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8/17/2019 Già copiato, leggere e eliminare.pdf

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Il cambio meccanico nei veicoli a due ruotedi Alessandro Terranova

Responsabile FMEA - GETRAG di Bari

Da sempre il cambio meccanico è visto come l'espressione più pura del concetto di meccanica. Quell'insieme di ruote dentate ed alberi in grado di

regalare sensazioni uniche agli amanti della guida, lo rendono sicuramente uno dei dispositivi che, più di qualsiasi altro, può esaltare o meno lecaratteristiche di un propulsore.Lo dimostra il fatto che le grandi case motociclistiche ed automobilistiche investono parecchio delle loro risorse nello studio di questo dispositivo,perché coscienti del contributo che una corretta applicazione di questo componente conferisce al successo commerciale di un veicolo.Ma quanti di noi sanno effettivamente qual è il suo scopo e come funziona?Prima di entrare nello specifico, occorre spiegare la necessità dell'esistenza di un dispositivo così complesso ma proprio per questo cosìaffascinante. Sicuramente chi non è più giovane, ricorderà la differenza che esisteva, in termini di sensazione di guida, fra un ciclomotore modello"SI" o "CIAO" ed una "VESPA". Ebbene i due mezzi erano caratterizzati da due soluzioni tecniche differenti: nei primi il cuore della trasmissioneera costituito da un dispositivo detto frizione centrifuga, il quale trasferiva alla ruota una coppia (o momento torcente) proporzionale al numero digiri del motore. Nel secondo invece veniva utilizzato un vero e proprio cambio meccanico, costituito da quattro rapporti azionabili tramite uncomando manuale da parte del conducente. A questo punto si ricorderà come le partenze da fermo effettuate con una "VESPA" erano sicuramentepiù entusiasmanti di quelle effettuate con qualsiasi altro ciclomotore.Da questo breve esempio s'intuisce come il principio, sul quale si basa il funzionamento del cambio, è quello di modificare istante per istante laspinta del veicolo, al variare del carico che agisce sul medesimo (pilota, carburante, bagagli), della pendenza della sede stradale, della resistenzaaerodinamica ecc.

Le curve di coppia e di potenza.

A grandi linee pertanto, il cambio serve ad adeguare la velocità di rotazione dell'albero motore a quella della ruota motrice; può quindi in qualchemodo essere visto come un moltiplicatore di coppia. Ossia un dispositivo che deve fornire una maggiore "forza di spinta" là dove la potenza delmotore è insufficiente all'avanzamento del veicolo.La presenza di tale dispositivo quindi è legata all'andamento della curva di coppia del motore, in particolare al valore assoluto della coppia fornitaai vari regimi di rotazione del motore stesso. Ma in cosa consiste la curva di coppia?Incominciamo a dire che con il termine di coppia s'intende il momento torcente che l'albero può trasmettere. Infatti, ogni volta che il pistone riceveuna spinta a causa dell'esplosione della miscela di aria e benzina, esso esercita sull'albero una forza che moltiplicata per il "braccio di manovella"(indicato con A) genera una coppia.

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Braccio di manovella (rosso) e e Curve caratteristiche in un propulsore.

La curva di coppia così, come quella di potenza e dei consumi, viene ottenuta sperimentalmente attraverso un rilevamento al banco. In particolarequella di coppia si realizza sperimentalmente frenando un motore, tramite dispositivi frenanti elettrici o idraulici.La curva che si ottiene, viene quindi raffigurata su di un sistema ad assi cartesiani, sul quale lungo l'asse X si riporta il numero di giri dell'alberomotore, e sull'asse Y, il momento torcente espresso in Nm o kgm.Come si può notare dal grafico, nella prima fase la curva cresce in modo rapido all'aumentare del numero di giri, sino ad arrivare ad un punto dimassimo assoluto. Questo punto definisce lungo l'asse delle Y il valore di coppia massima. In tale punto il motore viaggia ad un numero di giri incorrispondenza del quale la massa di fluido, entrante nella camera di combustione, viene utilizzata dal motore in modo totale raggiungendopertanto, a quel numero di giri, il rendimento massimo possibile per ogni ciclo. Ovviamente, superato il punto di coppia massima, l'andamentodella curva diventa decrescente perché il rendimento caratteristico di ogni ciclo di lavoro diminuisce.Ricordiamoci però che la coppia motrice effettiva (ossia quella rilevabile alla ruota) è diversa da quella indicata (ossia quella che virtualmente si

avrebbe all'albero motore).Infatti, le due grandezze sono legate fra loro dalla seguente espressione:

Cm(effettiva) = Cm(indicata) × m

dove m; è il rendimento meccanico del motore, ossia un coefficiente numerico che tiene conto delle perdite meccaniche e varia al variare delnumero di giri.Ma oltre al rendimento meccanico bisogna considerare il rendimento volumetrico Il valore massimo della coppia effettiva viene pertanto raggiuntoa quel regime di rotazione per il quale risulta massimo il prodotto del rendimento volumetrico v per il rendimento termico t per il rendimentomeccanico m.Altra curva che occorre spiegare, per meglio comprendere il funzionamento del cambio, è quella della potenza. Noi tutti sappiamo che per averepiù potenza dal nostro veicolo, occorre dare più "GAS" ossia occorre fornire al propulsore più energia (sotto forma di carburante) in modo daaumentare il numero di cicli che si compiono nell'unità di tempo e di conseguenza il numero di giri del motore stesso. Questo risulta evidente dallaseguente relazione:

P(indicata) = C(indicata) × × 10-3 (KW)

Infatti, all'aumentare di aumenta la potenza, se supponiamo la coppia costante. E' evidente quindi come l'andamento della curva di potenza equello della curva di coppia, siano in stretta relazione fra loro. Osservando il grafico, infatti, si nota come la curva di potenza presenta unandamento crescente e caratterizzato da una forte pendenza; questo andamento così caratteristico è dovuto al fatto che, nel tratto iniziale, anchela curva di coppia sale con una certa rapidità.Superato il valore di coppia massima, la potenza continua tuttavia ancora a crescere in quanto, l'aumento del numero di giri è preponderanterispetto alla diminuzione del valore della coppia. La parte tratteggiata della curva della potenza, nella pratica comune, non è mai rilevata inquanto durante la prova potrebbe venire meno la resistenza del motore.Il propulsore, infatti, normalmente è progettato e proporzionato in modo tale da poter sopportare solo per pochi attimi regimi di rotazione moltoelevati (vedi punto D sul grafico). Nel punto B, invece, si è in corrispondenza del minimo regime d'utilizzazione. Durante la marcia al minimo, leresistenze meccaniche assorbono tutta la potenza sviluppata dal fluido attivo: al di sotto di tale regime, il funzionamento del motore diventairregolare a causa sia dell'alimentazione imperfetta (causata dalla velocità del fluido e dalle dimensioni dei condotti all'interno dei quali si muove),e dalla irregolarità della coppia motrice dando così luogo a fenomeni di mal funzionamento.Dall'analisi di queste due curve si capisce come, proprio perché il loro andamento non è regolare ma varia sensibilmente al variare del numero digiri, i motori motociclistici sono in grado di fornire una coppia considerevole solo quando il motore ruota ad un regime piuttosto elevato. Eccoquindi che il cambio meccanico permette di ricercare il miglior compromesso fra le resistenze in gioco e la velocità di avanzamento.Il cuore dellatrasmissione:

il cambio

Lo scopo quindi del cambio è quello di modificare, in virtù delle necessità, il rapporto di trasmissione fra il propulsore e le ruote, in modo che adogni numero di giri del motore corrisponda un diverso numero di giri delle ruote.Ecco quindi che si delinea il concetto di rapporto di trasmissione. In generale due ruote dentate ingrananti fra loro sono caratterizzate da un valorenumerico detto, rapporto di trasmissione. Tale coefficiente può scaturire in generale dal rapporto che esiste fra le singole grandezze di seguitodefinite:Il numero di denti delle due ruoteI diametri delle due ruote.· Le velocità angolari con le quali ruotano le due ruote. Nelle due ruote in questione, si individuano la ruota conduttrice e la ruota condotta. Ingenerale si avrà una riduzione, se la ruota conduttrice presenta un numero di denti o un diametro più piccolo della ruota condotta, una moltiplicase accade il contrario. In generale tale rapporto è identificato con il termine

I riduttori generano numeri inferiori all'unità.Una tacita convenzione adottata dai costruttori prevede di identificarlo proprio con il suo opposto

ed è per questo che spesso le case costruttrici riportano dei valori superiori all'unità a identificazione delle "marce" adottate.Gli ingranaggi meccanici quindi possono essere visti come dei moltiplicatori di coppia. Se si prende ad esempio un ingranaggio dotato di 10 dentiche trasmette il moto ad un ingranaggio con 20 denti, si avrà nel passaggio dal primo al secondo un dimezzamento della velocità ed un raddoppiodella coppia trasmessa. Questo scaturisce dalla relazione:


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C1 × 1 = C2 × 2

dove i termini che figurano hanno il seguente significatoC1 = coppia ruota motrice ;C2 = coppia ruota condotta1 =velocità angolare ruota motrice2 = velocità angolare ruota condottav1 =velocità lineare ruota motricev2 = velocità. lineare ruota condottaR1 = raggio ruota motrice ;R2 = raggio ruota condottaper cui :

Pertanto quando il cambio del motociclo ha il primo rapporto inserito, il motore girerà ad un regime elevato, mentre la velocità di rotazione dellaruota posteriore sarà assai ridotta. Quindi, la coppia su di essa agente sarà molto elevata. Di qui la possibilità con le cosiddette "marce basse" disuperare salite assai ripide e di effettuare brusche accelerazioni.Si può quindi affermare che, con il motore funzionante ad un determinato regime di rotazione, il lavoro effettuato dalla ruota posteriore nell'unitàdi tempo è sempre lo stesso qualunque sia il rapporto inserito. Mentre però nelle "marce basse" la ruota motrice si muove lentamente matrasmette una coppia elevata, nelle "marce alte" al contrario la ruota posteriore si muove rapidamente ma trasmettendo una coppia piuttostobassa. Durante la marcia quindi sarà possibile mantenere per ogni velocità di avanzamento del veicolo, un regime di rotazione del motore al qualecorrisponde un'adeguata erogazione di potenza. I migliori risultati in termini di accelerazione e risposta da parte del veicolo, si ottengonoscegliendo il rapporto che consente al propulsore di girare in un range di giri compreso fra quello in prossimità del quale si ha il valore di coppiamassima, e quello in prossimità del quale si ha la potenza massima.Nelle motociclette dotate di cambio in realtà la trasmissione del moto alla ruota, avviene tramite due distinte trasmissioni:- la trasmissione finale, costituita dalla ruota posteriore e dalla catenala trasmissione primaria costituita dal pignone calettato sull'albero motore e dalla corona situati all'ingresso del cambio.

E' evidente quindi la possibilità di definire un ulteriore rapporto di trasmissione detto per l'appunto primario, dato dal rapporto fra il numero didenti del pignone e quello della corona. Noto quindi il rapporto di trasmissione primario e quello finale, è sufficiente prendere in considerazione ilrapporto che si crea fra le varie coppie di ingranaggi volta per volta per ottenere quello totale.Si capisce quindi come intervenire direttamente per modificare i rapporti interni del cambio sia praticamente impossibile, a meno di sostituire leruote con altre aventi un numero di denti differenti. Più facile potrebbe risultare la modifica del rapporto di trasmissione finale, in quanto è piùfacile agire sul numero di denti del pignone o della corona sui quali si avvolge la catena di trasmissione. È evidente che generalmente le casemotociclistiche scelgono il rapporto di trasmissione che meglio si adatta alle caratteristiche del motociclo, considerando l'utilizzo al quale èdestinato (percorsi autostradali, cittadini, fuoristradistici, ecc) pertanto è quasi sempre sconveniente modificare tali parametri. Pena ottenere unveicolo poco prestazionale o avere un propulsore il cui numero di giri sarà il più delle volte troppo elevato. Comunque in caso di necessità occorrericordare che per accorciare un rapporto, agendo sul pignone, bisogna montarne uno con un diametro inferiore e quindi con un numero di denti piùbasso, mentre per la corona vale il contrario. Occorre invece agire in modo contrario se lo si vuole allungare. È anche importante sapere che ognidente in più o in meno sul pignone corrisponde con buona approssimazione a tre denti in meno o in più sulla corona.Ad esempio se consideriamo il seguente rapporto.

aggiungendo tre denti alla corona

se lasciamo invariato il numero di denti della corona e diminuiamo di un solo dente quello del pignone si avrà

ossia un identico rapporto di trasmissione finale.

Posizione del cambio

A differenza di quanto accade nel campo automobilistico, in campo motociclistico il cambio è solitamente in blocco con il motore, tranne casieccezionali in cui il sistema di trasmissione rappresenta un gruppo a se stante. Un esempio lo sono i propulsori GUZZI, in cui il cambio è un gruppo

ben distinto da quello propulsivo.

Le case come la MOTO GUZZI, infatti, sposano un tipo di filosofia oramai abbandonata, che in passato era la filosofia costruttiva di casemotociclistiche appartenenti alla scuola inglese.


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Tale filosofia veniva privilegiata per motivi di semplicità costruttiva ed economica. Il cambio infatti, in tal caso, veniva visto come un vero eproprio accessorio che poteva equipaggiare diverse motociclette dotate invece di propulsori nettamente diversi fra loro.A volte in fase di progettazione si ricavava nei coperchi laterali del carter motore, un vano all'interno del quale veniva alloggiato il cambio. Si eraquindi in presenza dei cosiddetti "cambi in semiblocco". In tal caso, pertanto, il cambio era separato e la trasmissione era garantita da una catenala cui tensione era assicurata dalla rotazione eccentrica del blocco all'interno del vano.Oggi invece il cambio in blocco, rappresenta una delle soluzioni più pratiche e moderne, in quanto permette di semplificare il sistema dilubrificazione e di migliorarne l'efficienza.Il problema di non poter utilizzare il cambio come parte accessoria intercambiabile, viene superato invece scegliendo opportunamente, in fase diprogettazione, gli interassi degli alberi del cambio destinato ad equipaggiare un determinato motore, ed imponendo i medesimi valori al variaredelle unità propulsive con le quali il cambio dovrà essere accoppiato. In tal modo si raggiunge un'ottimizzazione della produzione seriale,utilizzando componenti già collaudati e pertanto sicuri ed affidabili. Si riportano di seguito un esempio di tali cambi in blocco nel caso di un motoremonocilindrico, bicilindrico e quadricilindrico.

Tipologie del cambio

Nel corso degli anni molte sono state le scelte tecniche adottate dalle varie case costruttrici. Due sole però sono riuscite ad affermarsi nel tempo econtinuano a tutt'oggi ad essere le più seguiteIL CAMBIO A PRESA DIRETTAIL CAMBIO A CASCATA DI INGRANAGGICi sono poi rari casi in cui il cambio funge da trasmissione primaria, avendo gli ingranaggi conduttori calettati direttamente su un prolungamentodell'albero motore, oppure altri in cui l'albero secondario del cambio trasmette direttamente i giri alla ruota motrice (VESPA). Infine ci sono i cambiautomatici che possono essere del tipo a puleggia espandibile oppure a variatore centrifugo di velocità. Di tale tipologia se ne parlerà in seguito.

> > Si riporta di seguito un esempio delle tre tipologie:

Trasmissione a cardano Trasmissione diretta


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Il cambio a presa diretta

Questa tipologia di cambio è caratterizzata dall?esistenza di coassialità fra il pignone della trasmissione finale e l' albero primario. Il pignone,infatti, è calettato su di un grosso albero cavo coassiale all'albero primario, ma indipendente da quest 'ultimo. Tale tipologia di cambio presentasempre due coppie di ruote in presa continua fra loro. Solo nel momento in cui è inserita la presa diretta, viene meno l'ingranamento continuo didue ruote, in quanto l'albero primario è direttamente collegato all'albero cavo, ed il pignone della trasmissione finale ruota alla medesima velocitàdella corona della trasmissione primaria. In tal caso il numero di giri dell'albero è uguale al numero di giri della ruota. Si riporta di seguito unoschema tipico di tale trasmissione, con l'individuazione degli organi calettati in modo fisso sugli alberi, gli organi calettati in modo fisso mascorrevole grazie alla presenza di profili scanalati e le ruote libere di girare in folle, perché montate su cuscinetti a rullini. Di seguito anche loschema cinematico in ogni rapporto.


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Il cambio a cascata di ingranaggi

Il cambio a cascata di ingranaggi è oggi giorno quello più diffuso in campo motociclistico.Tale cambio è costituito da un albero primario, che riceveil moto dalla trasmissione primaria e che ha il compito di trasmettere tale moto tramite gli ingranaggi conduttori, e da uno secondario sul quale

sono montati gli ingranaggi condotti ed il pignone della trasmissione finale In tal caso lavora solo una coppia di ingranaggi per volta,corrispondente ovviamente alla marcia inserita.


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Variatore centrifugo di velocità

Il variatore centrifugo di velocità è forse oggi uno dei sistemi di trasmissione più affermato fra i motoveicoli di piccola cilindrata , grazie aivantaggi che offre in termini di spunto ed economicità di esercizio. : < Anzi l'affidabilità e le prestazioni, che tale dispositivo sono in grado digarantire, sono tali che non mancano esempi in cui importanti case motociclistiche hanno allestito scooters equipaggiati con propulsori chearrivano anche a 800cc. di cilindrata. : Tale dispositivo altro non è che un cambio progressivo in grado di sviluppare una gamma continua, epertanto infinita, di rapporti compresi fra un minimo ed un massimo, fissati in fase di progetto. : La variazione dei rapporti in tal caso non è quindigraduale (ossia ad un preciso rapporto selezionato corrisponde un ben definito rapporto di trasmissione), ma continua. È come se volta per voltaavessimo due ruote che ingranano fra loro, il cui diametro però varia continuamente in funzione del rapporto di trasmissione richiesto per vincerele resistenze esterne che incontra il veicolo (pendenze, variazioni di peso, asperità ecc.). Vediamo quindi cosa è un variatore. Generalmente unvariatore è costituito da due pulegge e da una cinghia di tipo trapezoidale.

Ciascuna puleggia è costituita da due piatti con profilo tronco conico, rivolti l'uno verso l' altro in modo da costituire una gola sulla quale siavvolge la cinghia di trasmissione. Dei due piatti uno è fisso mentre l ' altro è libero di muoversi assialmente.


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Suddivisione dei rapporti

La suddivisione dei rapporti consiste nel regolare i rapporti delle marce compresi tra la prima e l ' ultima marcia.


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http://www.statcounter.com/http://www.dinamoto.it/dinamoto/index_low_ita.html

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