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VARIATORE CONTINUO DEL RAPPORTO DI TRASMISSIONE PER VEICOLI A MOTORE, MACCHINE UTENSILI ED ALTRE APPLI-CAZIONI
DESCRIZIONE
Il motore di una auto genera una potenza che non può essere trasferita direttamente alle ruote.
Per avviarlo, ad esempio, è necessario isolarlo dal resto della
meccanica tramite la frizione e, una volta in marcia, occorre un
dispositivo che ne adatti la velocità di rotazione a quella necessaria
alle ruote per affrontare le infinite esigenze della strada: questo
dispositivo è il cambio che può essere considerato, a tutti gli
effetti, un moltiplicatore di coppia ed un riduttore di velocità.
Il
tradizionale cambio meccanico manuale, che riceve il moto dal motore
attraverso la frizione e insieme al gruppo differenziale ne riduce
l’alto numero di giri a valori più bassi, è schematicamente costituito
da una serie di ruote dentate di vario diametro opportunamente
ingranate fra loro scegliendo, attraverso una leva selettrice, quelle
più adatte alle esigenze di guida del momento.
A
differenza di quelli meccanici i cambi automatici permettono di variare
marcia senza obbligare il guidatore a premere il pedale della frizione
ed a muovere la leva del cambio poichè sono privi di frizione e dotati
di un convertitore idraulico di coppia che svolge le funzioni del
volano e della frizione stessa. Il rapporto più adatto alle condizioni
di utilizzo della vettura è selezionato automaticamente da una
centralina elettronica che decide la marcia più opportuna da scegliere
colloquiando istante per istante con la centralina del motore ed
ottenendo come risultato un confort maggiore e minori consumi.
Esiste
anche il cambio automatico con variazione continua del rapporto di
trasmissione CVT che consente di passare dalla marcia più corta a
quella più lunga attraverso una gamma infinita di rapporti intermedi,
essendo costituito da due pulegge con gole a V e da una cinghia
trapezoidale in acciaio o in alluminio che, slittando fra il diametro
più stretto e l’estremità più larga di ciascuna puleggia, varia in
maniera continua e senza salti il rapporto di trasmissione. Il punto
debole dei CVT è rappresentato dal fatto che tale graduale variazione
di rapporto, senza cambiate vere e proprie, determina una sgradevole
rumorosità del motore in quanto ricorda quella provocata da una
frizione che slitta; inoltre, fino a poco tempo fa erano disponibili
CVT adatti solo alla modesta coppia delle piccole cilindrate, a seguito
dei problemi riscontrati nel trasferire coppie elevate utilizzando la
trasmissione con cinghie e pulegge. Questi problemi potrebbero essere
in parte risolti se si utilizzassero cinghie metalliche più larghe o
anche speciali catene oppure se si ricorresse ad una diversa messa a
punto dei motori che non privilegi, come avviene tuttora, l’erogazione
di potenza agli alti regimi poichè questo costringe il CVT a passare ai
rapporti più corti non appena il guidatore preme l’acceleratore con
decisione comportando la rumorosità di cui sopra.
Poichè
i problemi sopra evidenziati sono legati all’intrinseca natura del CVT
che utilizza cinghie e pulegge, risulta quanto mai convincente il
progetto del variatore continuo del rapporto di trasmissione in oggetto
che, differenziandosi dalla tecnica nota, prevede la trasmissione del
moto attraverso una coppia di elementi entrambi convessi oppure uno
concavo e l’altro convesso, preferibilmente rivestiti con materiali
compositi idonei (ceramici o d’altro tipo), traslanti simultaneamente
lungo i rispettivi assi di rotazione incidenti per rimanere sempre in
presa. Per
meglio descrivere il variatore continuo del rapporto di trasmissione in
oggetto sono qui di seguito mostrate due tavole di disegno relative ad
altrettante possibili forme di attuazione e dove, a solo titolo
indicativo e non limitativo, sono rappresentate:
� la
FIG. 2 che mostra la vista in sezione di una versione del variatore in
oggetto dove la superficie di accoppiamento è concava nell’elemento
conduttore e convessa nell’elemento condotto per il quale, tra l’altro,
sono previste due uscite allineate e contrapposte.
Dai
disegni allegati si evince che in entrambe le forme di attuazione
illustrate il moto è trasmesso dall’albero conduttore all’albero
condotto attraverso una coppia di elementi che hanno superficie di
accoppiamento curva al fine di ottenere una variazione del rapporto di
trasmissione che sia la più dolce ed anche la più ampia possibile. Tali
elementi rimangono sempre in presa poichè traslano simultaneamente
lungo i rispettivi assi di rotazione incidenti, variando in ogni
istante i raggi delle circonferenze di contatto e quindi il rapporto di
trasmissione che può assumere una gamma pressochè infinita di valori;
inoltre, quando per la simultanea traslazione dei due organi si ottiene
che il punto di contatto di uno di questi raggiunga e superi il punto
giacente sull’asse di rotazione ed avente velocità conseguentemente
nulla, si ottiene l’avvio dell’organo condotto a ruotare in senso
inverso al precedente come quando nei cambi tradizionali viene
innestata la retromarcia. Nella
forma di attuazione della FIG.1 l’elemento conduttore 1, che ruota e
trasla lungo l’asse Y, presenta una conformazione pressochè emisfe-rica
nell’estremità da accoppiare con l’estremità pressochè sferica
dell’elemento condotto 2 dotato di moto rototraslatorio lungo l’asse X.
Detto elemento 1 forma un corpo unico con l’albero cavo 3 che, tramite
accoppiamento scanalato, riceve il moto rotatorio dall’albero motore
4 sul quale può scorrere longitudinalmente mosso da un attuatore
idraulico od oleodinamico a gestione elettronica ed al quale è
collegato dalla staffa 5. Tale staffa è vincolata all’albero cavo 3 dai
due elementi reggispinta 6 e dalle due gabbie a rullini 7, situate ai
due lati della staffa per isolarla dalla rotazione impressa all’albero
cavo 3 dall’albero conduttore 4.
Similmente,
l’elemento condotto 2 forma un corpo unico con l’albero cavo 8 che,
tramite accoppiamento scanalato, trasmette il moto rotatorio all’albero
condotto 9 sul quale scorre longitudinalmente mosso da un apposito
attuatore e per mezzo della staffa 5. Tale staffa è vincolata
all’albero cavo 8 dai due elementi reggispinta 6 e dalle due gabbie a
rullini 7, situate ai due lati della staffa per isolarla dalla
rotazione dell’albero cavo 8 .
La
forma di attuazione della FIG.2, particolarmente idonea in caso di
trazione integrale, prevede che l’albero condotto 16 fuoriesca dalla
scatola del cambio con due uscite allineate e contrapposte. Ciò che
differenzia sostanzialmente questa forma di attuazione dalla precedente
è la superficie di accoppiamento concava dell’elemento conduttore 10
avente una conformazione di massima tronco-conica e ad allargare verso
l’estremità. Tale elemento, dotato di moto rototraslatorio lungo l’asse
Y, rimane sempre in presa con l’elemento condotto 11, di forma
pressochè sferica e rototraslante lungo l’asse X, fissato saldamente
all’albero cavo 12 che, tramite accoppiamento scanalato, riceve il moto
rotatorio dall’albero-motore 13 sul quale puù scorrere
longitudinalmente mosso dall’attuatore 14, idraulico oppure
oleodinamico ed elettronicamente gestito, attraverso la staffa 5,
rigidamente collegata a 12 dagli elementi reggispinta 6 e dalle due
gabbie a rullini 7, situate ai due lati della staffa per isolarla dalla
rotazione impressa all’albero cavo 12 dall’albero conduttore 13.
Similmente,
l’elemento 11 è fissato saldamento all’albero cavo 15 che, tramite
accoppiamento scanalato, trasmette il moto rotatorio all’albero
condotto 16 collegabile ai due semiassi di una trasmissione in forza
della sua doppia uscita dalla scatola del cambio. L’albero cavo 15
scorre longitudinalmente su 16 perchè mosso dall’attuatore 14
attraverso la staffa 5 rigidamente vincolata a 15 dagli elementi
reggispinta 6 e dalle due gabbie a rullini 7, situate ai due lati della
staffa per isolarla dalla rotazione dell’albero cavo 15.
Nelle
camere 19 e 20 della FIG. 1 dove gli alberi presenti sono mantenuti a
bagno d’olio, nonostante i movimenti combinati di rotazione e
traslazione lineare degli alberi cavi 3 e 8 supportati ciascuno da una
bronzina 25 con solcatura elicoidale interna, opportune guarnizioni 24
di tipo noto impediscono il passaggio dell’olio dalle suddette camere
19 e 20 alla camera 17 ove trovansi gli elementi di trasmissione 1 e 2
operanti per attrito e preferibilmente a secco. Analogamente, anche
nelle camere 21, 22 e 23 della FIG. 2, dove gli alberi presenti sono
mantenuti a bagno d’olio e supportati ciascuno da una bronzina 25 con
solcatura elicoidale interna, opportune guarnizioni 24 di tipo noto
impediscono il passaggio dell’olio dalle suddette camere 21, 22 e 23
nella camera 18 ove trovansi gli elementi di trasmissione 10 e 11
operanti per attrito.
Possibili
varianti alle versioni rappresentate e descritte potrebbero consistere
nel sostituire gli attuatori idraulici od oleodinamici con dispositivi
elettromeccanici o di altro tipo ed idonei a determinare le traslazioni
lineari necessarie.
Dall’analisi
di entrambe le forme di attuazione prese in considerazione si evince
che il freno motore ottenibile con l’utilizzo di siffatti elementi per
la trasmissione del moto è più rapido di quello ottenibile con gli
attuali cambi CVT, grazie alla velocità ed alla fluidità con cui i
suddetti elementi scorrono l’uno sull’altro.
Tra
le prerogative del variatore in oggetto merita considerazione anche il
fatto di essere un�alternativa alla frizione in quanto la semplice
traslazione lineare di allontanamento di uno dei due organi di
trasmissione dall’altro, operazione gestita dalla stessa centralina
elettronica solitamente preposta al comando combinato degli attuatori
lineari a servizio dei due organi, consente il distacco di uno dei due
alberi dall’altro per ottenere l’arresto di un veicolo o del mandrino
di una macchina utensile pur mantenendo il motore in funzione.
Inoltre
il trovato risulta particolarmente utile nei veicoli ad alimentazione
elettrica in quanto la loro autonomia, notoriamente limitata, sarebbe
particolarmente avvantaggiata dal mantenimento di un numero di giri
pressochè costante pur variando la velocità.
Poichè
il principio su cui si basa la trasmissione del moto nel variatore
continuo in oggetto è l’attrito, gli elementi della trasmissione devono
essere rivestiti con appropriati film ceramici che garantiscano
l’attrito necessario. L’evoluzione della produzione dei rivestimenti
ceramici degli ultimi anni ha apportato importanti modifiche alle
tecnologie di processo, permettendo di depositare film ceramici con
caratteristiche fisiche e meccaniche elevatissime. Inoltre, il
coinvolgimento del settore delle tecnoceramiche nello sviluppo dei
rivestimenti più idonei al variatore continuo ideato puù avere come
effetto l’abbattimento dei costi della produzione dello stesso che giù,
per il limitato numero di pezzi di cui è composto e per la semplicità
realizzativa degli stessi, è decisamente più economico di un cambio
automatico tradizionale, CVT o di altro tipo.
Infine,
ferme restando le caratteristiche di massima delle versioni illustrate
e descritte, non è escluso che queste possano essere su-scettibili di
modifiche e varianti comunque comprese nel presente ambito brevettuale.
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