Come funzionano i cambi automatici: convertitori di coppia, marce e cambi di velocità spiegati

Gli automobilisti che non hanno mai toccato un pedale della frizione si affidano comunque a una catena di parti meccaniche e idrauliche che agiscono ogni volta che l'auto parte o cambia velocità. Al centro di qualsiasi cambio automatico ci sono due compiti: lasciare che il motore funzioni al minimo senza spegnere l'auto e cambiare il rapporto tra la velocità del motore e la velocità della ruota senza che il conducente selezioni una marcia.

Il convertitore di coppia fa il lavoro della frizione

Nel tipo più comune di cambio automatico, una frizione meccanica viene sostituita da un alloggiamento sigillato e riempito di fluido chiamato convertitore di coppia. Secondo il sito di riferimento per i meccanici automobilistici How a Car Works, contiene tre parti principali: un'elica bullonata al volano del motore, una turbina collegata all'albero di ingresso del cambio e un reattore centrale dotato di una frizione a ruota libera.

Quando l'elica ruota con il motore, lancia il fluido di trasmissione verso l'esterno nella turbina, che fa girare l'albero di ingresso del cambio. A bassa velocità del motore, il reattore rimane fermo e reindirizza il fluido verso l'elica, il che amplifica la coppia e aiuta l'auto a partire da fermo. Una volta che la velocità del motore aumenta, il reattore gira libero e il convertitore agisce semplicemente come un volano fluidico, come spiega How a Car Works.

La testata australiana CarsGuide riferisce che questo collegamento di fluido è il motivo per cui gli automatici a convertitore di coppia si sentono lisci e forniscono una forte potenza di trazione a bassi giri. Lo svantaggio, storicamente, è stata la minore efficienza rispetto a un collegamento meccanico diretto, motivo per cui la maggior parte dei convertitori di coppia moderni aggiunge una funzione di 'blocco' una volta che l'auto è in velocità, unendo meccanicamente l'elica e la turbina per ridurre la perdita di potenza, secondo CarsGuide.

Gli ingranaggi planetari cambiano il rapporto senza cambiare marcia

Una volta che la potenza raggiunge il cambio, passa attraverso uno o più set di ingranaggi planetari (epicocloidi). How a Car Works descrive questi come un ingranaggio solare centrale, un ingranaggio anulare esterno con denti interni e un insieme di ingranaggi planetari più piccoli che si incastrano con entrambi. Tutte e tre le parti sono sempre in contatto, quindi il cambio non ha mai bisogno di ingranare o disinnestare fisicamente una coppia di ingranaggi come farebbe un cambio manuale.

Invece, bande freno azionate idraulicamente e frizioni multidisco tengono ferme diverse parti del set di ingranaggi o le lasciano ruotare liberamente. How a Car Works elenca le combinazioni di base: bloccare l'ingranaggio solare mentre il portatore guida i pianeti produce un aumento di velocità; bloccare l'ingranaggio anulare e guidare l'ingranaggio solare produce una riduzione di velocità; inviare potenza all'ingranaggio solare mentre si frena il portatore di pianeti produce la retromarcia; e bloccare l'ingranaggio solare e quello anulare insieme produce la trasmissione diretta, un rapporto uno a uno.

Un singolo set di ingranaggi utilizzato in questo modo può già fornire diversi rapporti. L'abbinamento di due set epicocloidi, il layout classico più semplice, può produrre tre velocità avanti, come nota How a Car Works; i produttori collegano insieme più set e frizioni per raggiungere i cambi a cinque, sei, otto, nove e dieci velocità comuni nelle auto di oggi.

L'idraulica e l'elettronica decidono quando cambiare

La sequenza di bloccaggio all'interno del cambio è attivata dalla pressione idraulica che agisce sulle bande freno e sulle frizioni, instradato attraverso quello che How a Car Works chiama un complesso arrangiamento di valvole idrauliche. Nei progetti più vecchi, quelle valvole rispondono meccanicamente al carico del motore, alla velocità della strada e alla posizione dell'acceleratore; un meccanismo di 'kickdown' forza una riduzione di marcia per un'accelerazione extra quando l'acceleratore viene premuto a fondo. Nelle auto moderne, i sensori elettronici e un computer di controllo svolgono lo stesso compito, aprendo e chiudendo valvole solenoidi per sincronizzare ogni cambio.

Tre modi diversi per costruire un cambio automatico

Non tutti i cambi che cambiano da soli funzionano allo stesso modo. CarsGuide raggruppa gli automatici moderni in tre famiglie principali, più un quarto tipo più vecchio, in gran parte dismesso.

• Cambio automatico a convertitore di coppia — utilizza l'accoppiamento fluidico descritto sopra; forte coppia a bassa velocità e cambi morbidi, trovato in marchi come Mazda e Lexus, secondo CarsGuide.
• Cambio a doppia frizione (DCT) — effettivamente due cambi manuali che condividono un alloggiamento, ciascuno con la propria frizione; una marcia è preselezionata mentre l'altra è inserita, quindi il sistema scambia le frizioni per cambiare marcia in millisecondi con perdita di coppia minima. CarsGuide cita il Volkswagen DSG, Nissan GT-R, Ferrari 488 GTB e McLaren 650S come esempi.
• Cambio a variazione continua (CVT) — non ha affatto marce fisse; una cinghia o una catena corre tra due pulegge il cui diametro effettivo cambia, dando, secondo le parole di CarsGuide, un'azione 'come una fascia elastica su un cono del traffico' e un numero teoricamente illimitato di rapporti per la massima efficienza del carburante.
• Cambio manuale automatizzato a frizione singola — un design più vecchio in cui un computer aziona una frizione su un cambio manuale convenzionale; CarsGuide descrive i suoi cambi come a scatti e ritardati e dice che il tipo è ora in gran parte obsoleto.

Per il confronto, CarsGuide osserva che i cambi manuali convenzionali hanno in genere sei marce avanti, con alcune auto sportive come la Porsche 911 che ne offrono sette.

Perché è importante per la guida di tutti i giorni

Il tipo di cambio automatico sotto il pavimento influisce su come si sente un'auto piuttosto che semplicemente se ha un pedale della frizione. L'accoppiamento fluidico di un cambio automatico a convertitore di coppia è ciò che consente a un'auto di muoversi lentamente al minimo senza spegnere il motore, una caratteristica che How a Car Works attribuisce direttamente al design del convertitore di coppia. Le due frizioni di un cambio a doppia frizione sono ciò che consente alle auto ad alte prestazioni di cambiare marcia senza il gap di potenza momentaneo percepito nei cambi automatici più vecchi, secondo CarsGuide. L'assenza di rapporti fissi in un CVT è ciò che consente al motore di rimanere vicino alla sua velocità più efficiente indipendentemente dalla velocità della strada, che CarsGuide elenca come il suo principale vantaggio, compensato da un ronzio del motore costante e non tradizionale che alcuni conducenti notano.