Cambi per macchine movimento terra ad alta velocità tipo Grader o veicoli forestali o pale militari ve ne sono già e sono cambi di tipo Power-Shift (cambio marcia senza interruzione di potenza) a 6 o 8 velocità dotati di convertitore di coppia per il lavoro in transitorio a bassa velocità. Ci si può domandare se siano la soluzione ideale ma allora bisogna ben definire la missione di questi veicoli: - Lavoro a bassa velocità (2-20 km/h): la trasmissione del moto deve essere continua ed automatica sia in marcia avanti che in marcia indietro per continui transitori. La resa di potenza è molto più importante dell’efficienza. - Marcia ad alta velocità (20-70 km/h): la trasmissione può accettare gradini perché durante la marcia vi possono essere diversi livelli di velocità-potenza richiesta ed in questo caso l’efficienza totale deve essere più elevata. Il tradizionale cambio Power-Shift delle ditte ZF o Dana a 6 velocità soddisfa abbastanza bene le richieste con salti marcia massimi di circa 1,8:1 e possibili velocità massime di riferimento del tipo: 70 – 40 – 25 – 15 – 8 – 5 km/h (valori arrotondati), tuttavia l’uso del convertitore di coppia in ogni marcia non è del tutto conveniente e spesso lo si esclude ponendo una frizione di presa diretta (in inglese detta di Lock-Up) che agisca almeno sulle marce alte escludendo il convertitore di coppia e le relative perdite di potenza, il che però aumenta complessità e costi totali. Alle basse velocità poi l’alternativa con componenti idrostatici è imbattibile per la facilità di controllo della velocità, pure nei suoi limiti di costo e della massima possibile conversione di coppia dalla minima alla massima velocità.

Si potrebbe quindi pensare di inventare un nuovo tipo di cambio che usi componentistica idrostatica per le basse velocità e cambi a gradini automatizzati per le alte. Anche limitando l’uso dei componenti idrostatici per velocità da 0 a 20 km/h, a causa delle alte potenze coinvolte non si possono usare solo il rapporto totale di conversione di pompa più motore idrostatici (circa 10 volte da 2 a 20 km/h nei due sensi) perché o non esistono componenti così grandi o sono di costo proibitivo per cui l’uso di un cambio con un rapporto di conversione di circa 5 (da 1:1 a 5:1) a valle del gruppo pompa-motore idrostatico ne limiterebbe grandemente la conversione richiesta (a circa 2) riducendo grandemente costi e dimensioni delle componenti idrostatiche. Per un uso completamente automatico sono però necessarie alcune marce ed il cambio di velocità deve essere sempre fatto fra due frizioni agendo sulla regolazione delle componenti idrostatiche (una specie di doppietta durante il cambio marcia come già espresso da un mio brevetto in una precedente esposizione sull’argomento). Per le alte velocità (20 – 70 km/h) per una migliore efficienza, non essendoci necessità di spunti, si può pensare ad un cambio meccanico a sincronizzatori e per automatizzarlo la soluzione migliore per costi e complessità è quella con doppia frizione all’ingresso: marce pari su un contralbero e dispari su di un altro; con un salto marce massimo di circa 1,5:1 quattro marce sarebbero sufficienti (velocità massime di riferimento 67,5 – 45 – 30 – 20 km/h), rapporto di conversione richiesto circa 3,4. Dovendo utilizzare un cambio automatizzabile a doppia frizione per le alte velocità sembra ovvio cercare di poterlo usare anche per le basse ma qui la richiesta di apertura è maggiore e pari a 5.

Di conseguenza si potrebbe utilizzare un cambio a doppia frizione a sei marce che porterebbe ai seguenti risultati: Rapporti del cambio: 1 1,5 2,25 3,375 5,06 7,6 Velocità in idrostatica (30) (20) (13,3) (8,9) (5,9) (4) (2) Velocità in diretta 67,5 45 30 20 13,3 8,9 Velocità albero uscita 2750 1833 1222 814 543 362 (81,4) [RPM] Nello schema proposto si è indicato in grassetto le marce pari ed in normale le dispari per far facilmente notare che per passare da 20 km/h in marcia idrostatica a 30 km/h in diretta (o da 30 a 45) si cambiano le frizioni in ingresso e quindi il passaggio marcia è realmente con trasmissione di potenza tipo Power-shift. Ovviamente i due motori (termico ed idrostatico) devono essere connessi con le due frizioni di cambio marcia con rapporti diversi ed adattabili ai regimi massimi dei singoli motori ed attraverso due frizioni che ne permettano l’uso selettivo. In totale il cambio sarà dotato di 4 frizioni (1 per motore termico – 2 per motore idrostatico – 3 per marce pari – 4 per marce dispari), sei sincronizzatori singoli (permettono un comando forcella semplificato del tipo on-off) e da un certo numero di alberi a seconda della configurazione scelta per il cambio. Per una migliore esposizione si è scelto di fare un semplice calcolo con un motore idrostatico da 160 cc di cilindrata con regolazione di 1,68 (da 160 cc a 95,2 cc) e velocità massima di 4500 rpm (con cilindrata minore di 107 cc la velocità massima ammissibile dal costruttore Rexroth Hydromatic è di 4500 rpm) che è la massima dimensione di questa tipologia di motori idrostatici con costi ancora accettabili e, conoscendo anche il regime massimo del motore termico di 2000 rpm, restano così definiti i regimi di entrata ed uscita e sono quindi calcolabili i singoli rapporti fra gli ingranaggi del cambio ed il loro possibile numero di denti, essi pure a puro titolo di esempio. Per verificare la massima applicazione possibile con questo nuovo schema di cambio se ne è ipotizzato l’uso su di una pala caricatrice con un volume benna da 7,5 m3, peso a vuoto di 41.000 kg, Motore Diesel da 350 kW a 2000 rpm e ruote con raggio di rotolamento da 0,92 m (Valori medi non necessariamente esistenti sul mercato). La pompa idrostatica scelta è stata quella da 180 cc che è posta in surmoltiplica rispetto al motore Diesel in modo che possa girare al suo massimo regime (2500 rpm). A causa degli ingranaggi e dell’assorbimento degli ausiliari si è ipotizzato un rendimento dell’88%, ottenendo in tal modo che la potenza entrante nella pompa fosse 308 kW a 2500 rpm. In cilindrata minima (158 cc) questa potenza genera nel fluido idrostatico una pressione di circa 420 bar ed una portata di 394 litri al minuto. Quando la pompa torna in cilindrata massima questi valori saranno all’incirca 372 bar e 450 litri per minuto. Il motore idrostatico durante l’intera regolazione fornirà una coppia da 99 a 47 daNm da 2.200 a circa 4.500 rpm mentre la velocità del veicolo passerà da 2 a 4 km/h ipotizzando ragionevoli rapporti al cambio ed al ponte.

PUNTI DI FUNZIONAMENTO DI UNA TRASMISSIONE IDROSTATICA

CON MOTORE TERMICO A MASSIMA POTENZA CONTINUATIVA

Volume Benna [m3] 7,5 Peso Spec. 1800 Massa [kg] 41000

Potenza max Motore [kW] 350,00 rpm max Motore 2000

Massa tot

[kg] 54500

Rapporto Motore-Pompe 0,800 rpm Pompe 2500 R. Ruote [m] 0,92

Per assorbimento Ausiliari 88% kW alle Pompe 308,00 Tiro su Peso 86%

A B C Portata [kg] 13500

N° Pompe (Hy. St.) 1 1 1

Volume al giro max [cc] 180 180 180

Volume al giro tot [cc] 180 180 180

Rapp. di conversione Rp 1,14 1,00 1,00

Volume al giro attuale [cc] 158 180 180

Portata [Litri/mim] 393,4 448,9 448,9

Pressione [bar] 420 372 372

Motore (Hy.St.) [cc] max 160 160 160

Volume al giro attuale [cc] 160 160 95,20

Rapp. di conversione Rm 1,00 1,00 1,68

rpm Motore (Hy. St.) 2213 2525 4499

daNm Motore (Hy. St.) 99,0 87,8 47,0

kW Motore (Hy. St.) 229,68 232,22 221,50

Rapporto Ponte 14,000 14,000 14,000

Eta per cambio e ponte 85% 85% 85%

Potenza alle ruote [kW] 195,22 197,39 188,28

Rapporto Cambio 1^ Vel 27,400 27,400 27,400

Tiro del Veicolo [daN] 35096 31100 16649

Velocità del Veicolo[km/h] 2,00 2,28 4,07

10 = asfalto; 20 =Sterrato 20,00 20,00 20,00

Pendenza superabile [%] 80,98% 66,68% 29,93%

Potenza rstnt. (Rot+%; kW) 195,22 197,39 188,28

Pertanto componenti idrostatici commerciali sarebbero in grado di gestire fino a 350 kW di potenza con questo tipo di cambio regolando la velocità in automatico da 2 a 4 km/h e potendo utilizzare un cambio a doppia frizione a valle da 6 velocità il veicolo potrebbe contare sulla trazione idrostatica da 0 a 30 km/h in ambo le direzioni. Per la marcia a velocità superiori ove il rendimento totale è importante e l’uso di componenti idraulici non necessario il cambio marcia avverrebbe fra 4 frizioni ma normalmente prima si passerebbe dalla marcia pari alla dispari e poi dalla marcia idrostatica alla meccanica riducendo il regime del motore diesel da 2000 rpm a circa 1330 rpm come nei normali cambi meccanici. Se particolari necessità richiedessero lunghi regimi costanti in forti pendenze e carichi, le 6 marce meccaniche potrebbero comunque essere utilizzate senza difficoltà.

Si allega uno schema possibile per un tale tipo di cambio avvertendo che molte potrebbero essere le varianti ma tutte legate al fatto che il cambio base automatizzabile possa essere selettivamente collegato in ingresso o col motore Diesel ad alta velocità o col motore idrostatico a basse velocità. Per aumentare la potenza trasmissibile si potrebbero utilizzare sia motori che pompe idrostatiche in tandem e conseguentemente più piccole e veloci ma i costi aumenterebbero e non vedo come possa essere utile un cambio oltre i 350 kW di potenza motore in ingresso. Nello schema allegato si sono voluti indicare anche dei possibili numeri di denti degli ingranaggi al solo scopo di confermarne una prima fattibilità: la somma denti normalmente utilizzata è intorno a 65.

Rapporti del cambio: 1 1,5 2,25 3,375 5,06 7,6 Velocità in idrostatica (30,2) (20,3) (13,4) (9) (5,9) (4) (2) Velocità in diretta 66,3 44,5 29,4 19,7 13 8,8 Velocità albero uscita 2717 1825 1204 809 537 361 (82) [RPM]

Al di la di una generica fattibilità occorre esaminare alcuni problemi che si evidenziano in questo tipo di cambio: 1) velocità nella frizione di presa diretta (Lock-Up) aperta quando il motore Diesel è al massimo regime (2000 rpm) e risulta chiusa la frizione del motore idrostatico in massima velocità (4500 rpm) in retro marcia – (4035+1781)= 5816 rpm. La velocità è notevole ma ancora nei limiti massimi ammissibili. 2) velocità nelle frizioni di Hi-Lo: dato che il salto marcia è di circa 1,5:1 non sono mai un problema. 3) sincronizzatori sugli alberi Delta ed Epsilon: dato che il salto marcia è elevato (2,25:1) devono essere di grande diametro, eventualmente a doppio cono sincronizzante, del tipo di quelli della prima marcia dei cambi meccanici sincronizzati degli autocarri più grossi. Se non fosse possibile metterli a punto si dovrebbero sostituire con tre frizioni per ogni contralbero aumentando però notevolmente il costo totale. 4) ll penultimo albero Zeta alla massima velocità veicolare (66 km/h) gira a circa 5.000 rpm il che non è poco ed è quindi necessario porre un innesto sganciabile sull’ingranaggio maggiore per evitare effetti di surmoltipliche dato l’alto rapporto (2,7:1). Anche il successivo ingranaggio opera un più lieve surmoltiplica (1,2) portando gli ingranaggi di 29 denti ad una velocità di circa 6.000 rpm molto elevata ma entro i massimi limiti ammissibili (per evitare fischi fastidiosi si potrebbero rettificare gli ingranaggi coinvolti). Lo schema proposto è stato evidentemente portato alla massima applicazione possibile solo per evidenziarne le possibilità d’uso: penso che nessuno si sogni di applicarlo ad una pala caricatrice da 350 kW. Tuttavia per applicazioni meno estreme con utilizzo dello stesso motore idrostatico da 160 cc ma con potenza del motore Diesel inferiore si potrebbe pensare di utilizzare un rapporto di conversione totale in idrostatica di 3 invece che 2 ed allora sarebbe anche possibile usare un cambio a due frizioni in ingresso a 4 velocità semplificando di molto il sistema: Rapporti del cambio: 1 1,5 2,25 3,375 Velocità in idrostatica (20) (13,3) (8,9) (5,9) (2) Velocità in diretta -- 67,5 45 30 Velocità albero uscita -- 2750 1833 1222 (81,4) [RPM] In questo caso l’ultima marcia in presa diretta non potrebbe essere utilizzata perché troppo veloce ( la velocità di 100 km/h corrispondenti non sembra realistica se non per speciali applicazioni militari, nel qual caso per ridurre la velocità massima degli alberi cardanici occorrerebbe usare come rapporto finale quello della versione precedente) anche perché per poter passare in power-shift da idrostatica a 20 km/h a presa diretta a 30 km/h occorre passare dalla frizione di Hi a quella di Lo… Tuttavia questo non sembra essere una grave limitazione.

La potenza trasmissibile dagli stessi componenti idrostatici passa però da 350 kW a 245 kW applicabili ad una pala caricatrice da 28.000 kg di peso e circa 5,25 m3 di benna (valori medi). PUNTI DI FUNZIONAMENTO DI UNA TRASMISSIONE IDROSTATICA

CON MOTORE TERMICO A MASSIMA POTENZA CONTINUATIVA

Volume Benna [m3] 5,25 Peso Spec. 1800 Massa [kg] 28000

Potenza max Motore [kW] 245,00 rpm max Motore 2000

Massa tot

[kg] 37450

Rapporto Motore-Pompe 0,800 rpm Pompe 2500 R. Ruote [m] 0,83

Per assorbimento Ausiliari 88% kW alle Pompe 215,60 Tiro su Peso 84%

A B C Portata [kg] 9450

N° Pompe (Hy. St.) 1 1 1

Volume al giro max [cc] 180 180 180

Volume al giro tot [cc] 180 180 180

Rapp. di conversione Rp 1,67 1,00 1,00

Volume al giro attuale [cc] 107,7 180 180

Portata [Litri/mim] 264,7 448,9 448,9

Pressione [bar] 420 261 261

Motore (Hy.St.) [cc] max 160 160 160

Volume al giro attuale [cc] 160 160 95,20

Rapp. di conversione Rm 1,00 1,00 1,68

rpm Motore (Hy. St.) 1489 2525 4499

daNm Motore (Hy. St.) 98,9 61,4 32,9

kW Motore (Hy. St.) 154,39 162,56 155,05

Rapporto Ponte 12,400 12,400 12,400

Eta per cambio e ponte 85% 85% 85%

Potenza alle ruote [kW] 131,23 138,17 131,79

Rapporto Cambio 1^ Vel 18,800 18,800 18,800

Tiro del Veicolo [daN] 23614 14665 7851

Velocità del Veicolo[km/h] 2,00 3,39 6,04

10 = asfalto; 20 =Sterrato 20,00 20,00 20,00

Pendenza superabile [%] 78,13% 40,27% 19,38%

Potenza rstnt. (Rot+%; kW) 131,23 138,17 131,78

I regimi e le velocità sarebbero i seguenti con lo schema di trasmissione in seguito allegato Rapporti del cambio: 1 1,5 2,25 3,375 Velocità in idrostatica (20,2) (13,5) (9) (6) (2) Velocità in diretta -- 67,1 44,5 29,75 Velocità albero uscita -- 2684 1771 1190 (80) [RPM]

Tecnicamente dunque si potrebbero sostituire i tradizionali cambi Power-shift a 6 velocità con convertitore di coppia e frizione di Lock-Up con un sistema idrostatico (pompa + motore + ausiliari) ed un cambio a due frizioni in ingresso a 4 velocità, tuttavia, a meno di trovare Clienti che ne ordinino grandi quantitativi, il costo del nuovo cambio non sarebbe di molto inferiore a quello del tradizionale cambio Power-shift ed a questo occorrerebbe aggiungere i costi dei componenti idrostatici portando il tutto a condizioni non molto economicamente vantaggiose. COPYRIGHT Alberto Brambilla – Settembre 2011