Cambio automatico

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Il cambio automatico è un tipo di cambio che negli autoveicoli provvede automaticamente a variare il rapporto di trasmissione, senza l'intervento del guidatore.

Il cambio automatico si è molto diffuso negli Stati Uniti a partire dagli anni '50, mentre è poco usato in Europa e nel resto del mondo. Uno dei motivi è dovuto alla riduzione dell'efficienza energetica e quindi maggior consumo di carburante causato dal cambio automatico, particolare evidente nei primi modelli. Negli Stati Uniti il basso costo del carburante ha minimizzato questo problema. Negli anni recenti sono stati sviluppati cambi automatici più efficienti, ma il cambio manuale, se usato in modo corretto, rimane sempre migliore dal punto di vista del rendimento. Inoltre molte persone trovano più piacevole l'uso del cambio manuale, sebbene la guida di una automobile con cambio manuale sia oggettivamente più complessa.

Un particolare tipo di cambio automatico, detto cambio continuo o a rapporto variabile, non ha rapporti fissi predeterminati, ma può variare il rapporto di trasmissione con continuità entro l'intervallo di lavoro.

[modifica] Cambio a rotismi epicicloidali

Il tipo più diffuso di cambio automatico è quello a rotismi epicicloidali. In queste realizzazioni un gruppo di sistemi epicicloidali in serie consentono di realizzare ciascuno un cambio di rapporto mediante il solo intervento di freni che agiscono, a seconda dei casi, sulla corona, sul pignone o sul portasatelliti, e talvolta anche mediante l'uso di frizioni (di solito multidisco) che rendano solidali tra loro due di questi tre elementi. Il comando automatico della cambiata viene realizzato di solito sfruttando la pressione di un fluido in un circuito idraulico azionato essenzialmente da un rilevatore di velocità finale (tradizionalmente un meccanismo a dilatazione centrifuga), ma sempre più spesso anche sulla base di altri rilevatori, ad esempio della parzializzazione della carburazione, oppure del carico sopportato, oppure della pendenza del tracciato.

[modifica] Struttura e funzionamento

Una trasmissione con cambio a rotismi epicicloidali idraulico è solitamente costituito dalle seguenti parti:

Convertitore di coppia: è un dispositivo interposto tra il motore ed il cambio che sostituisce la tradizionale frizione. Produce una variazione della coppia alle basse velocità e durante le accelerazioni, ma soprattutto azionato "al minimo" (ossia al minimo regime del motore) non trasmette momento torcente, se non di entità minima e comunque sempre vincibile da una minima azione dei freni. Un veicolo con convertitore di coppia ha quindi (salvo casi particolari) solo due pedali: acceleratore e freno. Tale organo meccanico è diffuso anche su veicoli su cui non è presente una trasmissione a cambio automatico, come in molte macchine operatrici, e in alcuni veicoli ferroviari. Il convertire di coppia svolge anche una limitata regolazione continua del rapporto, in aggiunta al rapporto fisso del cambio.

Cambio a rotismi epicicloidali: costituisce la parte principale di un cambio automatico. Il rapporto di trasmissione è determinato, come già detto, da un sistema di freni e frizioni agenti su sistemi epicicloidali.

Attuatore: è il centro di controllo di tutto il sistema. Tradizionalmente è costituito da un sistema idraulico in cui un fluido in pressione giunge da una pompa azionata dall'albero di ingresso, e qui viene regolato da un sistema di valvole premute da molle. Il sistema di valvole elabora la pressione della pompa e la pressione di un rivelatore centrifugo (oltre ad un segnale idraulico determinato dalla posizione della leva di selezione e della valvola a farfalla) per determinare il rapporto da inserire. La differenza di pressione tra due cavità determina l'apertura o la chiusura di una valvola di comando, consentendo o meno il passaggio del fluido che aziona gli attuatori di frizioni e freni. Si tratta di un vero e proprio calcolatore idraulico, e infatti in molti cambi moderni è un microprocessore ad azionare le valvole con l'aiuto di attuatori elettromeccanici. La complessità e il notevole numero di componenti costituenti il corpo valvole rendevano in passato il cambio automatico molto costoso rispetto al manuale. Oggi la produzione di massa ha ridotto la differenza di prezzo di questo optional.

[modifica] Comandi per il guidatore

Il cambio automatico richiede un minimo di interazione con l'utente. Per questo esiste una leva (selettore) che può essere spostata su una delle seguenti posizioni (in generale):

P - Parcheggio: l'albero di trasmissione e quindi le ruote sono bloccate, lasciando libero l'albero motore. Questo impedisce all'automobile di muoversi per esempio se parcheggiata in pendenza.
R - Retromarcia
N - Neutral (folle)
D - Drive (guida): il cambio interviene automaticamente durante la guida
1,2,3 - Permettono di impostare rapporti fissi o di limitare il cambio alle marce più corte, utili per sfruttare il freno motore

[modifica] Corpo valvole manuale

Particolari cambi automatici idraulici hanno il corpo valvole comandato manualmente da guidatore, il quale decide così il rapporto da inserire ma senza l'uso della frizione. L'impiego di questi cambi è limitato alle auto sportive o da gara. In alcuni modelli è possibile commutare tra la modalità manuale o quella automatica. Il sistema è però superato dal corpo valvole controllato elettronicamente.

[modifica] Storia

I modelli Oldsmobile del 1940 furono i primi veicoli ad avere un cambio completamente automatico, chiamato Hydra-matic, a quattro rapporti e senza frizione. Su questi modelli l'opzione cambio automatico era offerta a soli 57$. Negli anni '50 Oldsmobile produsse milioni di automobili con cambio automatico, dimostrandone la popolarità negli Stati Uniti.

Il cambio automatico idraulico fu poi introdotto da General Motors, Chrysler e Borg-Warner (produttore di cambi per Ford) nei primi anni '50. I primi modelli avevano due rapporti e non erano in grado di trasmettere molta coppia, poi a breve furono prodotti modelli a tre rapporti.

Negli anni '80 si è avuto un salto tecnologico con l'introduzione della quinta marcia, che ha migliorato il rendimento energetico dei cambi idraulici nei lunghi viaggi. Un altro miglioramento notevole risalente al medesimo periodo fu l'introduzione del convertitore di coppia a frizione (TCC o Lockup torque converter). Il sistema consiste nell'abbinare al convertitore di coppia una frizione comandata da un elettromagnete, in grado di connettere direttamente l'ingresso con l'uscita quando determinato dal computer di bordo. Eliminando gli attriti del fluido nel convertitore di coppia a velocità elevate, questo sistema offre un ulteriore risparmio di carburante.

È stato fatto similmente un tentativo di migliorare il rendimento con una frizione sul rapporto per la marcia veloce che intervenga automaticamente oltre una certa velocità. Il risultato è però un sistema troppo invadente, con continui inserimenti e disinserimenti in certe condizioni che comportino piccole variazioni di velocità, quali il vento.

Con l'aumento delle prestazioni dei computer di bordo, tra gli anni '80 e '90 una parte sempre maggiore delle funzioni delle valvole è stata trasferita nell'elettronica. Il controllo delle valvole da parte del computer (alcuni produttori dedicano un microprocessore specializzato solo per il controllo del cambio) rende l'intervento più preciso e consente in alcune auto l'adozione del controllo semi-automatico sequenziale, in cui il guidatore indica al computer quali rapporti inserire. Questi cambi migliorano notevolmente il comportamento in discesa e l'utilizzo del freno motore; alcuni modelli sono in grado di riconoscere lo stile del guidatore e adattarsi di conseguenza.