Il cambio automatico, un prodigio dell'ingegneria automobilistica, ha rivoluzionato il modo di guidare, liberando il conducente dall'intervento costante sul cambio marcia. Questo sistema gestisce autonomamente l'innesto dei rapporti, offrendo un comfort di guida superiore e una maggiore fluidità. Sebbene il concetto di frizione sia spesso associato al cambio manuale, essa svolge un ruolo fondamentale anche in diverse tipologie di trasmissioni automatiche, seppur con meccanismi e implementazioni differenti.
Come Funziona il Cambio Automatico: Il Ruolo Cruciale dell'ECU
A differenza del cambio manuale, che richiede l'intervento del conducente per cambiare marcia, il cambio automatico gestisce autonomamente questa operazione grazie a un'unità di controllo elettronica (ECU). Questa centralina, vero e proprio "cervello" del sistema, analizza costantemente diversi parametri, ricevendo informazioni da una serie di sensori presenti sul veicolo. Nello specifico, questi sensori monitorano:
- La velocità del veicolo: Un parametro essenziale per determinare la marcia più appropriata in relazione all'andatura.
- La posizione dell'acceleratore: In base a quanto si preme sull'acceleratore, l'ECU comprende l'intenzione del guidatore, se accelerare o decelerare.
- Il regime del motore: L'unità di controllo monitora i giri del motore per capire se è necessario cambiare marcia, ottimizzando l'efficienza e le prestazioni.
- Il carico del motore: L'ECU valuta il carico di lavoro del motore (ad esempio in salita o quando si traina un peso), regolando di conseguenza il rapporto di trasmissione.
In base a questi dati, l'ECU decide quale marcia inserire e invia i comandi necessari agli attuatori e, a seconda del tipo di cambio, al convertitore di coppia o alle frizioni per eseguire il cambio marcia. La selezione dei rapporti avviene autonomamente grazie alla centralina che effettuerà il passaggio di marcia a seconda della velocità alla quale procede il veicolo e una volta che il motore ha raggiunto un determinato numero di giri. Il guidatore è sollecitato a intervenire solo al momento della partenza e a quello dell'arrivo, o quando deve andare in retromarcia.
Il Sistema di Trasmissione: Un Concatenamento di Componenti Essenziali
Un veicolo si muove grazie al sistema di trasmissione, che comprende tutti quei componenti e sistemi necessari a trasferire l’energia prodotta dal motore alle ruote. Tra questi hanno un ruolo fondamentale la frizione, il differenziale e il cambio. Ognuno di questi componenti ha una sua funzione specifica e opera in sinergia con gli altri componenti per trasmettere alle ruote la coppia motrice in base alle caratteristiche del motore e alle condizioni di marcia.
Nei veicoli con motore anteriore e trazione anteriore il sistema di trasmissione è costituito da: innesto a frizione, cambio, differenziale, semiassi, mozzi ruote. Nei veicoli con motore anteriore e trazione posteriore, gli organi di trasmissione - partendo dal motore - comprendono: frizione; cambio, giunti elastici o cardanici, albero di trasmissione, coppia conica di riduzione, differenziale, semiassi (o semialberi), mozzi ruote. L’acceleratore, che rende possibile la variazione di carico al motore, consente di regolare la potenza trasmessa alle ruote, mentre in contemporanea la trasmissione - servendosi del cambio - consente di dare la potenza massima alle ruote motrici in relazione alla velocità del veicolo (in base al numero di marce e i relativi rapporti di trasmissione). Frizione, differenziale e cambio sono gli organi fondamentali del sistema di trasmissione e nel tempo hanno conosciuto una costante evoluzione tecnologica per migliorarne prestazioni e affidabilità. Molti interventi in officina sono direttamente o indirettamente legati a questi componenti fondamentali, con i quali i meccanici hanno ogni giorno a che fare.
Il Ruolo del Differenziale
Il differenziale permette alle ruote dello stesso asse, o di assi differenti, di girare a velocità diverse, un aspetto cruciale durante le curve. Ha inoltre l’importante funzione di trasferire in modo equilibrato la coppia fornita dal sistema di trasmissione, attraverso una presa di moto, ai due alberi di uscita. Il differenziale è composto da una coppia di ingranaggi cilindrici di riduzione e da un sistema epicicloidale, formato da satelliti e due planetari. Questi ultimi sono collegati ai semiassi attraverso un giunto, consentendo la trasmissione del moto alle ruote.
Gli Ingranaggi e i Rotismi
Due o più ruote dentate (ingranaggi) possono essere tra loro ingranate per trasmettere la potenza meccanica dell’albero in entrata all’albero che esce del sistema, variandone parametri quali numero di giri e coppia. Tali sistemi sono chiamati rotismi e possono essere suddivisi in due categorie: riduttore e moltiplicatore. Quando il numero di giri dell’albero in uscita è minore rispetto a quello entrante si sta parlando di un riduttore: il risultato è una moltiplicazione della coppia in uscita rispetto a quella in entrata. Quando invece avviene il contrario si parla di moltiplicatore. Il cambio e il differenziale sono composti da ingranaggi che consentono dunque di variare i valori di coppia e velocità tra l’albero d’ingresso e quello d’uscita, rendendo la trasmissione versatile ed efficiente. Per aumentare il numero di denti che ingranano si utilizzano ruote dentate cilindriche con denti elicoidali, che migliorano la distribuzione delle forze. Il vantaggio è quello di poter ridurre le dimensioni degli ingranaggi, risparmiando spazio e riducendo il peso. Il migliore accoppiamento tra i denti riduce inoltre l’usura aumentando la durata.
Il cambio dell’auto e di qualsiasi altro veicolo utilizza i rotismi per variare i rapporti di trasmissione. La sua funzione principale è infatti quella di variare il rapporto di trasmissione tra il motore e le ruote per adattare la coppia e la velocità in base alle esigenze di guida. Esistono diverse tipologie di cambi, ma il principio di funzionamento si basa su un sistema di ingranaggi e componenti ausiliari che regolano la trasmissione della potenza. Per le marce in avanti si utilizzano ingranaggi a elicoidale, mentre per la retromarcia a denti dritti.
Tipologie di Cambio Automatico e il Ruolo delle Frizioni
Il cambio automatico sta gradualmente soppiantando il cambio manuale, anche grazie ai continui miglioramenti apportati dalle case automobilistiche. Il cambio automatico è spesso sinonimo di comfort, ma anche di tecnologia e risparmio energetico ed economico. Ne esistono diverse tipologie, ognuna con un meccanismo di funzionamento specifico e un approccio differente alla gestione della coppia e delle marce.
Cambio automatico
Cambio Automatico con Convertitore di Coppia
È il tipo più tradizionale e utilizza un convertitore di coppia per trasmettere la potenza dal motore alle ruote. Il convertitore di coppia è il cuore del cambio automatico: sostituisce la frizione tradizionale e trasmette la potenza del motore alle ruote, modulandola in base alle esigenze di guida. Il suo funzionamento è molto semplice. In sostanza, quando il motore gira, la turbina motrice trasmette energia al fluido, che a sua volta fa ruotare la turbina pompata, collegata all'albero di trasmissione. La quantità di coppia trasmessa può variare a seconda della velocità del motore e del carico. Questo permette di avere un'accelerazione fluida e graduale, tipica dei cambi automatici tradizionali. L'innesto a frizione serve infatti ad innestare e disinnestare il collegamento della trasmissione al motore. Nell’avvio la frizione ha inoltre la funzione di collegare gradualmente il motore alla trasmissione, evitando colpi o strappi. Il cambio automatico con convertitore di coppia garantisce una guida fluida e confortevole, ideale per l'uso cittadino, sebbene possa presentare piccole perdite di potenza e un consumo di carburante leggermente superiore rispetto ad altri tipi. Un attuatore, un sistema idraulico che ospita un fluido in pressione regolato da un sistema di valvole e molle, determina l’innesto del rapporto agendo sul sistema di freni e frizioni.
Cambio Robotizzato
È una sorta di "ibrido" tra il cambio manuale e quello automatico. Questo tipo di cambio automatico robotizzato è un tipo di cambio semiautomatico dove i rapporti sono regolati meccanicamente e la selezione e l’innesto delle marce sono gestiti in maniera elettronica dalla centralina. Utilizza una frizione tradizionale e un attuatore elettroidraulico che gestisce il cambio marcia in modo automatico. In pratica, un computer decide quando cambiare marcia e aziona il meccanismo per inserire la marcia successiva o precedente. Il cambio robotizzato offre una guida più sportiva rispetto al convertitore di coppia a scapito di “incertezze” nelle cambiate, in particolare in condizioni di traffico intenso. La frizione ha l’importantissima funzione di collegare il volano motore al cambio, consentendo il corretto accoppiamento e disaccoppiamento tra il motore e il cambio. La frizione si consuma maggiormente quando si innesta in fase di avvio del veicolo: essendo molto diverse le velocità tra volano e albero di ingresso del cambio si ha di conseguenza uno slittamento maggiore. Quando invece si cambia marcia, la molla della frizione riduce lo slittamento e dunque l’usura delle superfici di attrito e la potenza dissipata. Anche le molle presenti tra disco e mozzo portadisco servono ad attenuare vibrazioni e contraccolpi riducendo l’usura delle guarnizioni sul disco.
Cambio a Doppia Frizione (DCT)
È considerato uno dei migliori cambi automatici disponibili. Questo sistema utilizza due frizioni separate, una per le marce pari e l'altra per quelle dispari. Questa configurazione permette di preselezionare la marcia successiva mentre si è ancora innestata quella attuale, garantendo cambi marcia rapidissimi e quasi impercettibili. Il DCT offre prestazioni elevate, consumi ridotti e un comfort di guida eccellente. Evita l'interruzione nella trasmissione della coppia, rendendo quindi l'erogazione più continua e la guida confortevole. Tuttavia è leggermente più costoso vista la sua natura elaborata e complessa. Il cambio a doppia frizione DCT unisce i vantaggi del cambio automatico e manuale, con due frizioni indipendenti per marce pari e dispari. Noto anche come DCT (acronimo che sta per Dual Clutch Transmission), il cambio automatico a doppia frizione (nello schema qui sopra) utilizza due frizioni diverse, collegate a due alberi che sono montati sullo stesso asse e che corrispondono alle marce pari e alle marce dispari. Non manca poi un terzo albero per l’inversione del senso di rotazione.
- Cambio DSG: DSG è il marchio registrato da Volkswagen per indicare il loro cambio a doppia frizione. È un acronimo che sta per Direct-Shift Gearbox. Altre case automobilistiche hanno sviluppato le loro versioni di DCT, ma il principio di funzionamento è sempre lo stesso: due frizioni separate per garantire cambi marcia rapidissimi e fluidi. Il DSG gode di consumi ridotti (grazie all'ottimizzazione dei rapporti di trasmissione) e di guida confortevole, grazie alla fluidità dei cambi marcia e alla possibilità di scegliere tra modalità di guida diverse. Inoltre questo può essere utilizzato sia in modalità completamente automatica che in modalità manuale, tramite i paddle al volante o il cambio marcia tradizionale.
Cambio a Variazione Continua (CVT)
Il CVT non ha rapporti fissi, in quanto varia continuamente il rapporto di trasmissione per ottimizzare la potenza e i consumi. Questo, al posto delle classiche marce, utilizza due pulegge coniche collegate da una cinghia o una catena. Variando il diametro delle pulegge, si ottiene una variazione continua del rapporto di trasmissione. Questa tecnologia è tipica di brand giapponesi come Nissan e Toyota. Noto anche come CVT (acronimo che sta per Continuously Variable Transmission), il cambio automatico a variazione continua si avvale di una cinghia e di una coppia di pulegge, una delle quali è collegata al motore e l’altra all’albero di uscita della trasmissione.
L'Importanza delle Lettere sul Cambio Automatico
Di base esistono dalle quattro alle sette lettere presenti sul cambio automatico, che non sono altro che le iniziali di termini in inglese che stanno a indicare la funzione dei comandi. Comprendere il loro significato è fondamentale per un uso corretto e sicuro del veicolo.
- P (Parking): Questa posizione blocca le ruote, impedendo all'auto di muoversi. Va utilizzata quando si parcheggia e prima di spegnere il motore. Per accendere l’auto bisogna posizionare il cambio sulla lettera P (Parking), da utilizzare ogni qual volta si mette in moto la vettura, schiacciando allo stesso tempo anche il pedale del freno.
- R (Reverse): Indica la retromarcia.
- N (Neutral): Corrisponde al folle. Si utilizza per brevi soste, come ad esempio ai semafori. Con il cambio automatico, passare spesso da N a D non è molto produttivo e alla lunga può non fare per niente bene a questo tipo di cambio. Infine, per mettere in folle il veicolo, ad esempio quando bisogna azionare il cambio automatico al semaforo durante la sosta per il rosso, è necessario posizionare il cambio sulla lettera N (Neutral).
- D (Drive): È la modalità di guida normale. Il cambio gestisce automaticamente le marce in base alla velocità e all'accelerazione. Per partire è necessario spostare il selettore sulla lettera D (Drive), quindi basta lasciare il freno e pigiare il pedale dell’acceleratore, dopodiché la macchina comincerà a muoversi.
- S (Sport): Questa modalità rende la risposta del motore e del cambio più pronta, ideale per una guida più sportiva.
- L (Low): Indica le marce basse e viene utilizzata per affrontare salite ripide o discese impegnative.
- M (Manual): Permette di cambiare manualmente le marce, solitamente tramite i paddle al volante.
L'Olio del Cambio Automatico (ATF)
L'olio per cambio automatico, noto anche come ATF (Automatic Transmission Fluid), è un fluido specifico progettato per lubrificare, raffreddare e proteggere le parti interne del cambio automatico. A differenza dell'olio motore, l'ATF ha caratteristiche chimiche e fisiche diverse, in quanto deve far fronte a condizioni di lavoro molto particolari, come temperature elevate e pressioni variabili.
Questo svolge diverse funzioni cruciali:
- Lubrificazione: Riduce l'attrito tra le parti in movimento, prolungandone la vita utile e prevenendo l'usura.
- Raffreddamento: Dissipa il calore generato dal funzionamento del cambio, evitando surriscaldamenti dannosi che potrebbero compromettere l'integrità dei componenti.
- Protezione: Previene l'usura e la corrosione delle superfici metalliche, garantendo una maggiore durata del sistema.
- Trasmissione della potenza: Contribuisce alla trasmissione della potenza dal motore alle ruote, specialmente nei cambi con convertitore di coppia, dove funge da mezzo per trasferire l'energia.
L'Importanza della Sostituzione dell'Olio del Cambio Automatico
Con il tempo, l'olio per cambio automatico si degrada a causa dell'ossidazione, della contaminazione da particelle metalliche e della perdita di additivi. La mancata sostituzione dell'olio può portare a diversi problemi, tra cui:
- Riduzione delle prestazioni: Un olio degradato perde la sua capacità di lubrificare e raffreddare efficacemente, compromettendo la fluidità e la reattività del cambio.
- Aumento dell'usura: L'attrito eccessivo tra le parti in movimento può causare un'usura prematura dei componenti, portando a costose riparazioni.
- Surriscaldamento: Un olio inefficiente non riesce a dissipare il calore in modo adeguato, aumentando il rischio di surriscaldamento del cambio.
- Guasti al cambio: In casi estremi, la mancata manutenzione dell'olio può portare al completo guasto del cambio automatico.
L’olio del cambio automatico, nel corso del tempo, raccoglie impurità: il fluido, come per gli altri liquidi, andrebbe quindi sostituito e l’impianto pulito per rimuovere i residui. A ogni modo è bene rivolgersi alla propria officina meccanica di fiducia e affidare a loro il controllo regolare e periodico del cambio automatico.
Cenni Storici e Sviluppo del Cambio Automatico
La nascita del dispositivo è dei primi anni ’40, quando negli Stati Uniti venne montato su alcuni modelli di Oldsmobile. Tuttavia, prese piede soltanto a partire dal 1950, quando venne inserito di serie su alcune auto prodotte dalla General Motors e dalla Chrysler. Successivamente la trasmissione automatica arrivò anche sul mercato europeo, rimanendo un optional disponibile su alcune macchine di fascia alta, mentre oggi è ampiamente diffuso e presente su un gran numero di autoveicoli, soprattutto nelle citycar con cambio automatico per la guida in città.
Chi ha inventato il cambio automatico? Un italiano. Il suo nome è Elio Trenta: brevettò questa novità nel 1931 presentando alla Fiat come cambio automatico progressivo di velocità. Si tratta di un cambio in cui sono presenti due alberi collegati a due frizioni a loro volta collegate all'albero di trasmissione. Su un albero si trovano i rapporti dispari mentre sul secondo i rapporti pari: ciò che accade è una contemporanea rotazione degli alberi interni, tuttavia solo uno dei due, grazie a una frizione, trasferisce il moto all'albero di trasmissione.
Il primo esempio di cambio a doppia frizione come lo conosciamo oggi è quello ideato dall'azienda statunitense BorgWarner nel 2003 denominato Direct-Shift Gearbox, tuttavia la storia di questo cambio è molto più lunga. Nel 1939 l'ingegnere Adolphe Kégresse progetta il primo esempio di cambio a doppia frizione, tale progetto però venne fatto solo su carta ma non venne mai prodotto. Qualche anno più tardi anche la Ferrari inizia l'installazione dei propri cambi a doppia frizione nelle vetture da corsa. Tra i vari produttori di cambi a doppia frizione ci sono BorgWarner (che produce, per esempio, il DSG) e Getrag. Queste due aziende sono le principali produttrici di cambi a doppia frizione e sono i fornitori di quasi tutti i produttori di automobili; nonostante ciò, ci sono alcune case automobilistiche che preferiscono produrli in proprio. Attualmente solo il gruppo FCA e la sua ex-controllata Ferrari (comunque appartenenti entrambi alla holding Exor) hanno deciso di intraprendere questa produzione autonoma di cambi a doppia frizione. La Ferrari li utilizza nelle sue vetture da competizione sin dal 1989 (vettura F1-89) e, dall'inizio del XXI secolo, li ha introdotti anche sulle vetture di serie. Alcuni cambi adottati dall'Alfa Romeo per verità utilizzano componentistica sviluppata in collaborazione con la BorgWarner, e vengono prodotti dalla Fiat Powertrain Technologies (che produce, per esempio l'FTP C635 commercializzato come "TCT"[1]), e sono destinati ai vari marchi del gruppo; il debutto del primo cambio Fiat a doppia frizione è avvenuto con l'installazione su Alfa Romeo Mito nel 2010. Nonostante questa produzione interna alcuni marchi del gruppo Chrysler utilizzano ancora cambi a doppia frizione Getrag.
Uso Corretto del Cambio Automatico
Oggigiorno sempre più vetture escono di serie con il cambio automatico, un dispositivo estremamente comodo e molto richiesto dagli automobilisti, soprattutto per la mobilità urbana. Si tratta di un meccanismo facile da utilizzare, nonostante sia necessaria un po’ d’esperienza, specialmente per chi è abituato a una macchina con la trasmissione manuale. Ecco alcuni consigli utili per capire come usare il cambio automatico nel modo giusto.
Accensione e Partenza
Per accendere l’auto bisogna posizionare il cambio sulla lettera P (Parking), da utilizzare ogni qual volta si mette in moto la vettura, schiacciando allo stesso tempo anche il pedale del freno. Per partire invece è necessario spostare il selettore sulla lettera D (Drive), quindi basta lasciare il freno e pigiare il pedale dell’acceleratore, dopodiché la macchina comincerà a muoversi. A seconda dell’impostazione dei rapporti e della tecnologia del dispositivo, il cambio automatico dell’auto passa da solo da una marcia all’altra una volta raggiunto il numero di giri giusto, in base alla velocità e all’intensità dell’accelerazione. Ciò funziona anche al contrario, durante le frenate, quando la trasmissione si occupa della gestione dei rapporti scalando da una marcia alta a una più bassa, accompagnando la decelerazione del veicolo.
Guida in Discesa e Salita
Con le macchine tradizionali, dotate della trasmissione manuale, è possibile sfruttare il freno motore per controllare la guida nei tratti in discesa. Nelle auto con cambio automatico è possibile riscontrare un leggero incremento della velocità, una situazione che in genere porta a usare di più il pedale del freno, aumentando il consumo delle pasticche. Per evitarlo, alcuni veicoli consentono di impostare il dispositivo nella modalità semiautomatica. Questa configurazione permette di usufruire di un maggiore controllo, per evitare di sovraccaricare l’impianto frenante quando si percorrono lunghi tratti di strada con una pendenza in discesa. Alcune vetture più moderne di fascia alta propongono tecnologie sofisticate, con le quali il sistema di bordo regola da solo la velocità nella guida in discesa, senza bisogno di ulteriori interventi da parte del conducente. In salita è tutto più semplice, in quanto basta scegliere il rapporto giusto e verificare che non sia troppo alto.
Differenze tra Cambio Automatico, Sequenziale e Manuale
Un dubbio piuttosto diffuso tra gli automobilisti, alle prese con una varietà sempre più grande di sistemi di trasmissione, riguarda le differenze tra il cambio automatico e sequenziale.
Cambio Automatico vs. Cambio Sequenziale
Il cambio automatico è un meccanismo completamente autonomo, perciò l’unica cosa da fare è sistemare il selettore nelle posizioni principali (accensione, guida, folle e retromarcia), dopodiché il dispositivo fa tutto da solo. Con il cambio sequenziale, invece, la gestione della trasmissione richiede una presenza attiva, in quanto i rapporti non vengono applicati in maniera autonoma. Con questi sistemi non solo bisogna posizionare il cambio nelle modalità di base, ma è necessario gestire le marce e spingere avanti e indietro la leva, per aumentare il numero dei rapporti durante l’accelerazione e diminuirlo nelle frenate. Questo meccanismo permette di avere un controllo maggiore del veicolo, dunque è possibile assumere un comportamento al volante meno aggressivo e più fluido, oppure optare per uno stile di guida più sportivo. Tuttavia, grazie alla presenza di un cambio robotizzato, non è necessario azionare il pedale della frizione, usufruendo quindi di una discreta comodità rispetto al cambio totalmente manuale.
Cambio Automatico vs. Cambio Manuale
Se il cambio automatico dell’auto è abbastanza simile a quello sequenziale, fatta eccezione per la scelta dell’innesto delle marce, questo sistema di trasmissione è completamente diverso rispetto al cambio manuale. In quest’ultimo c’è il pedale della frizione, che va spinto prima di usare la leva per inserire una nuova marcia, inoltre, nel pomello è indicato il numero dei singoli rapporti, costringendo a un movimento più ampio del selettore per innestare la distribuzione di coppia giusta. Un’auto con cambio manuale prevede una maggiore partecipazione del guidatore, mentre un’auto con il cambio automatico regala al guidatore un maggiore comfort, destituendolo dalla decisione di salire o scendere di marcia, in quanto è tutto più automatizzato. Naturalmente, gli amanti della guida sportiva dovrebbero preferire il cambio manuale, sebbene le auto con il cambio automatico più moderne non sfigurano in fatto di velocità e guida sportiva.
La scelta tra cambio automatico o manuale non è semplice, infatti bisogna considerare diversi aspetti tra cui il costo, la manutenzione e lo stile di guida. La trasmissione automatica è comoda, ideale per le trafficate strade urbane, permette di ottenere una guida fluida e fa risparmiare sui consumi. D’altro canto, si tratta di un optional costoso, che richiede una manutenzione onerosa, a meno che non si scelga il servizio di noleggio a lungo termine dove sono compresi gli interventi di manutenzione. Al contrario, il cambio manuale è semplice, chiunque lo sa usare poiché viene insegnato nelle scuole guida, è economico e garantisce un controllo maggiore della vettura, ma è scomodo in città ed è difficile mantenere bassi i consumi con questo sistema.
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