Pedeorelha | Come funzionano le CVT

Yurii Mongol
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Foto per gentile concessione di Nissan Global
Motore Nissan HR15DE con Xtronic CVT. Vedere altre immagini di trasmissione.

Alcuni dicono che non puoi insegnare nuovi trucchi a un vecchio cane. Ma la trasmissione a variazione continua (CVT), che Leonardo da Vinci concettualizzò più di 500 anni fa e ora sta sostituendo le trasmissioni automatiche planetarie in alcune automobili, è un vecchio cane che ha sicuramente imparato alcuni nuovi trucchi. Infatti, sin da quando il primo brevetto CVT toroidale fu depositato nel 1886, la tecnologia è stata perfezionata e migliorata. Oggi, diverse case automobilistiche, tra cui General Motors, Audi, Honda e Nissan, stanno progettando le loro trasmissioni attorno ai CVT.

In questo articolo, esploreremo come funziona un CVT in una tipica auto a trazione posteriore, rispondendo a diverse domande lungo la strada:

Come si confronta un CVT con una trasmissione automatica planetaria convenzionale?
Quali parti ha e come funzionano quelle parti?
Quali vantaggi offrono i CVT rispetto alle trasmissioni automatiche convenzionali? E gli svantaggi?
Com'è l'esperienza di guida in un'auto con CVT?
Che tipo di marche e modelli incorporano le CVT?
Esistono altre applicazioni per CVT diverse dalle automobili?

Innanzitutto, vedremo come un CVT si confronta con una trasmissione automatica tradizionale.

Niente più ingranaggi
Una cronologia dell'innovazione CVT

1490 - da Vinci disegna una trasmissione a variazione continua continua
1886 - primo brevetto CVT toroidale depositato
1935 - Adiel Dodge riceve il brevetto statunitense per CVT toroidale
1939 - introduzione della trasmissione completamente automatica basata sul sistema di ingranaggi planetari
1958 - Daf (dei Paesi Bassi) produce una CVT in un'auto
1989 - Subaru Justy GL è la prima automobile di produzione venduta negli Stati Uniti a offrire un CVT
2002 - Saturn Vue con un CVT debutta; primo Saturno a offrire la tecnologia CVT
2004 - Ford inizia a offrire un CVT

-Se hai letto la struttura e la funzione delle trasmissioni automatiche in Come funzionano le trasmissioni automatiche, allora sai che il compito della trasmissione è cambiare il rapporto di velocità tra il motore e le ruote di un'automobile. In altre parole, senza una trasmissione, le auto avrebbero una sola marcia, quella che consentirebbe all'auto di viaggiare alla velocità massima desiderata. Immagina per un momento di guidare un'auto che aveva solo la prima marcia o un'auto che aveva solo la terza marcia. L'ex macchina accelererebbe bene da un arresto completo e sarebbe in grado di scalare una collina ripida, ma la sua velocità massima sarebbe limitata a pochi chilometri all'ora. Quest'ultima macchina, d'altra parte, volerebbe a 80 mph lungo l'autostrada, ma non avrebbe quasi nessuna accelerazione all'avvio e non sarebbe in grado di scalare le colline.

Quindi la trasmissione utilizza una gamma di marce, da bassa a alta, per utilizzare in modo più efficace la coppia del motore al variare delle condizioni di guida. Le marce possono essere innestate manualmente o automaticamente.

Foto per gentile concessione di DaimlerChrysler
Cambio automatico Mercedes-Benz CLK.

In una trasmissione automatica tradizionale, gli ingranaggi sono letteralmente ingranaggi: ruote dentate interbloccate che aiutano a trasmettere e modificare il movimento rotatorio e la coppia. Una combinazione di ingranaggi planetari crea tutti i diversi rapporti di trasmissione che la trasmissione può produrre, tipicamente quattro marce avanti e una retromarcia. Quando questo tipo di cambio passa attraverso le sue marce, il guidatore può avvertire sobbalzi a ogni marcia inserita.

Nozioni di base di CVT
A differenza delle trasmissioni automatiche tradizionali, le trasmissioni a variazione continua non hanno un cambio con un determinato numero di marce, il che significa che non hanno ruote dentate interbloccate. Il tipo più comune di CVT opera su un ingegnoso sistema di pulegge che consente una variabilità infinita tra le marce più alte e quelle più basse senza passaggi o turni discreti.

Foto per gentile concessione di Ford Motor Company
Motore Ford Freestyle Duratec con CVT

Se ti stai chiedendo perché la parola "marcia" appare ancora nella spiegazione di una CVT, ricorda che, in generale, una marcia si riferisce a una rapporto di velocità dell'albero motore alla velocità dell'albero di trasmissione. Sebbene i CVT cambino questo rapporto senza utilizzare una serie di ingranaggi planetari, sono comunque descritti come dotati di "marce" basse e alte per motivi di convenzione.

Successivamente, esamineremo i diversi tipi di CVT: a puleggia, toroidale e idrostatico.

Foto per gentile concessione di Nissan Global
CVT basato su puleggia

Osserva una trasmissione automatica planetaria e vedrai un mondo complesso di ingranaggi, freni, frizioni e dispositivi di governo. In confronto, una trasmissione a variazione continua è uno studio nella semplicità. La maggior parte dei CVT ha solo tre componenti di base:

Una cintura in metallo o gomma ad alta potenza
Una puleggia "motrice" a ingresso variabile
Una puleggia di uscita "condotta"

I CVT hanno anche vari microprocessori e sensori, ma i tre componenti sopra descritti sono gli elementi chiave che consentono alla tecnologia di funzionare.

Le pulegge a diametro variabile sono il cuore di un CVT. Ogni puleggia è composta da due coni di 20 gradi uno di fronte all'altro. Una cintura scorre nella scanalatura tra i due coni. Cinghie trapezoidali sono da preferire se la cintura è in gomma. Le cinghie trapezoidali prendono il nome dal fatto che le cinghie hanno una sezione trasversale a forma di V, che aumenta la presa per attrito della cinghia.

Quando i due coni della puleggia sono lontani (quando il diametro aumenta), la cinghia scorre più in basso nella scanalatura e il raggio del passante che gira intorno alla puleggia si riduce. Quando i coni sono vicini (quando il diametro diminuisce), la cinghia scorre più in alto nella scanalatura e il raggio del passante che gira intorno alla puleggia diventa più grande. I CVT possono utilizzare la pressione idraulica, la forza centrifuga o la tensione della molla per creare la forza necessaria per regolare le metà della puleggia.

Le pulegge a diametro variabile devono sempre venire in coppia. Una delle pulegge, nota come Puleggia di azionamento (o puleggia motrice), è collegato all'albero motore del motore. La puleggia motrice è anche chiamata puleggia di ingresso perché è dove l'energia del motore entra nella trasmissione. La seconda puleggia è chiamata puleggia condotta perché la prima puleggia la fa girare. Come un puleggia di uscita, la puleggia condotta trasferisce l'energia all'albero motore.

La distanza tra il centro delle pulegge e il punto in cui la cinghia fa contatto nella scanalatura è nota come raggio primitivo. Quando le pulegge sono molto distanti, la cinghia si abbassa e il raggio primitivo diminuisce. Quando le pulegge sono vicine tra loro, la cinghia scorre più in alto e il raggio primitivo aumenta. Il rapporto tra il raggio primitivo sulla puleggia motrice e il raggio primitivo sulla puleggia condotta determina l'ingranaggio.

Quando una puleggia aumenta il suo raggio, l'altra diminuisce il suo raggio per mantenere tesa la cinghia. Quando le due pulegge cambiano i loro raggi l'una rispetto all'altra, creano un numero infinito di rapporti di trasmissione, dal basso all'alto e tutto il resto. Ad esempio, quando il raggio del passo è piccolo sulla puleggia motrice e grande sulla puleggia condotta, la velocità di rotazione della puleggia condotta diminuisce, determinando un "ingranaggio" inferiore. Quando il raggio del passo è grande sulla puleggia motrice e piccolo sulla puleggia condotta, la velocità di rotazione della puleggia condotta aumenta, risultando in una "marcia" più alta. Quindi, in teoria, un CVT ha un numero infinito di "marce" che può attraversare in qualsiasi momento, a qualsiasi velocità del motore o del veicolo.

La semplicità e la natura continua dei CVT li rendono una trasmissione ideale per una varietà di macchine e dispositivi, non solo per le automobili. I CVT sono stati utilizzati per anni in utensili elettrici e trapani a colonna. Sono stati utilizzati anche in una varietà di veicoli, inclusi trattori, motoslitte e scooter. In tutte queste applicazioni, le trasmissioni hanno fatto affidamento su cinghie in gomma ad alta densità, che possono scivolare e allungarsi, riducendo così la loro efficienza.

L'introduzione di nuovi materiali rende i CVT ancora più affidabili ed efficienti. Uno dei progressi più importanti è stato la progettazione e lo sviluppo di cinghie metalliche per collegare le pulegge. Queste cinghie flessibili sono composte da diverse (tipicamente nove o 12) sottili bande di acciaio che tengono insieme pezzi di metallo ad alta resistenza a forma di papillon.

Design della cintura in metallo

Le cinture di metallo non scivolano e sono altamente durevole, consentendo ai CVT di gestire più coppia del motore. Sono anche più tranquillo rispetto ai CVT azionati da cinghia di gomma.

Un'altra versione del CVT - il sistema CVT toroidale - sostituisce le cinghie e le pulegge con dischi e rulli di potere.

Foto per gentile concessione di Nissan Global
CVT toroidale Nissan Extroid

Sebbene un tale sistema sembri drasticamente diverso, tutti i componenti sono analoghi a un sistema a cinghia e puleggia e portano agli stessi risultati: una trasmissione a variazione continua. Ecco come funziona:

Un disco si collega al motore. Questo è equivalente alla puleggia motrice.
Un altro disco si collega all'albero motore. Questo è equivalente alla puleggia condotta.
I rulli, o ruote, posti tra i dischi agiscono come la cinghia, trasmettendo potenza da un disco all'altro.

Le ruote possono ruotare lungo due assi. Girano attorno all'asse orizzontale e si inclinano verso l'interno o l'esterno attorno all'asse verticale, il che consente alle ruote di toccare i dischi in diverse aree. Quando le ruote sono a contatto con il disco conduttore vicino al centro, devono entrare in contatto con il disco condotto vicino al cerchio, determinando una riduzione della velocità e un aumento della coppia (cioè, marcia bassa). Quando le ruote toccano il disco conduttore vicino al cerchio, devono entrare in contatto con il disco condotto vicino al centro, determinando un aumento della velocità e una diminuzione della coppia (cioè, marcia overdrive). Una semplice inclinazione delle ruote, quindi, modifica in modo incrementale il rapporto di trasmissione, fornendo cambi di rapporto fluidi e quasi istantanei.

Sia il CVT a puleggia e cinghia trapezoidale che il CVT toroidale sono esempi di CVT ad attrito, che funzionano variando il raggio del punto di contatto tra due oggetti rotanti. Esiste un altro tipo di CVT, noto come CVT idrostatico, che utilizza pompe a cilindrata variabile per variare il flusso del fluido nei motori idrostatici. In questo tipo di trasmissione, il moto rotatorio del motore aziona una pompa idrostatica sul lato motore. La pompa converte il movimento rotatorio in flusso di fluido. Quindi, con un motore idrostatico situato sul lato condotto, il flusso del fluido viene riconvertito in movimento rotatorio.

Spesso, una trasmissione idrostatica è combinata con a riduttore epicicloidale e frizioni per creare un sistema ibrido noto come trasmissione idromeccanica. Le trasmissioni idromeccaniche trasferiscono la potenza dal motore alle ruote in tre diverse modalità. A bassa velocità, la potenza viene trasmessa idraulicamente e ad alta velocità, la potenza viene trasmessa meccanicamente. Tra questi estremi, la trasmissione utilizza mezzi idraulici e meccanici per trasferire la potenza. Le trasmissioni idromeccaniche sono ideali per applicazioni pesanti, motivo per cui sono comuni nei trattori agricoli e nei veicoli fuoristrada.

Vantaggi CVT

Le trasmissioni a variazione continua stanno diventando più popolari per una buona ragione. Vantano diversi vantaggi che li rendono attraenti sia per i conducenti che per gli ambientalisti. La tabella seguente descrive alcune delle principali caratteristiche e vantaggi delle CVT.

Vantaggi delle CVT
caratteristica	Beneficio
Accelerazione costante e continua da un arresto completo alla velocità di crociera	Elimina lo "shock del cambio" - rende la guida più fluida
Funziona per mantenere l'auto nella sua gamma di potenza ottimale indipendentemente dalla velocità con cui l'auto sta viaggiando	Efficienza del carburante migliorata
Risponde meglio alle mutevoli condizioni, come i cambiamenti di accelerazione e velocità	Elimina la caccia agli ingranaggi quando un'auto decelera, soprattutto in salita
Minore perdita di potenza in un CVT rispetto a una tipica trasmissione automatica	Migliore accelerazione
Migliore controllo della gamma di velocità di un motore a benzina	Migliore controllo sulle emissioni
Può incorporare versioni automatizzate di frizioni meccaniche	Sostituire i convertitori di coppia del fluido inefficienti

Nella prossima sezione vedremo com'è guidare un'auto basata su CVT.

Le auto con CVT sono comuni in Europa da anni. Ma ci è voluto un po 'prima che la tecnologia prendesse piede negli Stati Uniti. La prima automobile di serie a offrire un CVT negli Stati Uniti è stata la Subaru Justy.

Foto per gentile concessione di Subaru France
Subaru Justy

Venduta tra il 1989 e il 1993, la Justy non ha mai attirato l'attenzione dei piloti americani. Quindi cosa c'è di diverso nelle nuove auto basate su CVT: auto come Saturn Vue, Audi A4 e A6, Nissan Murano e Honda Insight? Il modo migliore per rispondere a questa domanda è portare una di queste auto per un "giro di prova". L'animazione di seguito, che confronta l'accelerazione di un'auto con CVT con una senza, ti dà una buona sensazione per l'esperienza.

Quando si preme il pedale del gas di un'auto con cambio a variazione continua, si nota immediatamente la differenza. Il motore sale di giri verso il regime a cui produce più potenza e poi rimane lì. Ma l'auto non reagisce immediatamente. Poi, un attimo dopo, la trasmissione entra in funzione, accelerando l'auto lentamente, in modo costante e senza alcun cambio. In teoria, un'auto con un CVT dovrebbe raggiungere 60 mph (100 km / h) il 25 percento più veloce della stessa auto con lo stesso motore e una trasmissione manuale [rif]. Questo perché il CVT converte ogni punto sulla curva operativa del motore in un punto corrispondente sulla propria curva operativa.

Se guardi la curva di potenza in uscita per l'auto senza CVT, puoi vedere che è vero. Si noti che il contagiri in questa situazione mostra il motore che gira su e giù ad ogni cambio di marcia, che viene registrato come un picco nella curva di potenza (e che il guidatore sente come una scossa).

I CVT sono ugualmente efficienti sulle colline. Non c'è "cambio di marcia", perché il CVT scorre in modo continuo fino a un rapporto di trasmissione appropriato per le condizioni di guida. Una trasmissione automatica convenzionale cambia avanti e indietro cercando di trovare la marcia giusta, che è molto meno efficiente.

Con tutti i loro vantaggi, le CVT hanno alcuni difetti. Negli Stati Uniti, stanno ancora cercando di superare un problema di immagine. La Subaru Justy, ad esempio, era conosciuta come una micro-macchina senza budella. Tradizionalmente, i CVT con trasmissione a cinghia erano limitati nella quantità di coppia che potevano gestire ed erano più grandi e più pesanti delle loro controparti automatiche e manuali. I progressi tecnologici hanno messo i CVT nel regno della concorrenza: il CVT di Nissan Murano può gestire il suo motore V6 da 3,5 litri e 245 cavalli, ma le prime impressioni sono difficili da superare.

Per ulteriori informazioni sulle trasmissioni a variazione continua e sugli argomenti correlati, controllare i collegamenti nella pagina successiva.