La tecnologia automobilistica ha compiuto passi da gigante nel corso dell'ultimo secolo, cercando costantemente l'equilibrio ideale tra efficienza energetica, prestazioni e comfort di guida. Al centro di questa ricerca si colloca la trasmissione, un componente fondamentale che funge da interfaccia tra la potenza erogata dal motore e il movimento effettivo delle ruote. Tra le soluzioni più discusse e tecnologicamente affascinanti spicca il sistema CVT (Continuously Variable Transmission) e la sua evoluzione più sofisticata, l'e-CVT utilizzato dai veicoli ibridi Toyota.
La natura del cambio a variazione continua (CVT)
Il cambio o trasmissione a variazione continua, detto CVT (dall'inglese continuously variable transmission), noto anche come cambio continuo o variatore continuo, è un tipo di cambio automatico per autoveicoli in cui il rapporto di trasmissione può variare senza soluzione di continuità tra due valori limite. Nel guidare un veicolo con cambio continuo non si hanno a disposizione le 4-6 marce tradizionali, ma un numero infinito di rapporti e l'esperienza di guida è completamente differente. Il funzionamento del motore a regime costante non consente di avvertire i mutamenti sonori del motore e in accelerazione da fermo o da bassi regimi si può avere una sensazione di slittamento della frizione, in quanto prima il motore si porta in coppia e successivamente il cambio adegua il diametro delle pulegge al rapporto idoneo.
Tuttavia i moderni cambi CVT elettroidraulici gestiti elettronicamente possono avere una modalità di funzionamento sequenziale, per "simulare" le marce tradizionali impostando dei rapporti fissi. Un primo brevetto di cambio continuo toroidale fu depositato verso la fine del XIX secolo, ma il primo modello veramente funzionante, chiamato Variomatic, fu progettato e costruito dal neerlandese Hub van Doorne, cofondatore della DAF, negli anni cinquanta. La prima automobile con cambio DAF fu prodotta nel 1958.
Storia e applicazioni dei sistemi a pulegge
La FIAT incominciò gli studi di fattibilità in partnership con DAF tramite la SIRA (Società Italiana Ricerche Automotoristiche) fondata dall'ingegnere Dante Giacosa. Il primo prototipo dimostrativo fu allestito su una 131 opportunamente adattata. Fu quindi avviata la progettazione di un cambio per l'impiego su vetture a trazione anteriore. Dopo una produzione limitata di 150 esemplari della Ritmo, il primo modello prodotto in serie fu la Uno Selecta (1985) che non ebbe grande successo. Successivamente (1990) il gruppo FIAT presentò la Panda Selecta e, con il marchio Autobianchi, lanciò la versione Selectronic sul modello Y10. Su questo cambio, la frizione non era centrifuga ma elettromagnetica controllata da una centralina elettronica. Verrà successivamente riproposto anche sulla Punto Selecta con motorizzazione 1.2 FIRE 8V, ed infine sulla Punto seconda serie nella versione Speedgear.
Tuttavia, le resistenze da parte della clientela italiana all'uso del cambio automatico in genere decretarono l'oblio di tale dispositivo: la Panda Selecta uscì di produzione a fine 1998, mentre la versione Speedgear della Punto non sarà più disponibile tra le versioni introdotte a partire dal restyling del 2003. Fu ipotizzato anche l'impiego su vetture di Formula 1 dalla Williams, ma dopo alcuni studi di fattibilità l'idea fu abbandonata a causa della notevole coppia motrice da trasmettere e l'enorme calore da dissipare, anche con l'impiego di una cinghia per ruota il rendimento e la durata non erano giudicate adeguate.
Negli anni ottanta e novanta la Subaru Justy fu proposta con il cambio continuo. Anche se la Justy ha avuto scarso successo commerciale, la Subaru ha continuato a produrre cambi continui per propri veicoli e per altre aziende. Nel 1992 la Nissan ha installato su propri veicoli un cambio Subaru, e negli anni successivi ha sviluppato un sistema proprio. La Nissan è anche stata l'unica marca a proporre commercialmente cambi continui a rulli negli ultimi anni. Il cambio toroidale Nissan, chiamato X-troid, era disponibile sul mercato giapponese sui modelli Y34 Nissan Gloria e V35 Skyline GT-8. Altre proposte di cambio continuo si sono avute da parte di Audi, che dal 2000 offre un sistema a catena opzionalmente su alcune auto di grande potenza, tra cui la A4 3.0L V6.
Meccanica del sistema a pulegge
Questo tipo di cambio utilizza pulegge collegate da una cinghia in gomma rinforzata con fibre di kevlar, o una cinghia costituita interamente da elementi in acciaio, oppure una catena. Le pulegge sono costituite da due tronchi di cono affacciati per la base minore, calettati su un albero in modo che non possano ruotare l'uno rispetto all'altro, ma soltanto muoversi in senso assiale e ruotare come unico assieme; avvicinando o allontanando tali coni si varia l'ampiezza della gola compresa tra essi, e di conseguenza il diametro apparente su cui si avvolge la cinghia, costringendola a salire o a scendere: in questo modo si varia il rapporto di trasmissione.
Con l'introduzione dell'elettronica nelle trasmissioni, si è reso possibile pilotarle direttamente tramite un motore elettrico passo-passo. Il corpo valvole che si trova nella parte inferiore della trasmissione contiene le elettrovalvole ed un intricato labirinto di canali per portare l'olio in pressione ad azionare e lubrificare le varie parti del cambio. In alcune soluzioni la trasmissione del moto avviene per compressione invece che per trazione, come nel cambio CVT adottato da FIAT per la Panda Selecta. Un'altra caratteristica della cinghia metallica impiegata su tali cambi è quella di essere estremamente flessibile. La flessibilità viene ottenuta attraverso l'impiego di un certo numero di anelli di acciaio concentrici molto sottili (in genere da 8 a 12) che costituiscono due fasce laterali.
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L'architettura dell'e-CVT di Toyota
Se avete mai guidato o siete stati passeggeri di un’auto ibrida, sarete rimasti senza dubbio colpiti dalla sua fluidità di funzionamento e dal silenzio che accompagna le partenze. Il bello è che tutto ciò è ottenuto attraverso un incessante, quasi frenetico, flusso di dati fra le varie centraline del sistema di trazione. I concetti di base sono due: il primo è che un propulsore aiuta l’altro nelle sue fasi di debolezza. Ma prima di andare a parlare dei motori, una menzione la merita l’e-CVT, ovvero l’anello di congiunzione tra i due motori e le ruote delle Toyota ibride.
In pratica, qui non c’è traccia di cambio tradizionale - manuale o automatico che sia - a fare da collegamento fra i motori e le ruote. No: a muovere la macchina c’è un ingranaggio simile al differenziale e che consente al motore elettrico e a quello a benzina di girare a velocità differenti; ed è per questo che a volte, sulle Toyota ibride, il motore a benzina sale di giri più di quello che ci si aspetterebbe. Va detto però che a partire dall'ultima Prius - e quindi anche sulla CH-R - "l'anomalo" innalzamento di giri è molto più raro.
Componenti e funzionamento del sistema THS
La prima cosa che stupisce quando si guarda uno spaccato di un sistema ibrido Toyota è che mancano tre componenti standard nelle auto "normali": la trasmissione con le marce, l'alternatore e il motorino di avviamento. Al loro posto troviamo due "motogeneratori" (chiamati MG1 ed MG2), un inverter, una batteria e un ingranaggio epicicloidale (chiamato Power Split Device). L'MG1 sostituisce il motorino di avviamento classico e serve anche per ricaricare il pacco batterie, ma non è usato per la trazione. L'inverter si occupa di trasformare la corrente elettrica continua in alternata e viceversa.
Il sistema ibrido Toyota ha diverse fasi di funzionamento. Nella fase di guida ibrida standard, con una accelerazione non troppo decisa, le ruote vengono spinte sia dal motore benzina che dal motogeneratore MG2. Se l'accelerazione è più potente, il motore termico provvede anche a ricaricare la batteria. C'è poi la possibilità di viaggiare in 100% elettrico, con la sola spinta di MG2 e con il motore termico spento. Questa modalità di guida si attiva manualmente, premendo il tasto EV, oppure autonomamente quando siamo in veleggiamento. Il motore termico, inoltre, può ricaricare la batteria tramite l'MG1 sia quando l'auto è ferma che quando è in movimento.
Il cuore tecnologico: il Power Split Device
Il PSD è costituito da un gruppo di ingranaggi planetari che elimina la necessità di avere un cambio tradizionale e dei componenti della trasmissione. Il PSD permette all’auto di utilizzare l’energia di un motore a combustione interna (ICE) e dei due motori/generatori elettrici (MG1 e MG2), che girano tutti a velocità diverse e variabili. Quest’ultimo, è il più grande dei due motori elettrici e viene anche chiamato motore di trazione perché la sua velocità ha una relazione fissa con la velocità delle ruote.
Le velocità di rotazione di MG1, MG2 e ICE sono interdipendenti. Nel sistema ibrido della Toyota, limitato a livello software, l’ICE girerà sempre se si sta viaggiando sopra i 70 km/h. La rotazione del motore è limitata a velocità comprese tra 1000 e 4500 giri/min. Il cuore della tecnologia è un meccanismo di pochi ingranaggi sfruttato con intelligenza attraverso motori elettrici e inverter. Questo sistema può essere azionato da ciascun motore singolarmente oppure in collaborazione fra loro. Il PSD è comandato elettronicamente, non meccanicamente.
Distinzione tra CVT tradizionale ed e-CVT
Si possono trovare molti riferimenti che la Prius è dotata di un CVT, che genericamente vuol dire "Continuously Variable Transmission". La Toyota chiama il cambio della Prius "ECVT" che significa "Electrically Controlled Variable Trasmission". Quindi è variabile continuamente o no? Vedremo che la risposta non è ne si ne no. Il cambio della Prius produce uno degli effetti del CVT ma non i difetti. Si può selezionare il regime del motore per produrre la potenza richiesta ma oltremodo non troppo veloce per non compromettere l'efficienza del motore.
La tonalità del motore della Prius quindi suona come se la macchina fosse dotata di CVT perché non aumenta con la velocità della macchina. Invece, esso aumenta e scende in base alla richiesta di potenza. Il cambio della Prius non deve moltiplicare la coppia del motore a basse velocità. Questo perché ha solo un rapporto. In effetti, il motore è legato alle ruote come se l'auto fosse sempre nel suo rapporto superiore. Questo potrebbe essere un handicap molto serio, se non ci fosse la presenza di un potente motore elettrico in aggiunta al motore termico.
La dinamica dei flussi di potenza
Il componente centrale del cambio della Prius è un ingranaggio epicicloidale che la Toyota chiama "Power Split Device" (PSD). Questo tipo di ingranaggio è anche conosciuto come "Sole e satelliti" dato che consiste di un numero di ingranaggi satelliti che circondano un ingranaggio "sole". I satelliti sono su assi fissate al "portasatelliti" che gira sulla stessa asse del sole. Il motore della Prius (ICE) è collegato al portasatelliti. Mentre gira, i satelliti tendono a spingere sia la corona che il sole nella stessa direzione del portasatellite.
Grazie all'attenzione nella scelta della grandezza, la Toyota ha fatto in modo che una porzione della coppia vada alla corona e una parte al sole. La corona, che riceve la parte maggiore, è collegata attraverso i soliti riduttori finali al differenziale e quindi alle ruote. È così che l'ICE spinge l'auto. Sebbene ci sia una fissa relazione matematica tra i loro regimi e il regime dell'ICE, uno può accelerare mentre l'altro deve rallentare senza cambiare il regime di rotazione dell'ICE.
Questo è il nostro indizio come il treno epicicloidale permette la modularità del regime di rotazione dell'ICE proprio come un CVT. Data una qualsiasi velocità stradale, il computer calcola la velocità della corona. Dalla richiesta di potenza, decide il regime di rotazione dell'ICE. Poi fa una semplice equazione matematica per capire a che velocità MG1 deve girare. Poi, regola la potenza assorbita dall'MG1 per accelerare o rallentare l'ICE fin quando la condizione richiesta è ottenuta. Nulla di questo varia il fatto che una frazione della coppia dell'ICE è inviata verso le ruote.
Innovazione e affidabilità nel sistema Toyota
Un secondo motore elettrico chiamato MG2 è collegato alla corona del PSD e aggiunge la sua coppia a quella fornita dall'ICE. Quindi, la forza che sembrava andasse persa è in realtà dirottata intorno al PSD meccanico da un percorso elettrico e infine finisce lo stesso ad muovere le ruote. Infatti, le potenze dell'ICE sono divise dal PSD, parte segue un percorso meccanico attraverso la corona e parte segue il percorso elettrico tramite il sole, MG1, il controllo elettronico e verso MG2.
È importante ricordare che l'e-cvt è usato solo sui modelli full-hybrid e plugin. Tutte le Toyota ibride a partire dalla prima Prius usano un cambio e-cvt con ingranaggi epicicloidali. Non ci sono cinghie, neppure quella classica dei servizi. A parte la potenza dei motori o qualche differenza nei rapporti fra i denti degli ingranaggi, non c'è differenza concettuale con quello montato su altri modelli come la Corolla. Nelle primissime versioni Prius, vi era una catena, ma non era nel sistema epicicloidale; faceva parte della trasmissione, poi sostituita nelle versioni successive da un treno di ingranaggi.
Questa evoluzione ha reso il sistema virtualmente eterno. L'assenza di frizioni che slittano o di cinghie soggette a usura meccanica garantisce una longevità superiore ai cambi automatici tradizionali. Toyota è stata la prima a credere nell’ibrido, il primo prototipo fu presentato al Tokyo Motorshow del 1995. Oggi, dopo oltre venticinque anni, il sistema si è evoluto arrivando alla sua quarta generazione, rappresentando il punto di riferimento globale per l'efficienza nel settore automobilistico grazie all'integrazione magistrale di meccanica di precisione e controllo elettronico intelligente.
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