Trasmissioni: confronto tra cambio manuale (MT), cambio automatico (AT), cambio a variazione continua (CVT) e cambio a doppia frizione (DCT).

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0. Cosa spiega questo articolo

Perché una ruota non può essere semplicemente accoppiata a un motore e perché è necessario un rapporto di trasmissione.
Gli elementi meccanici, l'efficienza, il calore e le differenze di controllo tra cambio manuale (MT), cambio automatico con convertitore di coppia (AT), cambio a variazione continua (CVT) e cambio a doppia frizione (DCT).
Esempi, tra cui ZF 8HP, il sistema di ripartizione della potenza epicicloidale THS di Toyota e i cambi DCT, oltre al motivo per cui i veicoli elettrici spesso convergono su un riduttore.

1. In sintesi: cos'è una trasmissione?

Una trasmissione converte la velocità e la coppia del motore primario per adattarle alla velocità, alla pendenza e al carico del veicolo. Qui definiamo il rapporto di riduzione $i$ come rapporto tra ingresso e uscita. Per la coppia in ingresso $T_i$ , la coppia in uscita $T_o$ , la velocità in ingresso $\omega_i$ e la velocità in uscita $\omega_o$ ,

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

La relazione centrale rappresenta il caso ideale senza perdite; la relazione a destra include le perdite dovute a ingranaggi, cuscinetti e olio nell'efficienza $\eta_g$ . Un rapporto di riduzione maggiore $i$ aumenta la coppia alle ruote ma riduce la velocità di rotazione.

2. Perché è necessario un rapporto

Un motore a combustione interna è efficiente e ha una coppia elevata solo in un intervallo di velocità limitato e non può mantenere la rotazione a velocità zero. Le ruote devono percorrere la distanza da fermo fino alla velocità di crociera, quindi la partenza richiede un rapporto di riduzione elevato e la marcia a velocità costante un rapporto di riduzione inferiore. I motori elettrici offrono una coppia elevata a bassi regimi e un ampio intervallo di potenza costante, pertanto possono fare a meno di più rapporti del cambio, sebbene veicoli pesanti, alte velocità e traino possano giustificare due o più rapporti.

Una frizione assorbe la differenza di velocità e interrompe la trasmissione; un differenziale permette la differenza di velocità tra le ruote sinistra e destra. L'efficienza della trasmissione, quindi, include l'interruzione del cambio, le perdite della pompa idraulica, il raffreddamento e il software di controllo, non solo le perdite dovute all'ingranamento degli ingranaggi.

3. Architettura di base

Figura 1 — Il rapporto è selezionato, la frizione assorbe la differenza di velocità e il differenziale distribuisce la coppia alle ruote.

4. MT: il più diretto Cambio

Un cambio manuale (MT) richiede al guidatore di disinnestare la frizione, sincronizzare la velocità dell'albero e innestare una marcia. Sono comuni gli ingranaggi a presa costante: anche gli ingranaggi non utilizzati ruotano, mentre gli anelli sincronizzatori e le frizioni a denti collegano quello selezionato. Il design è meccanicamente trasparente con un controllo idraulico limitato, ma la partenza, le partenze in salita e il cambio di marcia dipendono dal guidatore.

5. Cambio automatico: convertitore di coppia e ingranaggi epicicloidali

Un cambio automatico a più velocità convenzionale combina un convertitore di coppia idraulico, ingranaggi epicicloidali, frizioni idrauliche e una centralina elettronica. La differenza di velocità tra pompa, turbina e statore può moltiplicare la coppia in partenza; una frizione di bloccaggio riduce lo slittamento in velocità di crociera. Un gruppo epicicloidale cambia rapporto selezionando quale tra il suo ingranaggio solare, il portaplanetari e l'anello viene mantenuto, azionato o trasmesso.

ZF pubblica un progetto 8HP che seleziona quattro gruppi di ingranaggi con cinque elementi di cambio, a dimostrazione che un maggior numero di rapporti non significa semplicemente un maggior numero di marce. Le attuali varianti 8HP sono modulari per motori a combustione, mild-hybrid e plug-in-hybrid. veicoli.

6. CVT: rapporto di trasmissione a variazione continua

Una trasmissione CVT a cinghia varia i raggi effettivi di due pulegge tramite pressione idraulica. Il suo rapporto è:

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

In assenza di slittamento, ωin rdriven = ωout rdriven. Un raggio di trasmissione di 50 mm e un raggio condotto di 100 mm danno i=2, quindi la velocità di uscita è la metà della velocità di ingresso.

Può mantenere un motore vicino a un regime efficiente, ma la forza di serraggio della cinghia, l'attrito delle pulegge e la pompa idraulica consumano energia. È possibile aggiungere un convertitore di coppia o uno stadio epicicloidale, e un sistema ibrido di ripartizione della potenza può instradare un percorso elettrico; due sistemi chiamati "CVT" possono quindi avere flussi di potenza molto diversi.

7. DCT: due frizioni in alternanza

Una trasmissione a doppia frizione assegna le marce pari e dispari a frizioni separate e preseleziona la marcia successiva. Un cambio di marcia apre una frizione mentre chiude l'altra, minimizzando le interruzioni. Una frizione a secco ha basse perdite per agitazione dell'olio. ma deve affrontare il calore e l'usura dovuti alla partenza; una frizione a bagno d'olio raffredda meglio ma necessita di potenza dalla pompa.

8. Confronto tra gli approcci

Tipo	Idea meccanica	Tendenza all'efficienza	Condizioni difficili
Cambio manuale	Ingranaggi fissi e una frizione	Elevata efficienza, con poca perdita di controllo	Traffico, partenza, variazioni di guida

Cambio automatico a più velocità | Convertitore di coppia, gruppi epicicloidali, impianto idraulico | Elevata efficienza con bloccaggio | Perdite idrauliche/di raffreddamento, massa, ritardo di cambiata |

Cambio a variazione continua (CVT) | Pulegge a variazione continua | Mantiene il motore principale vicino a un punto di efficienza | Coppia elevata, serraggio della cinghia, calore |

Cambio a doppia frizione (DCT) | Marce pari/dispari e due frizioni | Elevato accoppiamento meccanico | Calore della frizione a bassa velocità e complessità di controllo |

Riduzione EV | Solitamente riduzione e differenziale fissi | Poche perdite legate al rapporto di trasmissione | Velocità elevata, massa, limite di velocità del motore |

9. Controllo e scelte pratiche

Il controllo del cambio legge la velocità del veicolo, l'acceleratore, il regime del motore, la pendenza, la temperatura dell'olio e l'accelerazione laterale. Un costo semplificato è

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

L'ottimizzazione del solo carburante può causare frequenti cambi di marcia o vibrazioni a bassa velocità. I sistemi elettrificati aggiungono limiti di velocità del motore, SOC della batteria, coppia rigenerativa e temperatura dell'inverter.

Sensazione di guida e semplicità di manutenzione: cambio manuale (MT), accettando l'usura della frizione e lo sforzo del conducente.
Ampia gamma di massa del veicolo, traino e comfort: cambio automatico a più velocità (AT), confrontando convertitore, impianto idraulico e raffreddamento come un sistema.
Economia a velocità costante: cambio a variazione continua (CVT), dopo aver verificato la coppia massima in ingresso e la capacità termica.
Cambio rapido e risposta sportiva: cambio a doppia frizione (DCT), dopo aver verificato la temperatura della frizione nel traffico.
Veicolo elettrico per passeggeri: la riduzione fissa è il punto di partenza; la guida ad alta velocità e il traino possono giustificare rapporti multipli.

10. Riepilogo in tre righe

Una trasmissione adatta la ristretta gamma di velocità efficiente di un motore primario all'ampia gamma di velocità di una ruota.

MT, AT, CVT e DCT scambiano ingranaggi, impianto idraulico, cinghia e comportamento della doppia frizione in relazione a efficienza, calore e complessità di controllo.

I veicoli elettrici possono semplificare con una riduzione fissa, ma il numero di rapporti dovrebbe essere scelto in base all'efficienza del sistema, inclusi alta velocità, traino e rigenerazione.

Verifica la tua comprensione

Cosa comporta il raddoppio di un rapporto di riduzione?

Idealmente, la velocità di uscita si dimezza e la coppia raddoppia. Non viene generata potenza; anche le trasmissioni reali presentano perdite.

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