha aveva due turbine connesse insieme con lo statore fra esse, era anche la prima trasmissione automatica a combinare il convertitore di coppia con una frizione di blocco, figura 4. L’ultimo esempio di questo approccio era la doppia turbina Dynaflow offerta da Buick in 1953. Figura 3 – Dynaflow della Buick. Figura 4 – Ultramatic della Packard L’Ultramatic Packard era il precursore di una serie di trasmissioni a due velocità fornito con cambio di bassa velocità manuale che automatico e con la maggior parte di esse incorporanti un semplice convertitore di coppia a tre elementi. Questi includevano il Warner/Fordmatic della Borg (1950), una trasmissione a tre velocità con una intermedia automatica per cambio ad alta velocità, il Powerflite della Chrysler, figura 5 uno delle poche trasmissioni di questa era non usante un gruppo di cambio della Ravigneaux e il Powerglide della Chevrolet del 1953. Figura 5 – Powerflite della Chrysler. Solo in questa era post guerra c’era una rimarchevole trasmissione a tre velocità che era prodotta dalla Divisione Cambi della Borg Warner di Detroit e venduta sulla Studebaker del 1949. Questa trasmissione utilizzava un convertitore di coppia a tre elementi, una frizione di blocco ed un gruppo di cambio a tre velocità. Sia la cambiata 1-2 e 2-3 era effettuata da una frizione ad una via. Questa trasmissione era veramente un precursore del futuro, figura 6. Figura 6 – Automatic della Studerbaker. Un'altra trasmissione avanti del suo tempo era la Torque-flite della Chrysler del 1960, figura 7 che era la prima trasmissione ad usare il gruppo cambio della Simpson. La Chrysler fu seguita nel 1964 dalla Ford con il C-4 e la GM con il Turbo Hydra-matic 400. Virtualmente tutte le trasmissioni a tre velocità degli anni ’60 utilizzavano il gruppo del cambio della Simpson. Figura 7 – Torque-Flite della Chrysler. Gli obiettivi di economia di carburante dei tardi anni ’70 ed anni ’80 imposero il requisito di un campo di automatico sovra-utilizzo nella trasmissione. All’inizio questo era compiuto con l’aggiunta di un gruppo del cambio a due velocità al convenzionale gruppo del cambio Simpson a due velocità. Comunque, le trasmissioni a quattro velocità di oggi usano sia una combinazione ingegnosa di due semplici gruppi del cambio planetari paralleli, figura 8 o una versione a quattro velocità del gruppo del cambio Ravigneaux, figura 9. Figura 8 – Tipico moderno a quattro velocità Transaxle (pianeti paralleli). Figura 9 – Tipico moderno quattro velocità automatico con sovra-utilizzatore (Ravigneaux). Una discussione di progresso nello sviluppo della trasmissione automatica sarebbe incompleta senza menzionare alcuni miglioramenti complementari nelle tecnologie dei componenti che a grande spettro sono hanno fatto quel progresso possibile. Ingranaggi Quattro significative aree di progresso sono evidenti nel confronto dei moderni ingranaggi con quelle prime trasmissioni: Prima e maggiormente ovvio è l’ingegnosità che consente quattro velocità da ottenere con lo stesso numero di gruppi planetari del cambio che una volta fornivano solamente due velocità. Secondo e ugualmente importante è l’eliminazione del doppio cambio di transizione nelle normali sequenze di cambiata. Terzo è l’uso di più evidenti tecniche di analisi, così come elementi finiti, nel progetto delle dentature degli ingranaggi. L’ultimo ma non minore, il progresso nella tecnologia della fabbricazione degli ingranaggi che ha reso più accurate, più alte le qualità degli ingranaggi per essere prodotti in serie. La figura 10 fornisce un confronto fra un tipico arrangiamento di trasmissione a due velocità dell’era del 1954 ed un tipico arrangiamento a quattro velocità del periodo dal 1986 fino ad oggi. Ci sono parecchie ovvie differenze: Figura 10a – Trasmissione a due velocità del 1954. Figura 10b – Trasmissione a quattro velocità del 1986. I quattro, cinque e sei elementi convertitori dei primi anni ’50 sono scomparsi e sono state sostituiti da un semplice convertitore a tre elementi assistito da una frizione di blocco. Così il convertitore è ora usato solamente come un dispositivo di partenza, un ruolo per il quale è idealmente adatto, e la sua precedente inefficienza nelle modalità di viaggio, è stata eliminata dall’uso della frizione di blocco. Mentre nel 1954 la trasmissione a due velocità richiedeva due gruppi di ingranaggi planetari semplici, una frizione rotante, e due frizioni stazionarie o frizioni a bande, oggi possono essere ottenute quattro velocità con l’addizione di una frizione rotante, una frizione stazionaria o frizione a banda e nessun aumento nel numero di gruppi di ingranaggi planetari. Comunque, la semplicità ottenuta nel convertitore e nei gruppi di ingranaggi è compensata da un vasto incremento dei requisiti per la versatilità dei controlli che non erano disponibili con la tecnologia del controllo nel 1954. Nel 1954 la trasmissione a due velocità a cambio completamente automatico si aveva fra due elementi di frizione ognuno operante in una modalità singola. Nel 1986 la trasmissione a quattro velocità a due dei tre elementi di frizione stazionarie, il sovra-utilizzatore e l’invertitore, operano in modalità singola mentre l’elemento finale opera in due modalità. Nei due elementi di frizione rotante ognuno opera in tre modalità. Controlli Nelle prime trasmissioni a causa dei problemi di produrre accettabili cambiate così severi si accettava la soluzione di avere possibili poche cambiate. Esempi erano il Dynaflow della Buick che non aveva assolutamente cambiate o la trasmissione della Ford che aveva tre velocità ma erano solamente automatizzate nei due campi superiori. Durante gli anni ’50 ed i primi anni ’60 molto sforzo è stato fatto per sviluppare migliorati controlli idraulici. Progressi considerevoli sono stati fatti quando gli sviluppatori meglio compresero le relazioni tra coppia e velocità di trasferire controllo da una frizione ad un’altra sotto un’ampia varietà di condizioni operative. Nonostante i loro migliori sforzi nei fattori in loro controllo effettuati virtualmente era impossibile produrre trasmissioni in larga quantità ed averle tutte con le cambiate come quando erano nuove e molto minori cambiate oltre la vita del veicolo. I controlli idraulici potevano solamente attaualmente operare e dover essere assistiti estensivamente da un meccanismo di frizione ad una via. Le elettroniche apparirono essere la risposta ed i controlli usanti questo approccio iniziarono ad apparire negli anni ’70. Esse fecero la loro apparizione in tre fasi: Nella prima fase i controlli elettronici sostituirono quelli a valvole idrauliche concernenti con funzioni logiche. Cioè, quelle che si determinano quando una cambiata si fosse attivata. Quelle erano le valvole a più bassa forza e perciò la maggior parte soggette alle tolleranze di fabbricazione e agli effetti dei contaminanti. Nella seconda fase la frizione applica programmi che erano controllati elettronicamente. Questo permetteva più flessibilità e consistenza dell’applicare frizioni. Nella terza e finale fase, che esiste oggi, le frizioni sono controllate in un ciclo chiuso o in maniera adattativa per produrre un consistente risultato finale di sensazione di cambiata con della frizione senza riguardo delle tolleranze di fabbricazione o degradazione dei materiali della frizione. Materiali di attrito della frizione Un uguale contributo significativo verso sia una più guidabile come altrettanto una più durevole trasmissione, è stato raggiunto con lo sviluppo dei materiali della frizione. La figura 11 mostra la capacità dell’energia relativa dei moderni materiali di grafite, carta o polimerici confrontati ai metalli, semimetallici e compositi in sughero di trenta anni fa. Figura 11 – Miglioramenti nell’assorbimento di energia. La figura 12 illustra il progresso nella morbidezza di cambiata. Il materiale ad alta staticità/dinamicità aveva un sostanziale aumento in coppia come la cambiata era completata risultando in una caratteristica sgradevole di cambiata. Le rimanenti tre curve illustrano la varietà dei risultati che possono essere ottenute dalle selezioni di materiale sole. Figura 12 – Coppie istantanee di confronto dei materiali. La figura 13 illustra il drammatico miglioramento nella resistenza al calore dei materiali. Queste sono prove di laboratorio in cui i materiali sono esposti a tre livelli di calore per un tempo finito. Il deterioramento è misurato come una percentuale della perdita del peso. Figura 13 – Capacità termica relativa (attraverso analisi TG in aria). Tendenze future Negli Stati Uniti in particolare appare che continueranno le pressioni rivolte anche ai consumi di carburante più bassi, non solamente per il risparmio di energia ma anche per le emissioni di idrocarburi. Questo allo stesso tempo ha incrementato la domanda dei consumatori per un maggiore confort di guida e per le prestazioni dei veicoli. Il risultato continuerà ad essere rivolto verso un maggiore rapporto di copertura e fasi più strette. In altre parole, maggiori campi di velocità. Appare che la trasmissione a quattro velocità, al meno nelle auto a trazione posteriore di lusso, può essere sostituita con uno a cinque velocità nel prossimo futuro. Gli avanzamenti continui nei componenti e le tecnologie di controlli elettronici condurranno ad una maggiore affidabilità ed a trasmissioni maggiormente raffinate. Trasmissioni automatiche per autocarri autostradali e autobus La prima trasmissione automatica progettata specificatamente per autocarri autostradali fu il modello MT 30 della Allison introdotto nella metà degli anni ’50, figura 14. Consiste in un convertitore di coppia con frizione di blocco, un gruppo del cambio Wilson a tre velocità in avanti e retromarcia ed in un gruppo di ingranaggi di riduzione a due velocità planetario semplice. Questa combinazione era molto simile alla disposizione di ingranaggi dell’originale Hydra-matic ad eccezione che usava un gruppo del cambio a tre velocità e due gruppi del cambio a due velocità per dare sei rapporti egualmente spaziati. L’originale Hydra-matic comprendeva due, a due velocità, gruppi del cambio per dare un totale di quattro rapporti. Entrambi avevano uno maggiore svantaggio che ogni altro cioè la cambiata era una doppia cambiata di transizione dove due frizioni dovevano essere rilasciate e due innescate per consentire il cambio di rapporto. Il MT 30 differiva dall’originale Hydra-matic perché usava un convertitore di coppia e frizione di blocco invece che un accoppiatore a fluido ed un dispositivo di divisione della coppia. Figura 14 – Trasmissione automatica MT 30/40 della Allison per autocarri ed autobus. Originariamente il MT 30 era progettato con solamente le tre velocità ed un gruppo del cambio di retromarcia, principalmente per gli autocarri da consegne in città e per i mercati di autobus leggeri. Comunque, i due gruppi di velocità in avanti erano aggiunti precedentemente per la produzione in modo da espandere il loro potenziale uso per tutti gli autocarri da autostrada e gli autobus. Queste trasmissioni anche incorporavano un rallentatore idrodinamico integrale, il primo per autocarri da autostrada. La trasmissione HT 70 consentiva la produzione. Era identica all’MT 30 ed anche alla trasmissione MT 40 eccetto che per le dimensioni e perché i due gruppi del cambio a due velocità fornite di sovra-moltiplicatore e di marcia diretta per ospitare i motori Diesel più lenti tipici dei più grandi autocarri. Dopo 10 anni di esperienze di produzioni con queste due trasmissioni era evidente che i maggiori volumi di mercato erano concentrati nei rifiuti, consegne in città e segmenti di autobus leggeri. La complicazione meccanica dei quattro gruppi di ingranaggi planetari e delle sei frizioni, insieme con complicazioni operazionali delle due doppie cambiate, era più di quella richiesta per la maggior porzione del mercato servito da queste prime trasmissioni automatiche. Durante il 1966 era partito il progetto di una nuova famiglia di trasmissioni. Queste erano basate su tre taglie di gruppi del cambio a quattro velocità progettati per consentire la fabbricazione. La più piccola usava un convertitore di coppia aperto per automobili di alto volume, figura 15 e la più grande offriva un rallentatore idrodinamico opzionale per l’uso in autostrada. Un gruppo di ingranaggi addizionale era offerto come un’opzione per fornire una trasmissione a cinque velocità a rapporto stretto, figura 16 per uso di autocarri da autostrada. In questa versione, l’uscita della porzione a quattro velocità guida la ruota di ingranaggio mentre l’albero di ingresso della trasmissione guida l’ingranaggio solare. Così i passi di rapporto sono ridotti del . Figura 15 – Trasmissione automatica a quattro velocità dell’Allison per autocarri e autobus. Figura 16 – Trasmissioni a cinque velocità a rapporto corto MT 645/HT 750 per autocarri e autobus. Una differente forma di gruppo di ingranaggi aggiunti fornisce un alto rapporto a cinque velocità per applicazioni fuori ed in autostrada, figura 17. Qui, la coppia di reazione della ruota dell’ingranaggio di retromarcia del gruppo del cambio a quattro velocità di bassa è rilasciata all’ingranaggio solare del planetario aggiunto. Con la portante mantenuta la coppia della ruota dell’ingranaggio è invertita nuovamente ed aggiunta alla coppia di uscita dell’uscita della velocità quattro. Figura 17 – Trasmissioni automatiche ad alto rapporto a cinque velocità MT 650/HT 750 della Allison per autocarri. Questa famiglia di trasmissioni è stata applicata con successo agli autocarri, agli autobus ed a altri veicoli commerciali. Nei tardi anni ’70 la trasmissione HP 500 della ZF era la prima di una terza generazione di trasmissioni da autobus e da autocarri da autostrada, figura 18. Era la prima trasmissione a fornire sia cinque o sei velocità con tre gruppi di ingranaggi planetari, confrontati con la quattro usate su tutte le precedenti trasmissioni a cinque o sei velocità ed anche su alcune trasmissioni a quattro velocità. Il numero di frizioni rimaneva sei che è lo stesso come nelle trasmissioni a cinque velocità MT 650 dell’Allison o nella trasmissione MT 40 a sei velocità. Giusto come l’AT della Allison, MT ed HT erano progettati come una unità a quattro velocità di base ed aumentata a cinque velocità od alto rapporto, la trasmissione ZF era progettata per sei velocità ed aumentata a sette velocità od alti rapporti. L’ultima è anche attenuata a quattro o cinque velocità quando desiderato. Figura 18 – Trasmissioni automatiche a sei velocità HP 500 della ZF per autocarri ed autobus. Con la HP 500, la ZF introdusse parecchi vantaggi di installazione, includenti una scatola più piccola e più compatta ed un significativo numero di opzioni di applicazione, includenti: A tempo completo e P.T.O. a cambiata assistita da motore guidato. Pompe di sterzata (servosterzo) secondarie e di emergenza. Alto rapporto e ingranaggi a sette velocità. Casi di trasferimento con e senza differenziale o disconnessi. L’ultima fase nella tecnologia di trasmissione è la trasmissione WT della Allison, figura 19. Anch’essa è pianificata in tre taglie con sei velocità come standard ed una settima velocità od alto rapporto opzionale. Continua l’andamento verso la semplicità, usando tre gruppi di ingranaggi planetari e cinque frizioni per fornire sei velocità in avanti e una di retromarcia. Sono pianificate taglie compatte e molte opzioni di applicazione. Comunque, il suo più grande contributo alla tecnologia è il suo sistema di controllo elettronico che utilizza sia tecniche adattive che in ciclo chiuso. In accordo con la Allison, il sistema di controllo elettronico rende possibile la semplicità della disposizione della frizione e del cambio. La figura 20 mostra la semplicità del controllo di una trasmissione a quattro velocità controllata idraulicamente dove ogni frizione è usata solamente in una modalità per controllare una selezione del campo di utilizzo e perciò può essere controllata da un gruppo di valvole idrauliche. Uno dei prezzi della semplicità meccanica è che alcuni componenti devono servire funzioni duali. Questo è il caso nella trasmissione WT come mostrato in figure 20 e 21. Le frizioni C3 e C4 devono servire interamente due funzioni a due livelli di coppia differente. La flessibilità dell’elettronica rende questo possibile. Figura 19 – Trasmissioni automatiche a sei velocità WT della Allison per autocarri e autobus. Figura 20 – Confronto di utilizzo della frizione. Figura 21 – Requisiti di varianti di frizione Tendenze future Le trasmissioni automatiche convenzionali hanno ora raggiunto un livello molto avanzato di maturità e una penetrazione crescente in tutti le varie applicazioni adatte salvo una; i trattori stradali. Nei recenti anni considerevoli sforzi sono stati diretti nello sviluppo di trasmissioni manuali con cambiate completamente automatizzate sia sull’intero campo di rapporti o nei campi superiori dove la maggior parte delle cambiate si verificano. Mentre alcune di questi sforzi sono maturati sufficientemente per mostrare un andamento industriale, il lavoro per una produzione soddisfacente probabilmente continuerà e questa strada è ancora aperta per nuovi approcci. Trasmissioni variabili continuamente Le trasmissioni variabili continuamente hanno avuto seri sviluppi per oltre 25 anni. La maggior parte degli sforzi sono stati applicati per quattro tipologie di base. Idrostatiche o idromeccaniche. Elettriche. Toriche o Perbury. A cinghia variabile. Tutte le forme di questi sistemi sono continuamente variabili nel rapporto di trasmissione globale che può essere cambiato o comandato senza discontinuità. I primi due possono fornire sia guida in avanti che in retromarcia e possono far partire un veicolo dalla quiete. Le ultime due possono non fare entrambe queste operazioni nella loro forma di base. La storia passata e lo stato corrente di questi quattro approcci seguono. Idrostatiche e idromeccaniche C’era un considerevole grado di attività nello sviluppo di questi tipi di trasmissione per auto passeggeri stradali, autocarri e autobus durante gli anni ’60. Oggi esse hanno trovato applicazioni produttive in veicoli fuori strada e militari dove possono essere impiegati il loro controllo in velocità finita ed unica e la capacità di completa inversione. Queste applicazioni includono: Propulsione e sterzo di veicoli tracciati. Veicoli richiedenti rapida e completa trazione in avanti ed in retromarcia. Macchinari richiedenti controllo preciso in velocità a terra. Elettriche Mentre la guida completa elettrica in corrente continua è stata impiegate per molti anni in equipaggiamenti pesanti così come locomotive e grandi macchine movimento terra o autocarri da miniera, c’è stato uno sforzo effettuato nei primi anni ’60 per adottare un sistema a corrente alternata a frequenza variabile per auto passeggeri leggere. In questi sistemi, sia era rettificata la corrente alternata ad alta frequenza in corrente continua ed era usata una cella a combustibile per produrre corrente continua direttamente e successivamente era riprodotta una corrente alternata a frequenza variabile attraverso rettificatrice controllata al silicio. Mentre questi sistemi non hanno provato di essere economici per l’uso con motori a combustione interna, lo sviluppo continua in anticipo della loro necessità di essere usati su veicoli azionati a batteria nel futuro. Torici e Perbury I torici o Perbury sono basati su una invenzione di Frank Hayes degli USA negli anni ’20 e prodotti dall’Austin Motors per i modelli sedici/diciotto del 1934/35. Lo sviluppo era re-iniziato dalla General Motors negli USA e da Perbury negli UK negli anni ’50. Lo sforzo di sviluppare una trasmissione per automobili passeggeri toriche fu abbondonata dalla GM negli anni ’60 a causa del peso reale, dimensioni e fattori di costo. La figura 22 fornisce una vista diagrammatica dell’unità torica di base. In questa unità, due gruppi di tre rulli effettua il contatto con i membri di forma toroidale A & B che sono forzati uno verso l’altro. La coppia dal motore è trasmessa dal membro A attraverso i rulli al membro B, attraverso la frizione alla superficie toroidale operante. L’aggiustaggio dell’angolo dei rulli cambia il rapporto di ingranaggio effettivo fra i membri A & B. L’unità di base fornisce un campo di rapporto di , da un rapporto di decrescente velocità, quando i rulli sono in contatto ad un piccolo raggio sul membro A ed un grande raggio sul membro B, ad un rapporto di incrementante velocità, quando i rulli sono in contatto ad un grande raggio sul membro A e ad un piccolo raggio sul membro B. Figura 22 – Unità di coppia di base. La guida torica ha due principali vantaggi: È infinitamente variabile come tutte le altre trasmissioni variabili continuamente. È estremamente silenziosa e senza vibrazioni. In questa forma di base ha circa lo stesso campo di rapporto e capacità di sovra-utilizzo come un cambio convenzionale a quattro o cinque velocità e deve usare una sistema di partenza come un convertitore di coppia od una frizione slittante alla stessa strenua come un cambio convenzionale. L’unità Perbury-Hayes, figura 23 utilizza un gruppo di ingranaggi planetari, una frizione statica ed una frizione rotante per supportare l’unità di base e dare due campi di utilizzo, senza un cambio di ingranaggi rilevabile. Il campo più basso fornisce una cambiata neutra ed una partenza dalla sosta in avanti ed in retromarcia ed il campo di rapporto più alto fornisce un rapporto di sovra-utilizzo di . Figura 23 – Unità di Perbury-Hayes. A causa dei suoi vantaggi in termini di rumore e vibrazione la guida torica ha trovato applicazione sulle guide di accessorio degli aeroplani, guide di siluri e cambi di riduzione per caccia-torpediniere. Le ultime due applicazioni erano con versioni di rapporto fisso. Una sfida di sviluppo è stata mantenere tutti i rulli ad esattamente lo stesso rapporto per evitare graffiature con la risultante riduzione della loro vita. CVT Jaguar La Jaguar automobili sta attualmente sviluppando un’unità di CVT di tipo torico per utilizzo come un’unità di sovra-utilizzo (“overdrive”) variabile per l’installazione sull’albero di uscita di una trasmissione convenzionale automatica o manuale a cinque velocità. Il concetto dietro l’uso di una applicazione di sovra-utilizzo è di fornire la normale accelerazione ed il cambio di marcia con la trasmissione convenzionale ed un sovra-utilizzo per migliorare il consumo di carburante alle velocità di crociera. Le operazioni di CVT consentono alla coppia motore di picco di essere variata per adattarsi alle condizioni di crociera con il rapporto di sovra-utilizzo in modo continuo per adattarsi alle condizioni stradali così come le salite, le svolte, ecc. Gli scopo sono di migliorare l’economia di carburante e la guidabilità dell’auto. Cambi a cinghia variabile (variatori continui) I cambi a cinghia variabile (variatori continui) sono uno dei dispositivi variabili continuamente più vecchi. Essi consistono di una cinghia di una certa forma fra due pulegge di diametro variabile. Cinghie di elastomero Il primo successo commerciale con una cinghia e pulegge CVT era di Van Doorne negli anni ’50 con una doppia cinghia e trasmissione a puleggia chiamata Variomatic. La trasmissione utilizzava cinghie elastomeriche ed era prodotta per 33 auto costruite dalla compagnia olandese DAF, che fu successivamente assorbita dalla Volvo. Uno sviluppo della trasmissione originale è ancora in produzione ed è usata nella versione a della serie Volvo 300. Lo sviluppo delle cinghie elastomeriche continua nella Gates Power Trac negli USA e nella Kumm della FIAT in Europa. Cinghie in acciaio La cinghia in acciaio sviluppata da Van Doorne consiste di un ciclo di 320 blocchi orizzontali induriti ed in acciaio rettificato stampati da strisce di . I blocchi sono assemblati in due gruppi di dieci, pretensionati, in bande di acciaio laminate in lastre; successivamente all’assemblaggio la trazione è rilasciata mettendo i blocchi in compressione. La compressione indotta nei blocchi durante l’assemblaggio essendo più grande della massima trazione generata durante l’operatività assicura che la cinghia di Van Doorne opera in compressione, in alternativa alla cinghia elastomerica usata nel Variomatic che opera in trazione. Questa caratteristica di operatività in compressione è sostenuta per eleminare la maggior parte della flessibilità che causa perdite per attrito. Attualmente le auto che usano la cinghia di acciaio di Van Doorne ed il sistema di pulegge sono prodotte da FIAT, Ford, Lancia e Subaru. Il progetto delle trasmissioni complete varia relativamente alla disposizione, selezione di retromarcia, tipologia di frizione per partenza dalla quiete, ecc. comunque il tutto è per installazione su auto a trazione anteriore. CTX per Ford Fiesta Il CTX per Ford Fiesta (“Continuously Variable Transaxle”, figura 24) impiega un gruppo di ingranaggi planetari e due frizioni multiple che operano idraulicamente che servono sia per la selezione del rapporto che per la partenza dalla quiete in avanti ed in retromarcia. Figura 24 – CTX per Ford. La trasmissione CTX anche dà una posizione neutra e di posizione di parcheggio come normalmente si trova nelle trasmissioni automatiche. Justy 4 WD ECVT per Subaru Il Justy ECVT della Subaru (“Electronic Continuously Variable Trasmission”, figura 25) usa la cinghia di Van Doorne in una versione 280 link. La capacità di partenza dalla quiete è fornita da una frizione particolare elettromagnetica posizionata nell’area di alloggiamento del volano. La selezione in avanti e retromarcia è fornita da un giunto sincronizzatore. Posizionando la frizione elettromagnetica in avanti e separatamente dal suo meccanismo di marcia in avanti e retromarcia, la stessa caratteristica di fermata e partenza sono fornite in entrambe le direzioni. Figura 25 – Subaru. Borg Warner Automotive La Borg Warner Automotive (BWA) era originariamente collaboratore nella associazione Van Doorne/FIAT/Ford per lo sviluppo delle cinghie in acciaio per CVT. Comunque, il ritiro della BWA dall’associazione ha consentito di far sviluppare il loro proprio sistema di cinghia in acciaio per CVT che è correntemente usata nella versione da della Suzuky “Swift”. Una delle principali differenze tra il CVT della BWA e di Van Doorne è il modo di operare, mentre la cinghia di Van Doorne opera in compressione, la cinghia della BWA opera in trazione. Inoltre, il progetto delle due cinghie è abbastanza differente. Il progetto della cinghia in acciaio della BWA è simile a quello di una catena Morse Hy-vo usando blocchi da alto carico in acciaio al carbonio per trasmettere il carico al posto dei normali denti. Per controllare il rumore due larghezze di blocco di carico sono usate nella costruzione e sono assemblate in un percorso generato al calcolatore per produrre “rumore bianco”. Ogni progetto di trasmissione richiede un percorso di assemblaggio specifico per adattarsi al suo proprio responso acustico. Il coefficiente accertato di attrito della cinghia operante nel Dexron II ATF è approssimativamente di . Il vantaggio di questo progetto di cinghia per la BWA è che può essere fabbricato con macchinari da produzione e processi simili a quelli usati per la catena Morse Hy-vo. Sono accertate l’alta efficienza (dovuta all’assenza di moto relativo banda/blocco) e la superiorità di durabilità. La cinghia può essere fabbricata in larghezze di e , adattabili per l’uso su motori fino a capacità di . Sebbene la BWA non fabbrica una trasmissione completa CVT, una configurazione di base è stata progettata per la guida a trazione anteriore durante lo sviluppo dei componenti del CVT della BWA, figura 26. Questa configurazione differisce dalle altre configurazioni CVT in parecchi aspetti. L’ingresso alla trasmissione passa attraverso uno smorzatore torsionale direttamente al sistema cinghia. Una frizione raffreddata ad olio è posizionata fra il sistema cinghia e gli ingranaggi di marcia in avanti e retromarcia. Altre caratteristiche sono un’unità di microprocessore elettronico per controllare la partenza dalla quiete ed il cambiamento del rapporto del sistema cinghia. Figura 26 – Disposizione BWA del CVT. Antrieb PIV della Werner Reimers La cinghia in acciaio della PIV anch’essa opera in trazione ma differisce dalla cinghia della BWA nel suo progetto. Consiste di tre parti di base, una serie di piastre di collegamento sottili confinate dentro un’altra piastra di collegamento di taglio che si imperna su una coppia di perni bilancieri. Le piastre di collegamento di taglio assicurano che i perni bilancieri siano presentati ai fasci di pulegge agli angoli di destra della puleggia. La saldatura per punti al laser è usata per fissare il bordo superiore dei perni bilancieri alle piastre di collegamento di taglio. Il moto è trasmesso dalla cinghia ai fasci attraverso alle facce di estremità dei perni bilanciere che sono curvate per ridurre le tensioni di contatto e l’usura. L’installazione del prototipo nella Golf della Volkswagen, figura 27 è stata sviluppata tra la PIV e la Wolkswagen Research. La configurazione è simile a quella usata nella installazione a trazione anteriore della Van Doorne/FIAT/Ford. Nella Golf della Volkswagen è usata per la partenza dalla quiete una frizione automatica servoassistita controllata a vuoto elettronicamente basata su una frizione a disco a secco manuale convenzionale. La marcia in avanti e retromarcia è fornita da un ingranaggio planetario connesso ad un fascio fisso della puleggia di guida. Il carico laterale iniziale applicato ad entrambe i fasci di pulegge alla cinghia è realizzato da molle e assistito da una pressione idraulica azionata da una pompa ad olio motorizzata sviluppante al massimo . Il moto dalla puleggia di guida è portato attraverso ingranaggi di riduzione montati su un albero intermedio al pignone di guida finale ed al differenziale. Figura 27 – CVT della Volkswagen Golf/PIV. Tendenze future La maggior parte dell’attività di sviluppo essendo attinente oggi al CVT da auto passeggeri è relativa ad una tipologia di cinghia variabile. Questi dispositivi offrono i seguenti vantaggi: Essi sono infinitamente variabili fra limiti di riduzione pratica massima e con sovra-utilizzo. Questa infinita variabilità fornisce l’estremo in morbidezza di cambio di rapporto che è, naturalmente, un indefinibile vantaggio. Esse comunque inseguono un obiettivo in movimento in cui controlli in ciclo chiuso od adattativi hanno reso le cambiate convenzionali quasi impercettibili. Comunque, si ha una condizione operativa in cui queste caratteristiche CVT possono offrire il più grande vantaggio. Sia il CVT a cinghia che una convenzionale trasmissione a quattro o cinque velocità hanno uguale capacità di rapporto di sovra-utilizzo ma la trasmissione convenzionale può fornire un rapporto addizionale per gradini finiti solamente. Mentre il CVT dall’altro lato può aggiungere esattamente la quantità richiesta di coppia per terreni leggermente sdrucciolevoli; questo è quella condizione dove il cambio variabile continuamente può essere il più adatto. Il cambio a cinghia variabile ha il potenziale successo per riduzione di spazio, peso e di costo nei veicoli a trazione anteriore forniti con motori ad asse trasversale. Può servire il doppio scopo fornendo copertura di rapporti e fornendo la sua uscita ad un altro dispositivo a disposizione assiale ad una certa considerevole distanza. Dall’altro lato deve dimostrare efficienza sotto condizioni di carico di crociera leggero confrontabili con un gruppo del cambio ad albero secondario planetario e ad accettabili tempi di risposta a richieste di potenza. Dando soddisfacenti soluzione a questi quesiti, può diventare il cambio predominante per veicoli a trazione anteriore; partendo con quelle più leggere e progredendo in avanti. Comunque, perde i suoi vantaggi di compattezza in veicoli a trazione posteriore più pesanti e il suo uso in questi casi è molto più in dubbio. Riassunto Per la ragione descritta prima i questo rapporto sono aspettati i seguenti sforzi di sviluppo da estendere al meno nel prossimo futuro. Auto passeggeri La trasmissione automatica convenzionale, che oggi sarebbe definita come avente un convertitore di coppia con frizione di blocco, a trasmissione a planetari a quattro velocità con ingranaggio di sovra-utilizzo ed una pompa a disposizione variabile, continuerà a dominare il mercato delle auto pesanti specialmente quelle a guida a trazione posteriore. Ci sarà probabilmente una tendenza di sviluppo verso le cinque velocità specialmente negli USA dove le pressioni di economia di carburante continuerà ad aumentare; i controlli elettronici diventeranno lo standard di questo segmento dell’industria. Gli sforzi di sviluppo nella quota delle auto leggere dell’industria automobilistica si concentreranno in due aree: Saranno sviluppati alberi secondari automatici probabilmente per quei mercati dove la penetrazione percentuale di automazione è piccola e perciò la comune manifattura con la trasmissione manuale è più importante. La penetrazione del CVT a cinghia continuerà nelle auto a trazione anteriore fornendo quello che può consentire uguale o migliore economia di carburante quando è confrontato alla trasmissione convenzionale come descritto precedentemente e consentendo ciò che è conseguente questo cioè una modalità di controllo accettabile per il conducente medio. Autocarri autostradali Lo sviluppo di ogni generazione di trasmissione per autocarri medi e specialmente pesanti appare seguire un ciclo di anni. Da questo apparerebbe che la tecnologia dimostrata dalle trasmissioni HP 500 della ZF e WT della Allison domineranno questo mercato per il prossimo futuro. Ci si aspetta che il lavoro di sviluppo continuerà a trovare una combinazione soddisfacente per i trattori stradali. Gli sforzi attuali non hanno raggiunto sufficiente maturità per indicare una tendenza industriale. La soluzione finale sarà sia una certa forma manuale automatizzata od un interamente differente approccio di cambiata potenziata. In ogni caso, la guida verso un autocarro più efficiente attraverso miglioramenti aerodinamici, più piccoli motori più efficienti, aumenti di rapporti di sovra-utilizzo e pneumatici radiali, richiederanno una certa forma di dispostivi di ritardo di trasmissioni per consentire l’incrementate esigenze dei sistemi di frenatura. Sommario Riassunto 3 Trasmissioni automatiche per auto passeggeri 3 Ingranaggi 7 Controlli 8 Materiali di attrito della frizione 9 Tendenze future 10 Trasmissioni automatiche per autocarri autostradali e autobus 11 Tendenze future 16 Trasmissioni variabili continuamente 16 Idrostatiche e idromeccaniche 16 Elettriche 16 Torici e Perbury 17 CVT Jaguar 18 Cambi a cinghia variabile (variatori continui) 19 Cinghie di elastomero 19 Cinghie in acciaio 19 CTX per Ford Fiesta 19 Justy 4 WD ECVT per Subaru 20 Borg Warner Automotive 21 Antrieb PIV della Werner Reimers 22 Tendenze future 23 Riassunto 24 Auto passeggeri 24 Autocarri autostradali 24 Trasmissioni automatiche Trasmissioni automatiche 19 18 1