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càmbio (tecnica)

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Generalità

Mutamento della velocità di rotazione di un albero condotto di una macchina; anche il dispositivo che consente tale variazione stabilendo rapporti diversi fra le velocità di rotazione dell'albero motore e di quello condotto. In ogni macchina utensile, veicolo e in alcune macchine operatrici (pompe, compressori, ecc.), durante il loro funzionamento alla coppia motrice trasmessa dal motore si oppone una coppia resistente dovuta alle condizioni d'esercizio dell'organo utilizzatore; per sfruttare la potenza fornita dal motore occorre pertanto uguagliare tali coppie; così pure, per ottenere velocità angolari idonee al lavoro programmato si rende necessario variare il momento della coppia motrice e la velocità angolare. Queste condizioni possono essere realizzate mediante variatori di velocità, ossia con cambi continui, oppure adottando un certo numero di rapporti di trasmissione fra albero motore e albero condotto, cioè realizzando un cambio discontinuo.

Cambi continui

Sono detti anche progressivi in quanto consentono di variare gradualmente il momento della coppia motrice e la velocità angolare o, quantomeno, di realizzare un numero assai elevato di rapporti di trasmissione fra albero motore e albero condotto. Sono adottati in prevalenza per macchine utensili e operatrici; alcuni tipi sono utilizzati su motrici ferroviarie e su autoveicoli. I più diffusi sono meccanici, ma ve ne sono anche idraulici (più noti come convertitori o trasformatori di coppia), elettrici ed elettronici; questi ultimi sono dei veri e propri variatori costituiti da motori elettrici a corrente continua nei quali la velocità viene variata regolando, con opportuni circuiti elettronici, la corrente di eccitazione oppure quella indotta (azionamento Un tipo particolare di cambio elettrico è il Ward-Leonard. Tra i cambi meccanici ricordiamo: il cambio a pulegge tronco-coniche "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." , "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." costituito da due pulegge tronco-coniche affacciate e calettate su assi paralleli unite da una cinghia piatta che viene fatta scorrere assialmente variando così con continuità il rapporto di trasmissione col variare della posizione. Il cambio a cinghia trapezoidale "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." , "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." nel quale ognuna delle due pulegge è divisa in due parti di forma tronco-conica con le basi minori affacciate; mentre in una puleggia le due parti vengono avvicinate da una vite, nell'altra vengono invece allontanate, così che la cinghia trapezoidale si trova ad agire su diametri diversi e variabili con continuità, realizzando diversi rapporti di trasmissione. Nel cambio ad attrito "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." , "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." un grosso volano in rotazione trasmette il suo moto a una ruota rivestita di materiale d'attrito scorrevole su un albero scanalato trasversale; allontanando questa dal centro del volano si varia la velocità periferica della ruota e quindi quella angolare dell'albero di uscita. Il cambio a comando idraulico è costituito essenzialmente da una turbina a velocità variabile a seconda della portata o della pressione di un opportuno fluido che viene fatto circolare da una pompa a ingranaggi o centrifuga; è così possibile controllare la velocità di rotazione del motore mantenendo costante la potenza e la coppia utile. Questo cambio viene usato su molte macchine utensili leggere e pesanti.

Cambi discontinui

Sono detti anche a salti di velocità o a gradini in quanto la variazione del momento della coppia motrice e della velocità angolare si ottiene mediante un numero fisso e limitato (da 2 a 8, in genere) di rapporti di trasmissione, mettendo a contatto, con mezzo idoneo, coppie di ruote dentate con diverso diametro. Il tipo più semplice, poco usato, è il cambio a cono-puleggia, costituito da due pulegge a gradini montate su due assi paralleli e unite da una cinghia che può essere spostata di volta in volta sulle varie coppie di gradini complementari permettendo così di realizzare tanti rapporti di trasmissione quanti sono i gradini. L'albero di uscita può essere innestato sull'albero intermedio direttamente o attraverso un albero di ritardo (albero di riduzione); in questo secondo caso si può ottenere la serie di rapporti più rapida (volata) o quella più lenta (ritardo) le cui velocità sono pari alle precedenti moltiplicate per il rapporto di riduzione. Questo tipo di cambio è adatto solo per macchine utensili di media grandezza. Il cambio Norton "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." è un cambio discontinuo usato nelle macchine utensili soprattutto per comandare gli avanzamenti. È costituito da un gruppo di ruote dentate di diametri diversi calettate sull'albero di uscita e messo in rotazione da un satellite mobile che è sempre in rotazione poiché imbocca un pignone scorrevole lungo l'albero motore scanalato: tale satellite può essere posto in contatto con il gradino voluto mediante lo spostamento di una maniglia. Anche su questo tipo di cambio è possibile inserire un meccanismo di ritardo tra l'albero motore e l'albero di uscita per raddoppiare il numero di velocità; la notevole compattezza rende il cambio Norton molto usato dove sia necessario poter disporre di diverse velocità con limitate dimensioni d'ingombro. Il cambio a chiavetta mobile "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." è costituito da una serie di ruote dentate calettate sull'albero motore e da una serie di ruote dentate folli sull'albero secondario; queste vengono rese solidali all'albero spostando entro l'albero stesso, scanalato internamente, una chiavetta mossa dall'esterno. Questo cambio, molto semplice, si presta per la trasmissione di basse potenze poiché la scanalatura assiale indebolisce l'albero secondario. Nel cambio a treni scorrevoli, sull'albero motore scanalato ruotano sempre due o più manicotti, ciascuno con due ruote dentate di diametro diverso (treni) che possono impegnare successivamente una delle varie ruote calettate sull'albero intermedio (secondario), quando vengono fatti scorrere da adatte leve. Il cambio a innesti è costituito da un certo numero di ruote dentate di diametro diverso calettate sull'albero motore sempre in presa con le ruote condotte che sono folli sull'albero d'uscita (secondario). Con un adatto innesto, scorrevole sullo stesso albero di uscita e comandato da leva esterna, è possibile rendere solidale all'albero una qualunque delle ruote condotte; mediante un altro innesto è possibile scegliere la trasmissione diretta all'albero d'uscita o quella ritardata con l'interposizione dell'albero di ritardo. Inoltre è possibile la trasmissione in presa diretta tra albero motore e albero di uscita. Cambi di questo tipo sono normalmente usati per macchine utensili e operatrici e, in particolare, per autoveicoli. Per macchine in cui necessiti una vasta gamma di velocità si possono costruire cambi misti ottenuti dalla combinazione fra cambi a treni scorrevoli e cambi a innesti.

Cambio per veicoli: generalità e tipologia

Poiché durante la marcia su strada un veicolo a motore incontra resistenze molto variabili in modo discontinuo, mentre la potenza di un motore alternativo può essere utilizzata entro un limitato campo di velocità angolari, si rende necessaria l'adozione di un cambio il cui numero di rapporti di trasmissione sia compatibile con le esigenze di guida. Il cambio, dunque, ha il compito di variare il rapporto di trasmissione (definito come rapporto tra numero di giri delle ruote e quello dell'albero motore) in modo che il motore funzioni sempre al numero di giri ottimale. Di norma si usano cambi discontinui i cui rapporti (marce) variano in genere da tre a cinque; mediante un organo supplementare è possibile invertire il verso di rotazione dell'albero condotto (retromarcia). I veicoli pesanti utilizzano anche un riduttore (albero di riduzione recante un certo numero di ruote dentate) che consente di raddoppiare il numero di rapporti; tale soluzione viene adottata per alcune automobili, per esempio nelle fuoristrada. I rapporti di trasmissione sono teoricamente in progressione geometrica con ragione 2/3; in pratica ci si discosta da tali valori in quanto le dentature degli ingranaggi adottati non consentono di realizzare coppie che forniscano l'esatto rapporto e le coppie stesse sono maggiorate per consentire una migliore elasticità di prestazioni. Il tipo di cambio più usato è quello a innesti "Per il cambio di velocità vedi disegni al lemma del 5° volume." "Per il cambio di velocità vedi disegni pag. 247 del 5° volume." costituito essenzialmente da due alberi collegati rispettivamente con il motore e con il resto della trasmissione. Il primo, detto albero primario, è solidale con il disco condotto della frizione e tramite questa è sempre collegato con l'albero motore da cui riceve il moto; il secondo, detto albero secondario (o albero condotto o della trasmissione), è, invece, collegato al differenziale direttamente, tramite pignone, oppure indirettamente, tramite l'albero della trasmissione che è posto di norma allineato sul prolungamento dell'albero primario. Gli alberi portano ciascuno un numero di ingranaggi (calettati su essi) pari ai rapporti di trasmissione che si intendono realizzare; tali ingranaggi, a coppie, permettono il loro collegamento in modo che possa variare la loro velocità relativa a seconda della coppia impegnata. I tipi di cambi a innesti più diffusi sono quello con albero secondario e contralbero e quello con albero secondario di rinvio, entrambi con un numero di ingranaggi pari a 4 o 5 marce (6 nelle vetture a elevate prestazioni) e con un rapporto invertitore che permette di andare in retromarcia . Nel primo tipo, generalmente adottato nei veicoli a motore anteriore e trazione posteriore, l'albero primario (su cui è calettata una ruota dentata che viene ad assumere la medesima velocità angolare del motore e pertanto è detta “sempre in presa”) trasmette il moto a un contralbero che a sua volta lo trasmette all'albero secondario coassiale con il primario. Sul contralbero sono calettate tante ruote dentate quanti sono i rapporti; la prima di queste è sempre ingranata alla ruota dentata del primario, per cui il contralbero è sempre in rotazione anche nella posizione di folle. Sul secondario sono disposte, in folle, le ruote dentate delle varie marce esclusa quella con rapporto 1; queste ruote vengono collegate, secondo il rapporto prescelto, alle corrispondenti ruote del contralbero, mediante un innesto scorrevole sull'albero stesso (che è opportunamente scanalato); il bloccaggio di una ruota dentata del secondario fa ruotare anche l'albero condotto secondo la velocità angolare (marcia) prescelta; la marcia con rapporto 1, cioè con velocità angolare pari a quella dell'albero motore (di solito la quarta), si realizza collegando direttamente l'albero secondario, il cui estremo è sagomato in modo opportuno, con l'albero primario. Per ridurre l'attrito fra le ruote dentate e per facilitare l'ingranamento, si usano ruote a denti elicoidali nei quali la trasmissione del moto avviene per punti successivi. Nel secondo tipo di cambio, adottato nei veicoli con motore e trazione anteriore oppure entrambi posteriore, l'albero primario e quello secondario non sono sullo stesso asse e sono accoppiati tramite ingranaggi sempre in presa sul primario; il comando del cambio rende solidale con il secondario l'ingranaggio che viene impegnato sulla trasmissione lasciando folli gli altri. In entrambi i tipi di cambi l'inversione di moto della trasmissione (retromarcia) si realizza inserendo tra l'albero primario e quello secondario un alberino con un ingranaggio ozioso che inverte il senso di rotazione del secondario. Un notevole progresso nella manovra del cambio e nell'inserimento delle marce a qualsiasi velocità degli ingranaggi è dato dal sincronizzatore che interviene durante i cambi di marcia (cambio sincronizzato). Il tipo più semplice è schematicamente costituito da ingranaggi conici calettati su boccole scorrevoli sul secondario; quando si innesta una marcia, la leva del cambio sposta prima la boccola del sincronizzatore corrispondente che, bloccandosi sull'albero, lo costringe a ruotare alla stessa velocità dell'albero intermedio (o del primario); quando la leva del cambio fa bloccare la ruota dentata della marcia prescelta la ruota si porta di colpo alla velocità di regime per cui il suo collegamento con la corrispondente ruota del contralbero (o fra primario e secondario) avviene dolcemente senza “grattate”. La retromarcia si realizza collegando la ruota dentata (o un sistema di ruote dentate), calettata sull'alberino apposito, agli ingranaggi della prima (o seconda) marcia degli alberi secondario e ausiliario, il che provoca l'inversione del senso di rotazione.

Cambio per veicoli: scatola del cambio

Tutti gli organi suddetti si trovano entro un apposito contenitore a tenuta d'olio (scatola del cambio); gli alberi sono appoggiati entro idonei cuscinetti, detti di banco. Le varie marce vengono inserite agendo sugli innesti tramite forcelle comandate direttamente dalla leva del cambio, che aziona contemporaneamente, quando presenti, le boccole dei sincronizzatori; la leva può essere posta direttamente sulla scatola del cambio (nel cambio a cloche) oppure al volante (cambio al volante): in tal caso il comando viene effettuato tramite un sistema a leve, a tiranti oppure idraulico. La disposizione del cambio può essere monoblocco, ossia con la scatola e relativi ingranaggi rigidamente collegata, in uscita o in entrata, al motore, oppure al ponte. In questo secondo caso il cambio è direttamente collegato al differenziale e la trasmissione del moto dall'albero motore al primario avviene tramite il pignone conico; in questi cambi il comando è sempre a leve, tiranti o idraulico.

Cambio automatico

Per ridurre al minimo l'intervento del conducente si adottano, su alcune vetture, cambi automatici, che possono essere discontinui o continui. Nei tipi discontinui, quello a preselezione utilizza un sistema a rotismi epicicloidali che consente tre marce; l'innesto del o dei rapporti prescelti viene stabilito agendo sulla levetta di un organo di regolazione (preselettore). Tipico esempio di cambio a rotismi epicicloidali è il cambio Wilson "Per il disegno vedi pag. 247 del 5° volume." , "Per il disegno vedi il lemma del 5° volume." costituito da un blocco d'ingranaggi sempre in presa (planetari, satelliti, portasatelliti) racchiusi in corone dentate internamente sulle quali agiscono appositi freni a nastro o a frizione che determinano, bloccando una corona, l'inserimento del rapporto prescelto. Altro tipo di cambio automatico discontinuo è quello costituito da uno o due giunti idraulici accoppiati a due o tre rotismi epicicloidali che forniscono da 3 a 5 marce più retromarcia: le corone o i planetari dei rotismi vengono bloccati, a seconda del rapporto che deve entrare in funzione, da appositi freni a disco sensibili all'azione dei giunti idraulici, il cui riempimento e svuotamento dell'olio in essi contenuto è regolato, invece che da un preselettore, da un dispositivo sensibile al regime del motore e alle variazioni della farfalla del carburatore. Più efficienti sono da considerarsi i cambi automatici continui che utilizzano un convertitore di coppia: la pompa del convertitore è comandata dall'albero primario, sempre in presa, che a sua volta agisce sulla turbina collegata all'albero secondario; l'equilibrio fra momento della coppia resistente e momento della coppia motrice è assicurato da un distributore fisso, in base alla variazione di pressione indotta dalla forma delle sue palette. Un sistema a rotismi epicicloidali permette di adottare una serie di rapporti complementari per le basse velocità (meno di 60 km/h) e di inserire la retromarcia: il sistema è comandato da una seconda turbina anch'essa azionata dalla pompa e regolata da un distributore fisso; il funzionamento di tutto il cambio è regolato da un dispositivo analogo a quello dei cambi discontinui a giunti idraulici. Tutti questi cambi sono azionati direttamente dal pedale dell'acceleratore, che viene allo scopo spinto a fondo (kick-down). Uno speciale sistema di trasmissione a cinghie viene utilizzato per realizzare un particolare tipo di cambio automatico continuo in alcune vetture. I cambi automatici vengono montati anche su piccole vetture quali la Nissan Micra, che adotta un nuovo tipo di cambio automatico a variazione continua denominato CVT (Continuously Variable Transmission), il cui selettore ha cinque posizioni per altrettante marce; per questa soluzione è stato adottato un innesto motore-cambio di tipo elettromagnetico invece del tradizionale comando idraulico; un sensore collegato all'acceleratore consente partenze e manovre di parcheggio molto dolci; questo tipo di cambio automatico è fra i più diffusi per le vetture di piccole dimensioni. Un altro gruppo di piccole vetture, quali la Opel Corsa, adotta cambi automatici di concezione tradizionale, cioè con un convertitore di coppia idraulico a quattro rapporti, ma il cambio viene gestito mediante controllo elettronico programmato, che, oltre a permettere una guida sportiva, oppure normale (con semplice spostamento della leva del cambio), impedisce l'innesto involontario della retromarcia mentre le ruote girano o l'inserimento di un rapporto troppo corto rispetto alla potenza applicata all'albero motore. Più originale è il cambio adottato dalla RenaultTwingo Easy, anch'esso del tipo CVT: si tratta sostanzialmente di un cambio automatico senza frizione in quanto è del tutto servoassistito; schematicamente è caratterizzato da una notevole progressività, in quanto è praticamente costituito da due pulegge, una solidale al differenziale, l'altra all'albero motore, collegate tra loro da una cinghia metallica ad anelli; il cambio delle marce si ottiene grazie alla variazione di diametro delle due pulegge sulle cui gole fa presa la cinghia metallica; le pareti delle pulegge si avvicinano o si allontanano mediante la pressione di attuatori idraulici; una centralina elettronica riceve informazioni direttamente dal pedale dell'acceleratore, dal motore e dalla leva preselettrice del cambio valutando posizione e velocità di azionamento del pedale, numero di giri e coppia del motore e stabilisce in quale misura deve variare la distanza fra le pareti delle pulegge e quindi quali devono essere i rapporti (marce) ideali che, in linea teorica, possono essere infiniti. Un ulteriore progresso è quello introdotto dal cosiddetto cambio adattativo AGS (Adaptive Gearbox Shift). È un dispositivo che adegua continuamente l'innesto delle marce alle esigenze dell'automobilista e al suo stile di guida. Oltre a consentire la selezione del tipo di funzionamento preferito (solitamente tra economico o sportivo), un controllo elettronico adattativo di tipo continuo tiene in considerazione anche dati quali la rapidità del movimento del pedale dell'acceleratore, la sua posizione e la frequenza con cui si trova a fondo corsa o al minimo. Questi parametri vengono confrontati con altri, tra i quali velocità della vettura, marcia inserita, accelerazione longitudinale e trasversale, frequenza delle frenate, regime termico del motore. Il sistema consente per esempio di riconoscere se l'autovettura sta percorrendo una discesa nel qual caso provvede a scalare marcia automaticamente oppure se sta percorrendo una curva e in tal caso mantiene il rapporto del cambio anche se il guidatore solleva il piede dall'acceleratore, mentre un cambio automatico tradizionale passerebbe al rapporto superiore rischiando di compromettere l'assetto della vettura.Derivati dalle esperienze delle vetture di Formula 1, sono invece i cambi a controllo e azionamento totalmente elettronici: strutturalmente analoghi ai cambi automatici con convertitore di coppia sono privi di selettore, sostituito da una levetta posta sotto il volante per scalare le marce o per passare ai rapporti più elevati che possono arrivare a otto; basta un dito per azionare la levetta in quanto il selettore è comandato da una pompa con olio in pressione azionata dal cambio stesso; la gestione del sistema è svolta direttamente e in modo autonomo da una centralina elettronica che valuta la velocità della vettura, il regime del motore, il valore della coppia, la pressione sul pedale dell'acceleratore provvedendo a innestare la marcia più corretta; essa è persino in grado di tener conto dei desideri del pilota che, tramite un pulsante posto accanto alla levetta, può scegliere tra una marcia normale, una economica oppure una sportiva. Si tratta di cambi di tipo cosiddetto sequenziale in quanto i rapporti vengono innestati in sequenza l'uno dopo l'altro, senza che sia possibile passare per esempio dalla seconda alla quarta. Il sistema consente di ridurre il tempo delle cambiate da 300 millesimi di secondo (la migliore cambiata che un pilota può fare) a circa 150. Il cambio elettroattuato viene applicato anche a vetture di serie.

Cambio per motoveicoli

Il cambio usato nei motoveicoli e negli scooter è analogo a quello montato sulle autovetture: viene comandato a mano, tramite leve, con manopola posta sul manubrio, oppure a pedale, con interposizione di un selettore meccanico. Per le biciclette, la cui coppia motrice è molto bassa, si adottano invece cambi a ingranaggi calettati in cascata su un pignone solidale al mozzo della ruota motrice; il comando viene realizzato a mano, tramite leva che agisce (direttamente o mediante cavo flessibile) su una rotella che provoca il salto della catena da un ingranaggio all'altro.

Ferrovie

Nella trazione ferroviaria il cambio a ingranaggi e il cambio idraulico, impiegati nelle motrici Diesel, sono strutturalmente analoghi a quelli di tipo automobilistico.