Cambio di velocità - Tesina per Istituto tecnico industriale

ISIS Malignani

Il cambio di velocità

A

Andreas Tessitori 5 B MECC

A.S. 2011/2012

Introduzione

Possiamo definire il cambio di velocità (o semplicemente cambio) come un componente meccanico che ha la funzione di modificare la caratteristica della potenza uscita da un motore, similmente ad un riduttore, ma permettendo di selezionare di volta in volta il 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. Generalmente per cambio ci si riferisce alla tipologia a scatola di ingranaggi, normali o epicicloidali, comune sugli automezzi, sebbene esistano anche cambi basati su catena e deragliatore, comuni ad esempio nelle biciclette.

La maggior parte degli altri sistemi che non utilizzano gli ingranaggi per variare il rapporto di trasmissione è capace di fornire una variazione continua dello stesso e per questo tali sistemi vengono denominati “variatori meccanici di velocità” o “cambi continui”. Il cambio può essere generalmente in modo manuale o automatico.

Il cambio dei veicoli a motore è comunemente utilizzato negli autoveicoli e nei rotabili ferroviari a motore termico, allo scopo di poter variare entro ampi limiti di velocità del mezzo pur mantenendo il motore a combustione interna entro un regime di funzionamento per rendimento, coppia 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 il tornio parallelo.

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.

Il cambio dei veicoli a motore

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 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…) o regime di sottocoppia (per fondi innevati o a bassa aderenza).

In generale il cambio agisce come riduttore di velocità, anche se per talvolta le marce più alte 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 e sviluppata per l’uso ottimale in autostrada.

Manuale (cambio ad H)

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

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

• Cambio non sincronizzato

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 c’è 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.

• Cambio sincronizzato

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 essere quindi considerate 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 però per contro un’usura molto rapida.

Numero delle 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 ’900 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

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

Gli schemi più diffusi attualmente prevedono due configurazioni.

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

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.

Lo schema è di solito riportato sulla manopola stessa.

Posizione della leva

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

Il cambio a chiavetta scorrevole 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 di avere le marce disposte in ordine crescente o decrescente, con la folle generalmente tra I e II marcia.

Sequenziale (cambio a innesti frontali)

Presente raramente su auto (sostituito dal semimanuale) e pressoché universalmente su motociclette è il cambio sequenziale o a innesti frontali, 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 desmodronico 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.

Per far ruotare il selettore e quindi selezionare la marcia, tramite il comando del cambio che ha solo tre posizioni (marcia su, marcia giù, 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

Con l’interruttore di cambiata o quick shifter, i cambi sequenziali che vengono muniti di questo dispositivo vengono chiamati anche “cambio elettronico”.