Cambio di velocità - Tesina per Istituto tecnico industriale

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