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Cambi CVT a variazione continua di rapporto per autovetture: lo stato dell’arte

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di Alberto Brambilla

In allegato vi è una breve sintesi dei cambi CVT per uso automobilistico dal 1958 (utilizzata dalla DAF Daffodil con motore da 0,6 litri e 20 kW di potenza) ad oggi, ove si può notare che la vera svolta è avvenuta solo agli inizi di questo millennio quando finalmente Audi è riuscita ad ottenere contemporaneamente migliori consumi e prestazioni oltre che ad una guidabilità appagante.

Tuttavia a mio parere solo il piccolo cambio della Jatco con due velocità a valle della cinghia a rapporto variabile (in Italia opzionale sulla Nissan Micra con motore da 1,2 litri e 72 kW di potenza) offre finalmente una soluzione per le vetture a prevalente uso cittadino che ne hanno più bisogno, lasciando i più complicati CVT a vetture di maggior costo.

Quest’ultimo cambio è veramente interessante non solo perché lodato dai collaudatori delle maggiori riviste automobilistiche che lo hanno provato ma perché usa intelligentemente alcune caratteristiche apparentemente inutili: mi spiego meglio.

Un cambio meccanico per autovetture ottiene normalmente tutti i rapporti con una singola coppia di ingranaggi selettivamente selezionata fra quelle disponibili ed i rapporti massimi e minimi sono normalmente dell’ordine di 3,3:1 in riduzione (1.818 rpm in uscita con ad esempio 6.000 rpm di regime del motore) e 0,65:1 in surmoltiplica (9.230 rpm max in uscita) con una apertura totale del cambio meccanico di circa 5:1.

Dato che una qualsiasi vettura in prima marcia raggiunge una velocità massima fra i 40 ed i 50 km/h e che con questa apertura di 5:1 si possono teoricamente raggiungere velocità massime dell’ordine di 200/250 km/h, ci si deve chiedere cosa mai possa servire una offerta di apertura di 6:1 od addirittura di 7,3:1 come nel cambio CVT Jatco in questione montato per di più su di una vetturetta che al massimo fa i 170 km/h.

In realtà è proprio l’uso non nei campi estremi teorici del CVT che lo ottimizza proprio alle più frequenti velocità intermedie con minori richieste di potenza ove l’uso di rapporti lunghissimi fa si che il motore possa lavorare a bassi regimi ed a P.M.E. elevate con consumi specifici ottimali, sempre pronto a ridurre velocemente il rapporto in caso di richiesta di accelerazioni, senza contare che proprio l’uso delle due marce a valle riduce di molto il famoso effetto di “frizione che sembra slittare in accelerazione” tanto odiato dai piloti 

Fatta questa premessa ci si può chiedere se non vi sia una qualche altra alternativa per ottenere un cambio CVT per vetture ad uso prevalente in città e come provocazione mi sono divertito ad ipotizzare l’uso di un cambio ispirato a quello messo in serie dalla New Holland per i trattori agricoli compatti tipo Boomer (vedi presentazione allegata) chiamato Easy Drive TM nel quale tramite con un opportuno schema, un CVT a catena, un rotismo epicicloidale ed a prezzo di una ricircolazione della potenza all’interno del cambio stesso, si riesce ad ottenere una variazione di velocità in uscita di 100:1 anche se la piena potenza è possibile solo da una certa velocità in su, cosa che però è automaticamente limitata dallo slittamento delle ruote quando il tiro teorico del trattore supera il peso sui pneumatici.

L’idea è di ipotizzare un cambio che abbia all’albero (7) in ingresso alla puleggia del variatore con 20,51 daNm a 5.000 rpm max corrispondenti ad un motore da 105 kW.

Per motori benzina con regimi massimi di circa 6.000 rpm questo vuol dire una coppia di ingranaggi di ingresso (Motore Termico) in riduzione, per motori Diesel con regimi massimi di circa 4.000 rpm occorrerà una surmoltiplica. Il tutto però permette facilmente di adattare il cambio ai regimi del motore con un semplice adattamento della coppia di ingranaggi in entrata (vedi schema allegato).

A valle di quest’albero vi è la prima puleggia del variatore (5) ed a seguire (6) una coppia di ingranaggi in surmoltiplica di circa 0,775:1 collegati col solare (2) dell’epicicloidale di uscita.

Le due pulegge sono collegate dalla catena che può realizzare o surmoltipliche fino a 0,408:1 o riduzioni fino a 2,45:1 e la seconda puleggia (4) è collegata tramite una coppia di ingranaggi in riduzione di circa 1,29:1 alla corona esterna dell’epicicloidale (1), mentre il porta treno (3) è collegato all’uscita.

Il rotismo epicicloidale è però uno speciale con rapporto fondamentale positivo (Tau 0 = 2,258) anziché il più comune negativo ed il porta satelliti (3) presenta doppi satelliti ingrananti fra loro in modo che quelli più interni ingranino con il solare e quelli più esterni con la corona in tal modo la coppia in ingresso dalla corona esterna (1) è ripartita al 44,3% sul solare (2) ed al 55,7% sul porta satelliti (3) in uscita (schema utilizzato in alcune vetture 4×4 per il differenziale centrale per poter ripartire la coppia in ingresso fra ponte anteriore e ponte posteriore in funzione dei carichi prevalenti sugli assi).

Il sistema però è tale che se la velocità del solare (2) è direttamente connessa con quella del motore (M.T.) tramite ingranaggi, per equilibrio la sua coppia è uscente dal rotismo epicicloidale e quindi rimonta fino alla prima puleggia (2 -> 6 -> 5) sommandosi algebricamente con quella del motore (5=7+6): pertanto nella puleggia (5 -> 4) transita maggior potenza di quella motrice (M.T.) con decadimento del rendimento totale.

Per ottimizzare le prestazioni la regolazione delle pulegge (5 -> 4) è pensata in modo tale che vari da un rapporto 1:1 ad una surmoltiplica di 0,408:1, situazione in cui il variatore CVT a catena accetta maggiori coppie transitanti, ottenendo in uscita una velocità sul porta satelliti da 1.830 rpm (40 km/h) a teorici 11.917 rpm (260 km/h).

Valori in uscita massimi teorici perché una vettura con motore da 105 kW può al massimo fare 210 km/h e quindi in uscita vi saranno non più di 9.625 rpm (valori non dissimili a quelli di un motore da 6.250 rpm con surmoltiplica da 0,65:1 o con motore da 4000 rpm con variazione di 0,408:1).

Per ottenere la retromarcia occorre prevedere un innesto scorrevole (9) all’uscita del porta satelliti (3) in modo che, a veicolo fermo, si scolleghi il rotismo epicicloidale, in bassa rotazione si porti il variatore ad un rapporto di riduzione di 2,45:1 (-50 km/h max) o 2,1:1 (-40 km/h max), lo si fermi innestando l’uscita e si riparta in retromarcia con la frizione in ingresso(8): per la marcia avanti occorre riprodurre la sequenza all’inverso e ripartire con il rapporto del variatore di 1:1 (40 km/h max) e successivamente surmoltiplicare il variatore. Ovviamente quando si è in retromarcia tutti i segni si invertono ed anche le perdite di rendimento si scambiano fra ingresso ed uscita …

In sostanza il sistema sarebbe costituito da una frizione di partenza (8) che poi è esclusa (andrebbe bene anche quella tradizionale a pedale), rotismi e variatore CVT a catena più epicicloidale con innesto sull’uscita (9) e niente più. Tuttavia non bisogna trascurare i controlli elettronici di sicurezza. La velocità teorica max di 260 km/h serve solo per poter viaggiare in autostrada a metà del regime max del motore ed un rapporto totale di 6,5:1 è stato ritenuto più che sufficiente: naturalmente questa è pura teoria forzando al massimo le possibilità teoriche ma non è escluso che in futuro qualcuno non ne possa prendere ispirazione.

Come cambi automatici per vetture cittadine ricordiamo che la Chrysler – Fiat per la 500 negli U.S.A. ha preferito uno tradizionale con convertitore di coppia e quello europeo (vedi sotto) sembra di là da venire anche per il non brillante risultato della versione Dual Dry Clutch Trasmission della Graziano che solo ora è finalmente in produzione su Alfa e Lancia e forse sarebbe stato meglio farlo fare dalla Getrag a Bari.

Scarica gli allegati:

 Trasmissione CVT a catena per NHA

 CVT

 Trasmissione CVT “VaryT” e “DueT”

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