Il cambio automatico aiuta la vita dell’automobilista. Inutile girarci intorno, per quanto sia gradevole nella guida sportiva un bel manuale, basta l’assenza del pedale della frizione per apprezzarne la funzionalità dopo solo 20 metri di guida.

Se le competizioni sono il metro di giudizio di una soluzione tecnica allora il cambio automatico è utilizzato a tutti i livello fugando ogni dubbio.

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. La sempre maggiore diffusione ha spesso relegato il cambio manuale a scelta opzionale, diventando assolutamente fondamentale per la gestione dei sistemi di propulsione ibrida.

Tutto bello quindi? Non proprio. Tutti i grandi produttori, tranne qualche rara eccezione si affidano agli specialisti del settore al punto da diventare un brand nel brand, un valore aggiunto alla qualità del prodotto finale.

Funzionamento di un cambio a convertitore di coppia

In questa prima parte di questo focus descriveremo il cambio a convertitore di coppia. Si tratta di un dispositivo idraulico che permette al motore di trasferire coppia alla trasmissione, in modo fluido.

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.

Lo statore dispone di palette curve che mettono in pressione il fluido di olio che investe la girante che trasferisce la coppia. Il fluido viene spinto verso l’esterno per effetto della forza centrifuga acquistando momento angolare. Il ritorno verso il centro attraverso le pale della turbina produce la rotazione per poi essere espulso dal sistema per iniziare un nuovo ciclo di funzionamento.

Il movimento della girante sviluppa la coppia uscente che può anche essere superiore a quella di entrata, da cui il nome del dispositivo. L’inerzia della girante a mettersi in movimento rappresenta il classico slittamento che questo tipo di cambio produce, (o produceva) quando si accelera la vettura.

Il convertitore è collegato alla trasmissione tramite un giunto gestito con una frizione. L’intero elemento viene definito Lock-Up e ha il compito di limitare al massimo lo slittamento quando trasferisce all’albero primario del cambio.

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.

Questo tipo di trasmissione di adatta sia alla disposizione longitudinale che alla trasversale del motore. Questi ultimi sono molto compatti anche a nove rapporti al pari dei cambi a doppia frizione.

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. Inoltre ci sono palette per l’azionamento manuale della cambiata.

Mercedes 7G-Tronic e 9G-Tronic

Mercedes è una delle rare eccezioni che produce internamente la trasmissione automatica a convertitore di coppia con i due cambi 7G-Tronic e 9G-Tronic.

Il 7G-Tronic è un esempio di robustezza. Unico nel suo genere per affidabilità e resistenza, è stato il primo cambio di questo tipo a superare la quota 1000Nm di coppia di gestione.

Il fratello 9G-Tronic viene denominato  W9A 700. La sigla indica il tipo di trasmissione a convertitore, il numero delle marce ed il limite di coppia gestibile 700Nm rispetto al 7G-Tronic marce in meno.

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. Un sistema complesso e costoso ma che riuce al minimo rumorosità e vibrazioni.

L’olio nel convertitore viene fornito attraverso una pompa ad azionamento differenziato a seconda delle esigenze una ulteriore pompa ausiliaria elettrica.

Mercedes-Benz Automatik-Getriebe 9G-TRONIC, 2013 Mercedes-Benz automatic transmission 9G-TRONIC

Una delle caratteristiche che rendono unica questa trasmissione è il peso contenuto e la compattezza. Un lavoro di riprogettazione specifico del albero di trasmissione principale che ha consentito di avere due marce in più con lo stesso peso del 7G-Tronic.

La soluzioni di AISIN e ZF.

La Aisin, colosso giapponese della componentistica, specializzata in trasmissioni, 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.

E’ stata di fatto la prima a raggiungere le otto marce. Nelle ultime evoluzioni tecniche il convertitore ha le dimensioni più contenute del mercato ed è solidale alla campana. Oltre a contenere dimensioni consente una struttura più rigida.

L’utilizzo incrociato dei blocchi epicicloidali, anche più di uno contemporaneamente, consente di ottenere più marce senza aumentare il numero dei gruppi di ingranaggi. Una soluzione che ha consentito di ottenere ancora una volta il record di essere il primo cambio a 10 velocità.

Infine, la Aisin per effetto della sua stretta collaborazione con Toyota è stata la prima ad adattare una trasmissione automatica sostituendo il convertitore di coppia con un motore elettrico adattandosi alla propulsione ibrida delle vetture alto di gamma Lexus.

Il produttore giapponese applica lo stesso concetto di efficienza e leggerezza anche per il cambio a convertitore per automobili con motore trasversale con la serie AWF8G45. Un cambio scelto da molti produttori europei per la sua gradevolezza e versatilità.

ZF dall’altra parte del mondo non è stata ferma a guardare. Il colosso tedesco della componentistica 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

Il cambio 8HP punta tutto su soluzioni semplici ed affidabili. Dal punto di vista tecnico è il cambio più simile al canonico descritto in apertura di articolo. Quattro elementi epicicloidali, con cinque elementi di combinazione e tre frizioni multidisco.

Ogni cambio marcia utilizza solo due elementi riducendo le perdite meccaniche. Ogni elemento della trasmissione viene migliorato dal punto di vista dell’efficienza, dalle lavorazioni meccaniche all’idraulica per l’azionamento e la lubrificazione, piuttosto che usare soluzioni avveniristiche.

Il risultato è un cambio automatico di soli 87 chilogrammi. Un concetto importante per i costruttori che puntano sul centraggio delle masse migliorando il comportamento dinamico del veicolo. Si capisce meglio perchè viene scelto da produttori come Alfa Romeo e BMW.

Anche ZF adatta la sua trasmissione automatica per ottenere vari livelli di ibridazione. A seconda del motore elettrico integrato nella campana del cambio, si può avere una propulsione mild hybrid, full Hybrid o PHEV con potenza elettriche fino a 100kw, ovvero 160cv elettrico 

La trasmissione automatica per motori trasversali 9HP adotta lo stesso principio di modulabilità e facilità. Si adatta perfettamente a vetture con trazione anteriore o integrale.

I rapporti sono quattro con sei elementi. Per ottenere una trasmissione compatta non è stato possibile inserire gli elementi in sequenza uno dietro l’altro, ma si è utilizzata una disposizione diversa con azionamento idraulico.

Una soluzione che determina una perdita di efficienza, ma appare l’unica via per ottenere un cambio compatto e facilmente adattabile. Anche il peso è leggermente penalizzato con i suoi 90kg, più alta che nella 9HP don coppia massima di 500Nm.

Anche ZF utilizza una gestione elettronica per adattare le prestazioni ed efficienza. Anche questa soluzione per motori trasversali si adatta alla tecnologia ibrida dal mild hybrid al plug-in.

In conclusione

Il cambio automatico a convertitore spesso viene considerato inferiore alle trasmissioni a doppia frizione ma come visto ha molte frecce al suo arco. Un cambio fluido e comodo, adatto alla guida rilassata e confortevole, senza rinunciare ad aspetti sportivi per la bella guida.

Il cambio automatico, a prescindere dalla tipologia, resta uno dei componenti più costosi dell’automobile. Come abbiamo visto, due colossi come AISIN e ZF hanno avuto la forza di investire ingenti somme nello sviluppo di queste tecnologie ed oggi si dividono il mercato assieme ad altri produttori più specialistici come Ricardo e Getrag.

I grandi gruppi Toyota, Volkswagen, PSA, FCA, Ford, GM, Mazda e Mitsubishi, utilizzano nella loro gamma tanto i prodotti Aisin che ZF a seconda della necessità e dell’esigenza per soddisfare i requisiti tecnici uniti a quelli commerciali dei loro prodotti.

In ogni depliant è riportato il nome del produttore del cambio automatico, giustificando al cliente finale la scelta dell’elemento migliore possibile presente sul mercato per quelle prestazioni.

Un concetto molto caro ai team britannici che corrono in F1 che non producono componenti complessi come power unit e trasmissione per limitarsi ad assemblare per le proprie esigenze il meglio che possono comprare. Uno come Enzo Ferrari sminuiva con il con il nomignolo di Gargisti senza lo status di Costruttori.

Tale titolo spetta invece alla Mercedes. I cambi 7g-Tronic e 9G-Tronic hanno la capacità di garantire al cliente della stella a tre punte un cambio unico nel suo genere che distingue le vetture della Daimler-Benz da tutte le altre. Una potenza industriale e tecnica che dimostra come il colosso tedesco sia meritevolmente sul tetto del mondo delle competizioni.

Daniele Amore

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