Subaru, pur essendo una delle più piccole case automobilistiche giapponesi, vanta una tradizione consolidata e un'eccellenza riconosciuta nel campo della trazione integrale. La sua filosofia ingegneristica si concentra sulla massimizzazione dell'equilibrio dinamico e della sicurezza, sia su strada che in fuoristrada, attraverso soluzioni meccaniche all'avanguardia. Al centro di questa eccellenza vi è il sistema di trasmissione, in particolare l'albero di trasmissione, un componente robusto e fondamentale per trasferire la potenza dal motore alle ruote motrici.
Cos'è l'Albero di Trasmissione e la Sua Evoluzione
L'albero di trasmissione è un dispositivo che trasferisce l'energia prodotta dal motore alle ruote motrici, collegando il cambio al differenziale. Generalmente è costituito da un albero con giunti cardanici, progettato per sopportare torsioni e sollecitazioni a taglio significative, equivalenti alla differenza tra la coppia in entrata e il carico. Il termine "albero motore" apparve per la prima volta durante la metà del XIX secolo, evolvendo nel tempo per descrivere l'albero che trasmette potenza dalla ruota al macchinario condotto da un giunto universale. L'industria automobilistica pionieristica, come Autocar, è stata tra le prime a utilizzare un albero motore in un'auto a benzina.
In un veicolo, l'albero di trasmissione è fondamentale per erogare potenza da un motore/trasmissione all'altra estremità del veicolo prima che la potenza raggiunga le ruote. Nei veicoli con motore anteriore e trazione posteriore, è necessario un albero di trasmissione più lungo. Esistono due forme predominanti: il tubo di torsione con un unico giunto universale e l'unità Hotchkiss, più comune, con due o più giunti. La maggior parte di questi veicoli ha una frizione e un cambio (o una trasmissione) montati direttamente sul motore, con un albero di trasmissione che porta a una trasmissione finale nell'asse posteriore. Quando il veicolo è fermo, l'albero di trasmissione non ruota.
Alcuni veicoli, specialmente auto sportive come Alfa Romeo o Porsche 924/944/928, utilizzano un cambio posteriore per un miglior bilanciamento del peso tra anteriore e posteriore. In alcuni modelli, questo posiziona la frizione e la trasmissione nella parte posteriore dell'auto e l'albero di trasmissione tra queste e il motore, facendolo ruotare continuamente con il motore anche a vettura ferma e senza marcia. I modelli Porsche 924/944/928, invece, hanno la frizione montata sul retro del motore e l'albero di trasmissione, situato all'interno di un tubo di coppia di protezione cavo, trasferisce la potenza al cambio posteriore montato. Pertanto, l'albero della Porsche ruota solo quando le ruote posteriori girano, poiché la frizione montata sul motore può disaccoppiare la rotazione dell'albero motore dall'albero di trasmissione. Un albero di trasmissione che collega un differenziale posteriore a una ruota posteriore può essere chiamato semialbero.
L'albero di trasmissione è un componente robusto, progettato per resistere a sollecitazioni importanti. Un albero di trasmissione moderno è composto da vari elementi: tubi, giunti cardanici, crociere, supporti centrali e componenti elastici che assorbono vibrazioni e movimenti.
La Trasmissione Integrale Permanente Symmetrical AWD di Subaru
Subaru si distingue per l'adozione del sistema di trazione integrale permanente su tutti i suoi modelli, e la Forester ne è un brillante esempio. Questo sistema, denominato Symmetrical AWD, è stato progettato per garantire il massimo equilibrio dinamico e una distribuzione uniforme della potenza e della coppia.
Una vettura dotata di trazione integrale permanente sulle quattro ruote consente una migliore e più uniforme distribuzione della potenza e della coppia rispetto a una vettura con due ruote motrici. Questo è cruciale perché la quantità di coppia che un pneumatico può trasferire a terra è direttamente influenzata dal coefficiente di aderenza tra ruota e terreno. Grazie alle quattro ruote motrici, ogni singolo pneumatico deve trasmettere solo il 25% della potenza del motore contro il 50% di una vettura a due sole ruote motrici, aumentando la percentuale di aderenza disponibile per la direzione di marcia.
Inoltre, un'auto a trazione integrale permanente ha un comportamento in curva sostanzialmente neutro, dovuto al fatto che la reazione alla forza centrifuga che si genera quando l'auto percorre una traiettoria curvilinea è distribuita uniformemente su tutti e quattro gli pneumatici, che così avranno la stessa deformazione e, di conseguenza, la stessa deriva laterale.
I tecnici Subaru, per realizzare un sistema di trazione integrale permanente efficace e performante, hanno sviluppato un sistema in grado di compensare automaticamente la differenza di velocità di rotazione che si genera tra l'asse anteriore e quello posteriore durante la marcia della vettura. Il componente chiave per compensare questa differenza è il differenziale centrale autobloccante LSD (Limited Slip Differential), che può essere bloccato con una frizione idraulica multi-disco o con un giunto viscoso. Questo differenziale centrale, gestito dall'elettronica, interviene valutando istante per istante le condizioni di marcia della vettura e modificando di conseguenza la quantità di coppia trasmessa all'asse anteriore e a quello posteriore.
La trazione integrale permanente Subaru Symmetrical AWD si differenzia leggermente in base al modello di vettura e al tipo di cambio utilizzato.
Symmetrical AWD con Cambio Manuale (LSD e Giunto Viscoso)
Nelle vetture con cambio manuale, il sistema AWD presenta una configurazione semplice che comprende un differenziale centrale (ad ingranaggi conici) e un giunto viscoso a slittamento limitato. In condizioni normali, la coppia viene distribuita equamente al 50% fra l'asse anteriore e quello posteriore. Questo massimizza la trazione e assicura una grande stabilità di base. Quando le ruote anteriori o posteriori slittano e si perde trazione, il giunto viscoso provvede a mantenere l'ottimale ripartizione della coppia fra avantreno e retrotreno. Un esempio di questa disposizione è dato dalla disposizione assolutamente simmetrica e baricentrica degli organi della trasmissione integrale permanente nella Subaru Forester: differenziale centrale e giunto viscoso perfettamente baricentrici, differenziali anteriore e posteriore, e l'adozione del motore boxer a quattro cilindri contrapposti che, sviluppandosi orizzontalmente, risulta essere davvero compatto. Si è cercato di mantenere i maggiori pesi tutti disposti su un immaginario piano orizzontale, distante da terra, nel suo punto minore, 19cm.
Symmetrical AWD con Cambio Automatico Lineartronic (Active Torque Split)
In abbinamento al cambio automatico a variazione continua Lineartronic, Subaru propone la trazione integrale permanente denominata Active Torque Split, nella versione a ripartizione attiva della coppia. Questa parte da una regolazione di base del 60% all'avantreno e del 40% al retrotreno. In condizioni critiche di aderenza, il sistema elettro-idraulico varia la distribuzione della coppia motrice tra i due assi modificando la pressione esercitata su un piatto di frizioni in bagno d'olio (aumentando la pressione si aumenta la coppia motrice indirizzata verso il retrotreno). Contemporaneamente, anche il cambio Lineartronic varia il rapporto di trasmissione, se necessario. Sviluppato e adottato dalle vetture con cambio Lineartronic, il sistema AWD distribuisce attivamente la coppia grazie al controllo elettronico MPT (Multi Transfer Plate) e regola la distribuzione della coppia alle ruote anteriori e posteriori, di base 60:40, in tempo reale in base alle condizioni di guida.
Symmetrical AWD con Cambio Manuale e DCCD (Drivers Control Center Differential)
Per le versioni più sportive, come quelle dotate di cambio meccanico a 6 marce, la potenza viene trasmessa al terreno attraverso tre differenziali autobloccanti: un differenziale anteriore di tipo elicoidale (preciso ma morbido e fluido nell'attuazione); un differenziale posteriore di tipo Torsen (deciso e netto nel suo intervento); e un differenziale centrale regolabile dal pilota tramite il sistema DCCD (Drivers Control Center Differential). Grazie al sistema DCCD, infatti, è possibile modificare il comportamento della vettura in funzione del tipo di terreno e delle caratteristiche di guida desiderate, intervenendo sia su una frizione elettromagnetica multidisco di ripartizione che sul bloccaggio meccanico del differenziale a slittamento limitato (LSD), per ben distribuire la coppia fra le ruote anteriori e posteriori.
Con la modalità Auto [+], viene aumentata la potenza alla coppia anteriore per migliorare la trazione, mentre con Auto [-] è maggiore la spinta sulla coppia posteriore, suggerita per le curve più strette. In alternativa, utilizzando i sei livelli della modalità Manual, si possono selezionare le caratteristiche di guida preferite. Questa configurazione consente di variare l'efficacia del sistema in funzione dell'aderenza del fondo stradale, delle situazioni di guida e delle performance richieste alla vettura. La distribuzione della coppia motrice parte, di default, dal 41% all'avantreno e del 59% al retrotreno, potendo arrivare fino al blocco totale definibile come 50:50%.
Il Motore Boxer e la Sua Sinergia con la Trasmissione
A corredo di una trazione integrale permanente così sofisticata, i progettisti della Casa delle Pleiadi hanno optato per un propulsore di tipo boxer. Per la sua architettura a cilindri orizzontali contrapposti, infatti, il motore boxer ha di natura un baricentro più basso rispetto a un analogo motore con i cilindri in linea o a V, contribuendo a tenere basso il centro di gravità complessivo della vettura, un risultato molto positivo.
Un'auto con un baricentro alto (classico motore in linea o a V) risulta, invece, essere più sensibile ai trasferimenti di carico che si verificano in frenata, in accelerazione e in curva: si avranno quindi più rollio e beccheggio e, in generale, un peggioramento sia del comfort che della tenuta di strada. Per questo motivo, Subaru è profondamente convinta che il Motore a Cilindri Orizzontali Contrapposti sia l'architettura ottimale per garantire piacere di guida.
Il motore boxer a quattro cilindri è molto corto, quindi adatto a girare ad alto numero di giri e praticamente esente da vibrazioni, tant'è che se paragonato a un pari motore a quattro cilindri in linea, quest'ultimo è lungo mediamente tre volte di più, un V6 due volte e un 6 in linea 5 volte di più. Le vibrazioni sono modeste e superiori solo a un 6 cilindri in linea, che ne è del tutto esente. Il boxer quattro cilindri rende facile il suo alloggiamento nel vano motore, pesa poco, non ingombra in altezza, consente di realizzare una trasmissione longitudinale simmetrica e offre una grande silenziosità di marcia e una facilità di rotazione. Il boxer, poi, si caratterizza per un fluido riempimento già dai regimi di rotazione più bassi. Per incrementare questa sua innata qualità, i tecnici hanno utilizzato un condotto di aspirazione con camere di risonanza in grado di incrementare l'andamento dell'aspirazione, e quindi della coppia motrice, dai 1.500 ai 2.000 giri. Nel condotto di aspirazione si trova anche la valvola EGR per il riciclo parziale dei gas di scarico. Il carburante è immesso nel condotto attraverso dei nuovi elettroiniettori a 12 fori di spruzzo, il che significa una maggiore polverizzazione della benzina. Questi interventi principali hanno permesso di produrre un propulsore in grado di rispettare le attuali normative antinquinamento e di ridurre sensibilmente il consumo di carburante, elevato nella precedente versione.
Infine, l'intero sistema, dal motore longitudinale a cilindri orizzontali contrapposti sino al differenziale posteriore, è stato sistemato in modo simmetrico intorno all'asse centrale, perfettamente diritto, della vettura. Il peso è quindi equamente ripartito al 50% sul lato destro e 50% sul lato sinistro dell'auto. Ciò significa un miglior bilanciamento della vettura a beneficio della sua stabilità e della sua agilità.
Cos'è un motore boxer e come funziona?
Il Cambio Lineartronic di Subaru: Un CVT Senza "Effetto Slegatura"
Subaru non è nuova all'utilizzo di un cambio a variazione continua (CVT) sui modelli della gamma. Tuttavia, ha risolto il problema del fastidioso effetto di "slegatura" fra motore e trasmissione tipico di molti cambi a variazione continua. Il cambio CVT Lineartronic della Subaru è un esempio di questa innovazione.
Il motore della Forester Diesel Lineartronic si basa sul noto propulsore a cilindri orizzontali con blocco in lega di alluminio, dotato di struttura a piano semichiusa che garantisce rigidità attorno alle zone di adesione della guarnizione alla testata. Per sopportare le alte pressioni di combustione, sono state utilizzate delle testate cilindri ad alta resistenza, con dei bilancieri a rullino compatti e a basso attrito, in accoppiamento con un sistema di distribuzione a doppio albero a camme in testa. In particolare, il diametro delle valvole è stato appositamente messo a punto per migliorare il riempimento delle camere di scoppio e la turbolenza della miscela, a tutto beneficio dell'efficienza per quanto concerne la combustione di carburante.
Rispetto al suo fratello gemello installato sulle versioni tradizionali, il Lineartronic debuttante sulle versioni Diesel prevede una struttura significativamente modificata: innanzitutto, il regime di rotazione più basso ha reso necessario l'utilizzo di una nuova pompa per l'olio capace di mandare in pressione il fluido a velocità più basse, in maniera tale da garantire sia la lubrificazione che il funzionamento delle pulegge tipiche della trasmissione CVT. L'elettronica di gestione del cambio è studiata per analizzare al meglio l'affondo del pedale dell'acceleratore e la sua velocità di attuazione, regolando la progressione dell'andatura e garantendo una ripresa fluida, silenziosa e conveniente.
Come tutti i cambi a variazione continua di rapporto, il Lineartronic consente dei rapporti di rotazione tra l'albero primario collegato al motore e quello secondario in contatto con le ruote senza soluzione di continuità: variando il diametro della gola di due pulegge poste all'interno della campana del cambio, infatti, viene a determinarsi la variazione di giri tra il motore e le ruote.
Uno degli svantaggi maggiori dei cambi a variazione continua di rapporto, agli occhi e alle orecchie degli appassionati di automobilismo e di guida sportiva, è quello di non fornire al conducente la sensazione di un numero preciso di rapporti, coadiuvante durante la guida spedita, su strade tortuose o, comunque, in quelle condizioni in cui si ricerca l'appagamento adrenalinico fornito dal sound del propulsore che sale e scende di giri all'accompagnare il cambio durante i passaggi di velocità. Gli ingegneri di Subaru, nel mettere a punto il Lineartronic, sono riusciti ad aggirare questo ostacolo ponendosi come valida alternativa intermedia tra una trasmissione meccanica e una automatica tradizionale: ad una pressione del pedale dell'acceleratore pari o superiore al 65% della sua corsa, invece di utilizzare una progressione lineare, il cambio della Forester inserisce degli step in successione, che, corrispondendo a sette posizioni delle pulegge pre-programmate nella centralina, simulano l'inserimento di sette rapporti. Lo stesso tipo di logica viene applicata se viene utilizzato e manovrato il cambio con le palette presenti posteriormente rispetto al volante: infatti, i rapporti di trasmissione sono elettronicamente programmati e selezionati indipendentemente dalla posizione del pedale dell'acceleratore, nel momento in cui il guidatore decidesse di cambiare in maniera totalmente arbitraria. La selezione della modalità manuale può essere temporanea oppure definitiva, a seconda di se la leva di comando posta sulla consolle centrale viene mantenuta nella posizione "Drive" o spostata su quella "Manual"; nel primo caso, infatti, dopo alcuni secondi, l'elettronica del cambio prende nuovamente il sopravvento e torna a gestire la rapportatura in maniera automatica.
Il Dual Range per il Cambio Manuale
Nella versione aspirata del motore, con cambio manuale a 5 marce, compare un comodissimo riduttore, o meglio, mezza marcia, inseribile a qualsiasi velocità, chiamato dual range. È un sistema per poter disporre di una coppia motrice maggiore, quando serve, a parità di velocità di percorrenza. A differenza dei classici riduttori adottati dai fuoristrada, nel Forester il dual range assolve piuttosto una funzione di trazione in accelerazione che di freno motore in rallentamento. Nel percorrere tratti impervi a bassa velocità è possibile, utilizzando la cosiddetta mezza marcia che si inserisce tramite la frizione e sollevando la leva posta a fianco di quella del cambio, far girare il motore circa a 4-500 giri/min in più in modo che, variando il rapporto di trasmissione del cambio, si possa utilizzare un campo di rotazione maggiormente favorevole. Praticamente si può inserire a qualsiasi velocità, visto che è sincronizzato. Questa funzione è assente nelle versioni con cambio automatico a 4 marce e nella Turbo, poiché maggiormente votate alle prestazioni stradali. Se ne deduce che la più indicata per un utilizzo per il tempo libero è proprio l'entry level, la 2 litri aspirata con cambio manuale a 5 marce.
Innovazioni Future: L'Integrale a 4 Motori (Concept VIZIV)
Subaru sta esplorando nuove frontiere con i concept VIZIV, che prefigurano i SUV del futuro. Una delle rivoluzioni più significative riguarda l'albero di trasmissione, che di fatto, non c'è! Lo schema Subaru Hybrid SI Drive presente nei concept VIZIV ha alcune analogie con quello usato da Peugeot, ma anche importanti differenze. Come nella 508, la trazione posteriore viene implementata dal motore elettrico, ma Subaru "raddoppia", dato che le macchine elettriche sono due, una per ruota.
Un'altra novità è il terzo motore elettrico, che trasferisce la potenza direttamente nella trasmissione e può quindi intervenire sulle ruote anteriori, sostenendo il motore termico o facendone le veci. In effetti, i motori elettrici sono gli unici chiamati in causa nelle partenze e nella marcia a bassa velocità, mentre se si vuole un'accelerazione robusta e durante la marcia ad alta velocità entra in azione l'unità a combustione.
La coppia posteriore ha invece un ulteriore, importantissimo ruolo nella sicurezza: modulando finemente la coppia di ognuna delle due ruote si può implementare in maniera "pulita" e molto veloce il controllo della stabilità e il Torque Vectoring. In effetti, invece di usare un differenziale controllato elettronicamente o azionare i freni, usurandoli e dissipando energia, è "ideologicamente" meglio variare singolarmente la coppia dei motori posteriori, recuperando magari un po' di energia se la coppia richiesta è frenante. Il controllo separato delle ruote posteriori permette anche di usarle in modo da facilitare l'ingresso e la condotta della curva, simulando l'effetto delle 4 ruote sterzanti. Subaru ha anche previsto, per le VIZIV, la modalità di funzionamento "Eco-Cruise" che modula il controllo della potenza in funzione del traffico, usando i dati delle due telecamere anteriori già usate anche per il controllo dell'abbandono della corsia e l'evitamento degli ostacoli.
Altre Applicazioni dell'Albero di Trasmissione
Gli alberi di trasmissione sono stati utilizzati sulle motociclette sin dalla prima guerra mondiale, come la motocicletta belga FN del 1903 e la motocicletta Stuart Turner Stellar del 1912. In alternativa alle trasmissioni a catena e cinghia, gli alberi di trasmissione offrono una lunga durata, pulizia e relativa manutenzione. BMW produce motociclette con albero cardanico dal 1923; e Moto Guzzi hanno costruito V-gemelli con trasmissione ad albero dagli anni '60. I motori di motociclette posizionati in modo tale che l'albero a gomiti sia longitudinale e parallelo al telaio sono spesso utilizzati per motociclette azionate da alberi. Ciò richiede solo una rotazione di 90° nella trasmissione di potenza, anziché due. I motocicli con trasmissione ad albero sono soggetti all'effetto dell'albero in cui il telaio sale quando viene applicata l'alimentazione.
Su una nave a motore, l'albero di trasmissione o l'albero dell'elica, di solito collega l'elica all'esterno della nave al macchinario di guida all'interno, passando attraverso almeno una tenuta meccanica o un premistoppa dove interseca lo scafo.
Le locomotive Shay, Climax e Heisler, tutte introdotte alla fine del XIX secolo, usavano le unità a penna per accoppiare la potenza di un motore multicilindrico montato centralmente a ciascuno dei camion che sostenevano il motore. Su ciascuna di queste locomotive a vapore con ingranaggi, un'estremità di ciascun albero di trasmissione era accoppiata al carrello motorizzato attraverso un giunto universale mentre l'altra estremità era alimentata dall'albero motore, dalla trasmissione o da un altro camion attraverso un secondo giunto universale. Una penna d'oca ha anche la capacità di scorrere longitudinalmente, variando efficacemente la sua lunghezza. Gli alberi cardanici sono utilizzati in alcune locomotive diesel (principalmente diesel-idraulica, come British Rail Class 52) e in alcune locomotive elettriche (ad es. British Rail Class 91).
L'albero motore è stato un'alternativa alla trasmissione a catena in bicicletta per il secolo scorso, non diventando mai molto popolare. Prestazioni più coerenti. Gli alberi di trasmissione sono un metodo per trasferire la potenza da un motore o una presa di forza (PTO) a un equipaggiamento accessorio montato sul veicolo, come un compressore d'aria.
Manutenzione e Segnali di Usura
L'albero di trasmissione è uno di quei componenti che non si vedono, non fanno rumore (quando tutto va bene) e lavorano nell'ombra mentre si pensa solo a guidare. È un componente robusto, progettato per resistere a sollecitazioni importanti. Non si rompe da un giorno all'altro, ma manda segnali chiari. Vibrazioni anomale sotto il sedile sono il sintomo più tipico. Anche se progettato per durare anni, l'albero di trasmissione è soggetto a usura. Un controllo professionale permette di verificare gioco, allineamento, integrità dei giunti e stato dei supporti. L'albero di trasmissione è un componente robusto e affidabile, ma quando inizia a dare segnali di usura è fondamentale non ignorarli.
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