Nelle auto con cambio automatico, la frizione viene innestata mediante una centralina elettronica e, in alcuni casi, può essere sostituita con un convertitore di coppia. Esso connette il motore al cambio non attraverso un contatto tra elementi solidi come avviene per la tradizionale frizione, ma tramite il moto di un fluido che interagisce con le palette di una pompa, una turbina o uno statore, all’interno di un carter dalla forma toroidale.

Principi di Funzionamento

La complessa struttura di un cambio automatico si compone di numerosissimi elementi, ma in questo caso ci si limita a fornire alcune note tecniche sul convertitore di coppia. Gli elementi che lo compongono, nella sua conformazione più semplice, sono principalmente quattro: la cassa o copertura, la turbina, lo statore e la pompa.

  • La pompa è collegata direttamente all’albero motore, ricevendone il moto rotatorio; è costituita da un disco con palette con una specifica conformazione geometrica che, per effetto della forza centrifuga, invia il fluido radialmente contro le pareti dell’involucro.
  • La turbina, invece, ruota all’interno della cassa ed è vincolata meccanicamente all’albero di ingresso del cambio. Se la turbina si muove l’auto è in movimento, a patto naturalmente che non vi siano impedimenti esterni.
  • Lo statore è montato su un albero solidale al carter del cambio, su una ruota libera, che ne permette la rotazione in un solo verso; riceve il fluido dal centro della turbina e, attraverso la particolare geometria palettata, lo indirizza verso la pompa. Il rotore, impedendo al fluido di rallentare o tornare indietro verso la turbina, è il responsabile della moltiplicazione della coppia, facendo sì che l’energia cinetica del fluido aumenti ad ogni ciclo. Grazie ad esso, infatti, il legame tra pompa e turbina non è un semplice accoppiamento idraulico ma qualcosa di più. E’ grazie allo statore e alla sua palettatura, infatti, che si ottiene l’effetto di moltiplicazione della coppia.
  • La copertura o cassa è un componente strutturale che ha il compito di contenere il fluido di lavoro e di resistere alle sollecitazioni, talvolta molto elevate, che si generano all’interno del convertitore. La copertura è, tra l’altro, la parte che viene fissata al motore in prossimità del volano.

La forma delle pareti dell’involucro fa sì che il fluido le percorra, giunga alla turbina e la metta in rotazione agendo sulle sue palette; successivamente, il fluido torna alla pompa passando dal centro del convertitore, attraverso lo statore, per poi ricominciare il ciclo.

Lo statore riceve il fluido dal centro della turbina e attraverso la particolare geometria palettata lo indirizza verso la pompa.

Il rotore impedendo al fluido di rallentare o tornare indietro verso la turbina è il responsabile della moltiplicazione della coppia, facendo sì che l’energia cinetica del fluido aumenti ad ogni ciclo.

Una maggiore differenza di velocità di rotazione tra pompa e turbina implica maggiore velocità relativa tra le due giranti e maggiore potenza.

Regimi di Funzionamento

Fino a che il motore è in funzione, lo è anche il convertitore di coppia; fermando il veicolo con il motore in moto, viene trasmessa una piccola coppia al veicolo, basta però azionare il freno per rimanere fermi. Questo è detto regime di stallo.

  • In accelerazione la pompa gira molto più velocemente della turbina, trasmettendo più coppia al cambio; in questa fase è determinante la presenza del rotore che energizza il moto del fluido e fa sì che la coppia trasmessa sia molto più alta, anche di due o tre volte, di quella disponibile in assenza del convertitore.
  • Quando si raggiunge la velocità di crociera, pompa e turbina girano a velocità molto simili, la potenza trasmessa è minima, l’effetto dello statore viene meno e il convertitore si comporta come se fosse un normale giunto idraulico.

Il funzionamento del convertitore prevede una fase iniziale in cui la differenza di velocità tra pompa e turbina è molto bassa. In questo momento lo statore deve essere tenuto perfettamente immobile, nella posizione che gli americani definiscono stall mode. Successivamente la velocità della pompa aumenta sensibilmente mentre la turbina continua a mantenere una velocità relativamente bassa. E’ in questo frangente che la trasmissione a valle del convertitore riceve molta più coppia di quella che il motore sarebbe in grado di generare. Quando il veicolo inizia ad accelerare la moltiplicazione di coppia diminuisce perché pompa e turbina tendono a portarsi alla medesima velocità di rotazione. Quando il rapporto tra le velocità è di 1:1, il convertitore si comporta come un giunto idraulico. Quando il rapporto è pari a 1:1 è evidente che non vi è più moltiplicazione della coppia e, quindi, il momento a valle del convertitore è esattamente quello in arrivo dal motore. A regime, lo statore si trova a ruotare alla stessa velocità di tutti gli altri elementi del convertitore.

La velocità di stallo può anche essere vista come il massimo regime di giri del motore oltre il quale il convertitore non consentirà più slittamento relativo tra pompa e turbina del convertitore.

Considerazioni

Naturalmente l’impiego di questo dispositivo ha sia pregi che difetti; l’assenza di superfici solide di contatto costituisce il principale dei vantaggi in quanto, rispetto ad una frizione tradizionale, si riduce notevolmente l’usura delle componenti. E ancora, l’erogazione della potenza risulta più graduale, il cambio marcia più fluido e rapido, per un comfort di guida nettamente migliore.

Però, per trasferire coppia, è necessaria una differenza di velocità tra pompa e turbina dunque, c’è sempre strisciamento tra le due parti, con conseguente dissipazione di energia per attrito interno al fluido ed innalzamento dei consumi. Per sopperire a questo è stata introdotta la frizione di look-up che collega meccanicamente le due giranti rendendole solidali; in questo modo il fluido viene bypassato eliminando ogni perdita, trasmettendo tutta la coppia disponibile e riducendo i consumi. Inoltre, essa funge da freno motore, riducendo la velocità del veicolo quando viene meno la pressione sul pedale.

A veicolo fermo e motore spento, motore e trasmissione sono scollegati quindi non viene erogata coppia frenante alle ruote e il veicolo potrebbe muoversi; per ovviare a questo, esiste la funzione parking che blocca la trasmissione e impedisce il movimento del veicolo.

Il convertitore svolge la stessa funzione della frizione in un veicolo a cambio manuale, ma in modo completamente automatico. A motore spento si ha un'importante differenza rispetto all'impiego di una classica frizione: in tale condizione infatti non viene trasferita alcuna coppia dalle ruote verso il motore e viene a mancare l'effetto di blocco che normalmente si ha in un veicolo con cambio manuale e frizione.

I Cambi Automatici Moderni

I moderni cambi automatici si sono molto evoluti proponendo diverse soluzioni tecniche. Dal classico cambio a convertitore di coppia, ai comandi a doppia frizione, fino ai cambia a variazione continua CVT. L’affidabilità è migliorata al punto che basta poca corretta manutenzione per farlo durare a lungo almeno quanto un motore endotermico ad esso accoppiato.

E’ formato da una camera a forma toroidale, costituita da tre elementi: Una pompa centrifuga collegata all’albero motore che conferisce la spinta necessaria al movimento, una turbina ne riceve la spinta che poi trasmette alla trasmissione e lo statore che dispone di palette curve che mettono in pressione il fluido di olio che investe la girante che trasferisce la coppia.

La selezione dei rapporti avviene attraverso l’azione di ingranaggi di tipo epicicloidale. Ogni elemento è composto da un ingranaggio centrale (A) che prende il movimento dall’albero motore. Intorno ad esso ci sono dei planetari (B) collegati ad una corona esterna (C) a sua volta racchiusa un una gabbia la cui chiusura viene gestita da un pacco frizioni.La differenza di rotazione tra l’albero centrale e la corona esterna, consente di sviluppare diversi rapporti. Adottando diversi gruppi rotori e variando la loro azione, anche in modo congiunto, si possono avere da tre, fino a dieci marce.

Un numero maggiore di marce consente al progettista di gestire al meglio la curva di coppia del motore bilanciando prestazioni ed efficienza.

La gestione elettronica consente di avere diverse logiche di cambiata sia in modo adattativo che variando manualmente le funzioni con un comando. Si possono avere funzioni specifiche ECO, comfort, sport di vario livello e individual per personalizzare la cambiata.

In alcuni casi c’è ancora la classica griglia con leva e selettore con le lettere (P) Parking, (R) Retro, (N) Neutral e (D) Drive. Oggi questa viene sostituita da una manopola o un selettore digitale.

Esempi di Trasmissioni Automatiche con Convertitore di Coppia

Mercedes-Benz 9G-TRONIC: Uno dei cambi più affidabili e resistenti, capace di gestire oltre 1000Nm di coppia. Il fratello 9G-Tronic viene denominato W9A 700 con la capacita di gestire 700Nm di coppia. Dal punto di vista tecnico i due cambi differiscono per i gruppi di ingranaggi epicicloidali con sei elementi che consentono di ottenere nove rapporti. Il convertitore di coppia aumenta la sua efficienza portandola al 92%, un valore record per queste trasmissioni. La riduzione delle forze di torsione sulla turbina del convertitore avviene attraverso un sistema di bilanciamento a pendolo centrifugo e frizione di blocco con molla di ritorno.

AISIN: La Aisin è stata la prima a progettare un cambio automatico a convertitore con otto rapporti per vetture con motore longitudinale e trazione posteriore per Lexus. La serie AW nata sul finire degli anni 60 del secolo scorso con soli tre rapporti si è evoluta nei decenni in una trasmissione sempre più compatta a leggera aumentando il numero delle marce. Nelle ultime evoluzioni tecniche il convertitore ha le dimensioni più contenute del mercato ed è solidale alla campana.

ZF 8HP: ZF ha progettato un innovativo, economico ma soprattutto modulare cambio automatico a convertitore a otto marce denominato 8HP. La sua facile adattabilità con un range di coppia gestibile da 220 a 1.000 Nm compre una vasta gamma di veicoli con motore longitudinale a trazione posteriore ed integrale. Il cambio ZF 8HP è adattabile sia meccanicamente che per la gestione elettronica a seconda delle esigenze. Quattro elementi epicicloidali, con cinque elementi di combinazione e tre frizioni multidisco. Ogni cambio marcia utilizza solo due elementi riducendo le perdite meccaniche. Il risultato è un cambio automatico di soli 87 chilogrammi.

Flusso del Fluido all'Interno del Convertitore

Quando la pompa è mossa dall'albero motore, il fluido al suo interno ruota nello stesso verso. All'aumentare della velocità di rotazione, le forze centrifughe spingono il fluido radialmente dal centro verso l'esterno, facendolo fluire lungo i vani dell'impulsore. All'uscita il fluido è forzato ad entrare nella turbina, scorrendo lungo le palette e innescandone la rotazione nello stesso verso della pompa.

Quando il fluido ha dissipato la sua energia contro le palette della turbina, fluisce verso il centro. Quando raggiunge l'uscita della turbina, viene convogliato all'interno dello statore ed il ciclo ricomincia.

Il flusso è più forte quando la differenza di velocità tra impulsore e turbina è maggiore, come ad esempio quando il veicolo sta accelerando. Durante questa fase il flusso uscente dalla turbina impatta sulla superficie delle palette dello statore, il quale è bloccato dal dispositivo a ruota libera. Il fluido viene convogliato dalle palette dello statore verso la pompa, fornendo una coppia ulteriore rispetto a quella fornita dal motore.

Vantaggi del Convertitore di Coppia

Il cambio automatico con convertitore di coppia presenta numerosi vantaggi rispetto alla controparte manuale, garantendo un'esperienza di guida maggiormente rilassata e divertente.

Rispetto ai cambi manuali convenzionali, il convertitore di coppia apporta benefici enormi grazie alla fluidità delle cambiate, all'eliminazione degli strozzamenti di coppia e all'erogazione continua della spinta del motore. Il pilota può concentrarsi unicamente sulla strada, lasciando al sistema di trasmissione automatica il compito di selezionare il rapporto ottimale.

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