Fast Driver
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Una volta applicato all'automobile il concetto di frizione, un'altro problema si presentò ai progettisti del Secolo Scorso: quello delle velocità. I primi prototipi - e alcuni quadricicli prodotti tra la fine del '800 e i primi del '900-, infatti, erano "momomarcia"; praticamente, come il "Piaggio Sì" che tutti quanti abbiamo avuto... Bene, vi ricorderete certamente quali erano le caratteristiche del "Sì": in pianura ed in leggera discesa arrivava prestissimo al "fuorigiri" (che corrispondeva, in un modello originale, a circa 45 / 50 orari), in salita poi, il nostro ciclomotore arrancava a 30 all'ora scarsi. Se, per pura follia, si provava a "cambiare la puleggia" allungando il rapporto di trasmissione senza modificare il motore, il motorino in questione era capace anche di 60 / 65 orari in discesa, salvo poi affrontare la minima salita, con sforzo immane, a non più 15 km/h. Questo perché, purtroppo, i motori a combustione interna forniscono i migliori livelli di coppia in un arco definito di giri (più o meno ampio a seconda del tipo di motore), di conseguenza, avere un rapporto di trasmissione fisso, vuol dire, principalmente, dover necessariamente sfruttare il motore anche a quei regimi in cui non è capace di "dare il meglio di sé": ecco perché il nostro "Sì" aveva buono spunto e bassa velocità, in pianura, ed era più lento, in salita. Se si voleva migliorare la velocità in piano era necessario allungare il rapporto; se, invece, si volevano migliorare le prestazioni in salita, si faceva l'operazione contraria. Lo stesso discorso è applicabile ai primi quadricicli a motore. Balzò, quindi, chiaro, agli occhi degli "antichi ingegneri", che era necessario un dispositivo in grado di variare, in marcia, il rapporto di trasmissione per permettere al propulsore di girare sempre a regimi "convenienti" dal punto di vista dell'erogazione di coppia e/o potenza: nasce il cambio di velocità.
Su questo dispositivo ripose la sua attenzione anche Leonardo, nel contesto di una serie di "carri automotori", propulsi da molle, da egli stesso progettati in un epoca "insospettabile" come il Rinascimento. Per completezza d'informazione diremo che il variatore di velocità di Leonardo era paurosamente simile (ma, chiaramente, non uguale...) ai cambi di velocità attuali.
Il funzionamento di un cambio manuale è cosa assai semplice ma, purtroppo, poco intuitiva e per questo, spiegarlo non è semplicissimo anche perché gli spaccati, diffusi generalmente dalle pagine di riviste ed enciclopedie varie, mostrano solo una serie di ingranaggi addossati tra loro, la cui lettura risulta difficile e complicata anche agli addetti ai lavori. Per questo cercherò di schematizzare e semplificare al massimo il funzionamento di un "cambio-tipo" a 5 rapporti in avanti, lasciando all'ultimo alcune precisazioni.
Inizialmente sapevamo che il cambio di velocità era interposto tra motore e ruote; oggi, dopo aver "fatto conoscenza" con la frizione, sappiamo che il cambio si trova tra frizione e ruote (più in la faremo un'ulteriore precisazione...).
Come scritto nel precedente articolo, la frizione è composta da un piatto solidale con l'albero motore e un disco, dotato di pattini, che è solidale con l'albero in entrata del cambio. Quest'ultimo, nell'ambito dei componenti del cambio, è detto "albero primario" in quanto si tratta della parte che, a frizione innestata - ovvero, quando c'è trasmissione di moto tra disco e piatto -, provvede a fornire movimento agli organi del cambio.
Sul "primario", oltre al disco frizione sono calettati, in folle, cinque ingranaggi diversi per numero caratteristico (un valore che deriva da diametro, numero dei denti ecc...). Per "calettati in folle", intendo dire che tra il primo treno di ingranaggi ed il primario sono posti dei cuscinetti (bronzine o rullini) che permetto alle due parti di non essere vincolate nella rotazione. Quindi mentre il primario gira ad un certa velocità, gli ingranaggi ad esso calettati possono esser fermi o ruotare a velocità differenti. Andiamo avanti...
Gli ingranaggi del primario hanno un'altra particolarità: su una delle due facce verticali hanno un anello in gomma dal profilo a "tronco di cono" e una serie di dentini, concentrici all'albero e che sporgono perpendicolarmente. Le ruote sono disposte in modo tale che i lati dotati di dentatura siano adiacenti fra loro. Tra due ingranaggi adiacenti è montato un manicotto che, al contrario degli ingranaggi ruota solidale con l'albero primario e, grazie ad una particolare scanalatura dell'albero, è libero di spostarsi longitudinalmente su quest'ultimo fino ad "ingranarsi" con la dentatura che sporge dalle facce laterali degli ingranaggi fra cui è posto. Ogni manicotto è comandato, tramite un'apposita forcella ed una serie di rinvii e di cavi, dalla leva del cambio. Ogni ruota dentata dell'albero primario è sempre in presa (in altre parole, "ingrana") con una corrispettiva calettata su un secondo albero, il "secondario" appunto, che ha il compito di portare il moto in uscita dal cambio ed è solidale con le ruote. Gli ingranaggi del secondario sono rigidamente collegati all'albero cui sono calettati, sia nella rotazione, sia in senso longitudinale. Il tutto è a bagno d'olio e rinchiuso in una scatola, solitamente fusa in lega d'alluminio, da cui fuoriescono le estremità del primario - verso la frizione - e del secondario - verso le ruote.
Questi sono i componenti principali del cambio. Vediamo cosa succede nelle varie fasi della marcia, tutte ovviamente con motore in moto.
Fase 1: auto ferma, frizione innestata (pedale rilasciato), cambio in "folle", motore al minimo
Il primario e i rispettivi manicotti girano allo stesso regime di rotazione del motore. Gli ingranaggi sul primario, in presa con quelli del secondario, sono mantenuti fermi da quest'ultimo, a sua volta rigidamente connesso con le ruote.
Fase 2: auto ferma, frizione disinnestata (pedale premuto), innesto della "prima"
Seppur non ci sia più collegamento rigido fra motore e cambio (la frizione è disinnestata), il primario continua a girare per inerzia. Il guidatore, muove trasversalmente la leva verso sinistra, conseguentemente, i rinvii all'interno del cambio selezionano la forcella che comanda il manicotto interposto tra gli ingranaggi di "prima" e "seconda". Spostata la leva a sinistra, il guidatore provvede a spingerla in avanti. Nel cambio, ciò comporta l'avvicinamento del manicotto selezionato verso la dentatura laterale dell'ingranaggio della "prima". Purtroppo il manicotto è solidale, nella rotazione, col primario che, lo ricordiamo, continua a girare per inerzia; mentre l'ingranaggio della prima, cui il manicotto dovrà innestarsi, non è in movimento essendo solidale con il corrispondente del secondario, che è fermo. Quando la dentatura laterale dell'ingranaggio fermo incontrerà la rispettiva scanalatura del manicotto in movimento, il risultato sarà una sonora "grattata". Questo però non avverrà grazie agli anelli a tronco di cono, in gomma, montati sugli ingranaggi. Essi non fanno altro che entrare in contatto col manicotto prima che quest'ultimo entri in presa con la dentatura laterale dell'ingranaggio, rallentandolo fino alla velocità della ruota dentata (che, in questo caso è ferma). Quindi: niente "grattata". Se non l'avevate capito quegli "anelli a tronco di cono, in gomma" non sono altro che i sincronizzatori.
Fase 3: prima innestata, frizione innestata, auto in movimento
La dentatura laterale dell'ingranaggio della "prima" è perfettamente in presa con il manicotto. La rotazione e, quindi, il movimento si trasferisce rigidamente dall'albero motore, alla frizione, al primario del cambio e, attraverso il manicotto innestato, all'ingranaggio della "prima" collegato rigidamente con il secondario e, quindi, alle ruote che faranno muovere l'auto.
Questo procedimento è identico per tutte le marce in avanti, ovviamente cambiano i manicotti selezionati, ed è simile anche per la retromarcia.
La Retromarcia
In questo caso, sono interessati un sesto ingranaggio "folle" del primario ed un sesto ingranaggio del secondario fra i quali è interposto un ulteriore ingranaggio, detto "ozioso". L'ozioso non fa altro che indurre l'ingranaggio sul secondario a ruotare in "controfase" (al contrario) rispetto a quello del primario, impartendo, quindi, un senso di rotazione inverso all'intero albero secondario e conseguentemente alle ruote. Generalmente, l'ingranaggio della retromarcia ha un numero caratteristico vicino o uguale a quello della prima ed ha il manicotto in comune con quello della "quinta" (nei cambi a cinque rapporti).
Abbiamo appena descritto, nel modo più semplice possibile, la struttura ed il funzionamento di un cambio manuale. Nello specifico quello in oggetto era un cambio manuale dotato di 5 rapporti sincronizzati e due alberi.
Volendo fare una panoramica sulle diverse variazioni sul tema, esistono cambi semiautomatici, in cui la selezione e l'innesto delle marce avviene, col medesimo processo ma tramite servo meccanismi (ricordiamo, ad esempio, il Selespeed) e ci sono cambi a più di cinque rapporti più complicati nella struttura.
In genere i cambi a due alberi sono montati, grazie alle loro particolari caratteristiche in termini di ingombro, trasversalmente nelle auto a motore e trazione anteriori (o motore e trazione posteriori) e motore trasversale e hanno la scatola-cambio in comune con il differenziale (si parla di gruppo "cambio-differenziale"). Le auto a motore longitudinale hanno, generalmente cambi a tre alberi, in cui il primario è dotato di un solo ingranaggio, solidale all'albero, che trasmette il moto ad un albero ausiliario (dotato di un'altra ruota dentata fissa e dello stesso treno di ingranaggi che, nel nostro esempio era montato sul primario) e da questi al secondario che, in questo caso è coassiale al primario. In altri casi, poi, l'ingranaggio primario della retromarcia è il medesimo utilizzato per la "prima". Infine, ci sono cambi in cui, per motivi legati alle caratteristiche del propulsore, la selezione delle marce avviene sull'albero secondario, quindi, su quest'ultimo sono montati gli ingranaggi "in folle" e i relativi manicotti, mentre gli ingranaggi del primario sono solidali con l'albero stesso.
Per quanto riguarda poi il posizionamento, il cambio può essere in blocco con il propulsore, come in tutte le trazioni anteriori e nella maggior parte delle posteriori - in cui il differenziale è separato dal cambio e si trova posteriormente -, oppure separato secondo la configurazione "motore anteriore e gruppo cambio-differenziale posteriore". E' la soluzione "Transaxle", tanto cara agli Alfisti della vecchia guardia, utilizzata anche dalla Porsche 924 e derivate, e attualmente largamente applicata da Ferrari e Maserati, superati i problemi relativi alla lentezza dell'azionamento della frizione e all'imprecisione nell'innesto delle marce - anche questi "tanto cari" all'Alfista classico, chi ha avuto un'Alfetta o qualsiasi altro modello desuntone, può confermare -.
Dal punto di vista della presenza o meno dei sincronizzatori, ricordiamo i cambi ad innesti frontali che ne sono privi, da decenni relegati alle sole competizioni. A tal proposito, molti sapranno del difettuccio della cara "Fiat 500". Praticamente, dopo qualche migliaio di chilometri, il cambio fagocitava letteralmente i sincronizzatori, smaterializzandoli e diventando automaticamente "ad innesti frontali", con buona pace dei guidatori più impacciati che si esibivano in sonore e spassosissime "grattate" d'altri tempi. Chi ha avuto l'onore di guidare la piccola torinese, conscio del problema si sarà sicuramente cimentato, o almeno c'ha provato, nella famosa "doppietta", una rapida manovra che evitava le "grattate" nelle scalate "terza-seconda", che erano le più frequenti. Il risultato era assicurato.
Il tutto, praticamente consisteva nel far le veci del sincronizzatore, secondo la seguente procedura:
- Si premeva la frizione, si disinnestava la terza e si lasciava il cambio in folle.
- Rapidamente si innestava la frizione e, col cambio ancora in folle si dava una "discreta" sgasata (per permettere al primario di raggiungere una velocità approssimativamente vicina a quella del secondario).
- Infine, con altrettante rapidità, si ripremeva la frizione e s'innestava la seconda.
Più difficile a dirsi che a farsi, credetemi... :wink_smil
Su questo dispositivo ripose la sua attenzione anche Leonardo, nel contesto di una serie di "carri automotori", propulsi da molle, da egli stesso progettati in un epoca "insospettabile" come il Rinascimento. Per completezza d'informazione diremo che il variatore di velocità di Leonardo era paurosamente simile (ma, chiaramente, non uguale...) ai cambi di velocità attuali.
Il funzionamento di un cambio manuale è cosa assai semplice ma, purtroppo, poco intuitiva e per questo, spiegarlo non è semplicissimo anche perché gli spaccati, diffusi generalmente dalle pagine di riviste ed enciclopedie varie, mostrano solo una serie di ingranaggi addossati tra loro, la cui lettura risulta difficile e complicata anche agli addetti ai lavori. Per questo cercherò di schematizzare e semplificare al massimo il funzionamento di un "cambio-tipo" a 5 rapporti in avanti, lasciando all'ultimo alcune precisazioni.
Inizialmente sapevamo che il cambio di velocità era interposto tra motore e ruote; oggi, dopo aver "fatto conoscenza" con la frizione, sappiamo che il cambio si trova tra frizione e ruote (più in la faremo un'ulteriore precisazione...).
Come scritto nel precedente articolo, la frizione è composta da un piatto solidale con l'albero motore e un disco, dotato di pattini, che è solidale con l'albero in entrata del cambio. Quest'ultimo, nell'ambito dei componenti del cambio, è detto "albero primario" in quanto si tratta della parte che, a frizione innestata - ovvero, quando c'è trasmissione di moto tra disco e piatto -, provvede a fornire movimento agli organi del cambio.
Sul "primario", oltre al disco frizione sono calettati, in folle, cinque ingranaggi diversi per numero caratteristico (un valore che deriva da diametro, numero dei denti ecc...). Per "calettati in folle", intendo dire che tra il primo treno di ingranaggi ed il primario sono posti dei cuscinetti (bronzine o rullini) che permetto alle due parti di non essere vincolate nella rotazione. Quindi mentre il primario gira ad un certa velocità, gli ingranaggi ad esso calettati possono esser fermi o ruotare a velocità differenti. Andiamo avanti...
Gli ingranaggi del primario hanno un'altra particolarità: su una delle due facce verticali hanno un anello in gomma dal profilo a "tronco di cono" e una serie di dentini, concentrici all'albero e che sporgono perpendicolarmente. Le ruote sono disposte in modo tale che i lati dotati di dentatura siano adiacenti fra loro. Tra due ingranaggi adiacenti è montato un manicotto che, al contrario degli ingranaggi ruota solidale con l'albero primario e, grazie ad una particolare scanalatura dell'albero, è libero di spostarsi longitudinalmente su quest'ultimo fino ad "ingranarsi" con la dentatura che sporge dalle facce laterali degli ingranaggi fra cui è posto. Ogni manicotto è comandato, tramite un'apposita forcella ed una serie di rinvii e di cavi, dalla leva del cambio. Ogni ruota dentata dell'albero primario è sempre in presa (in altre parole, "ingrana") con una corrispettiva calettata su un secondo albero, il "secondario" appunto, che ha il compito di portare il moto in uscita dal cambio ed è solidale con le ruote. Gli ingranaggi del secondario sono rigidamente collegati all'albero cui sono calettati, sia nella rotazione, sia in senso longitudinale. Il tutto è a bagno d'olio e rinchiuso in una scatola, solitamente fusa in lega d'alluminio, da cui fuoriescono le estremità del primario - verso la frizione - e del secondario - verso le ruote.
Questi sono i componenti principali del cambio. Vediamo cosa succede nelle varie fasi della marcia, tutte ovviamente con motore in moto.
Fase 1: auto ferma, frizione innestata (pedale rilasciato), cambio in "folle", motore al minimo
Il primario e i rispettivi manicotti girano allo stesso regime di rotazione del motore. Gli ingranaggi sul primario, in presa con quelli del secondario, sono mantenuti fermi da quest'ultimo, a sua volta rigidamente connesso con le ruote.
Fase 2: auto ferma, frizione disinnestata (pedale premuto), innesto della "prima"
Seppur non ci sia più collegamento rigido fra motore e cambio (la frizione è disinnestata), il primario continua a girare per inerzia. Il guidatore, muove trasversalmente la leva verso sinistra, conseguentemente, i rinvii all'interno del cambio selezionano la forcella che comanda il manicotto interposto tra gli ingranaggi di "prima" e "seconda". Spostata la leva a sinistra, il guidatore provvede a spingerla in avanti. Nel cambio, ciò comporta l'avvicinamento del manicotto selezionato verso la dentatura laterale dell'ingranaggio della "prima". Purtroppo il manicotto è solidale, nella rotazione, col primario che, lo ricordiamo, continua a girare per inerzia; mentre l'ingranaggio della prima, cui il manicotto dovrà innestarsi, non è in movimento essendo solidale con il corrispondente del secondario, che è fermo. Quando la dentatura laterale dell'ingranaggio fermo incontrerà la rispettiva scanalatura del manicotto in movimento, il risultato sarà una sonora "grattata". Questo però non avverrà grazie agli anelli a tronco di cono, in gomma, montati sugli ingranaggi. Essi non fanno altro che entrare in contatto col manicotto prima che quest'ultimo entri in presa con la dentatura laterale dell'ingranaggio, rallentandolo fino alla velocità della ruota dentata (che, in questo caso è ferma). Quindi: niente "grattata". Se non l'avevate capito quegli "anelli a tronco di cono, in gomma" non sono altro che i sincronizzatori.
Fase 3: prima innestata, frizione innestata, auto in movimento
La dentatura laterale dell'ingranaggio della "prima" è perfettamente in presa con il manicotto. La rotazione e, quindi, il movimento si trasferisce rigidamente dall'albero motore, alla frizione, al primario del cambio e, attraverso il manicotto innestato, all'ingranaggio della "prima" collegato rigidamente con il secondario e, quindi, alle ruote che faranno muovere l'auto.
Questo procedimento è identico per tutte le marce in avanti, ovviamente cambiano i manicotti selezionati, ed è simile anche per la retromarcia.
La Retromarcia
In questo caso, sono interessati un sesto ingranaggio "folle" del primario ed un sesto ingranaggio del secondario fra i quali è interposto un ulteriore ingranaggio, detto "ozioso". L'ozioso non fa altro che indurre l'ingranaggio sul secondario a ruotare in "controfase" (al contrario) rispetto a quello del primario, impartendo, quindi, un senso di rotazione inverso all'intero albero secondario e conseguentemente alle ruote. Generalmente, l'ingranaggio della retromarcia ha un numero caratteristico vicino o uguale a quello della prima ed ha il manicotto in comune con quello della "quinta" (nei cambi a cinque rapporti).
Abbiamo appena descritto, nel modo più semplice possibile, la struttura ed il funzionamento di un cambio manuale. Nello specifico quello in oggetto era un cambio manuale dotato di 5 rapporti sincronizzati e due alberi.
Volendo fare una panoramica sulle diverse variazioni sul tema, esistono cambi semiautomatici, in cui la selezione e l'innesto delle marce avviene, col medesimo processo ma tramite servo meccanismi (ricordiamo, ad esempio, il Selespeed) e ci sono cambi a più di cinque rapporti più complicati nella struttura.
In genere i cambi a due alberi sono montati, grazie alle loro particolari caratteristiche in termini di ingombro, trasversalmente nelle auto a motore e trazione anteriori (o motore e trazione posteriori) e motore trasversale e hanno la scatola-cambio in comune con il differenziale (si parla di gruppo "cambio-differenziale"). Le auto a motore longitudinale hanno, generalmente cambi a tre alberi, in cui il primario è dotato di un solo ingranaggio, solidale all'albero, che trasmette il moto ad un albero ausiliario (dotato di un'altra ruota dentata fissa e dello stesso treno di ingranaggi che, nel nostro esempio era montato sul primario) e da questi al secondario che, in questo caso è coassiale al primario. In altri casi, poi, l'ingranaggio primario della retromarcia è il medesimo utilizzato per la "prima". Infine, ci sono cambi in cui, per motivi legati alle caratteristiche del propulsore, la selezione delle marce avviene sull'albero secondario, quindi, su quest'ultimo sono montati gli ingranaggi "in folle" e i relativi manicotti, mentre gli ingranaggi del primario sono solidali con l'albero stesso.
Per quanto riguarda poi il posizionamento, il cambio può essere in blocco con il propulsore, come in tutte le trazioni anteriori e nella maggior parte delle posteriori - in cui il differenziale è separato dal cambio e si trova posteriormente -, oppure separato secondo la configurazione "motore anteriore e gruppo cambio-differenziale posteriore". E' la soluzione "Transaxle", tanto cara agli Alfisti della vecchia guardia, utilizzata anche dalla Porsche 924 e derivate, e attualmente largamente applicata da Ferrari e Maserati, superati i problemi relativi alla lentezza dell'azionamento della frizione e all'imprecisione nell'innesto delle marce - anche questi "tanto cari" all'Alfista classico, chi ha avuto un'Alfetta o qualsiasi altro modello desuntone, può confermare -.
Dal punto di vista della presenza o meno dei sincronizzatori, ricordiamo i cambi ad innesti frontali che ne sono privi, da decenni relegati alle sole competizioni. A tal proposito, molti sapranno del difettuccio della cara "Fiat 500". Praticamente, dopo qualche migliaio di chilometri, il cambio fagocitava letteralmente i sincronizzatori, smaterializzandoli e diventando automaticamente "ad innesti frontali", con buona pace dei guidatori più impacciati che si esibivano in sonore e spassosissime "grattate" d'altri tempi. Chi ha avuto l'onore di guidare la piccola torinese, conscio del problema si sarà sicuramente cimentato, o almeno c'ha provato, nella famosa "doppietta", una rapida manovra che evitava le "grattate" nelle scalate "terza-seconda", che erano le più frequenti. Il risultato era assicurato.
Il tutto, praticamente consisteva nel far le veci del sincronizzatore, secondo la seguente procedura:
- Si premeva la frizione, si disinnestava la terza e si lasciava il cambio in folle.
- Rapidamente si innestava la frizione e, col cambio ancora in folle si dava una "discreta" sgasata (per permettere al primario di raggiungere una velocità approssimativamente vicina a quella del secondario).
- Infine, con altrettante rapidità, si ripremeva la frizione e s'innestava la seconda.
Più difficile a dirsi che a farsi, credetemi... :wink_smil
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