I sistemi CVT (continuously variable transmission) sono ampiamente diffusi ed utilizzati nei settori delle trasmissioni automatiche a secco.
In questo breve articolo ci concentreremo unicamente sui sistemi di variazione continua adottati sulla maggior parte di scooter e maxiscooter, in particolare studieremo in maniera dettagliata il ruolo svolto dai rulli e dalla molla di contrasto durante il funzionamento.
Per semplicità si farà riferimento unicamente a variatori tradizionali (e non trasversali) trascurando la presenza di rapporti di riduzione o di eventuali sistemi di frizione.
Elenchiamo e descriviamo brevemente i componenti cardini di questa tipologia di trasmissione.
Il variatore (semipuleggia motrice): si tratta di una semipuleggia mobile la cui posizione dipende dal regime del motore (quindi dal valore di coppia istantanea erogata), dal peso dei rulli e dal carico della molla di contrasto applicato nel correttore di coppia. Lo scorrimento del variatore in direzione di una semipuleggia fissa determina il diametro (e di conseguenza il rapporto) della puleggia motrice. E' interessante notare che nei variatori di serie l'accoppiamento variatore mozzo è ottenuto mediante grasso lubrificante.
Nei variatori aftermarket tecnologicamente più raffinati, al fine di ridurre gli attriti e le usure, l'accoppiamento è invece ottenuto mediante una bronzina sintetizzata in uno speciale acciaio autolubrificante, che non richiede alcuna manutenzione se non un periodico lavaggio con comuni sgrassatori per motori.
Il correttore di coppia (puleggia condotta): anche in questo caso si tratta di una puleggia espandibile (mediante apertura e chiusura di due semipulegge con innesto elicoidale).
Essendo la cinghia di lunghezza finita il correttore ha il compito di contrastare (grazie all'azione di un'opportuna molla di carico) l'apertura del variatore in modo da mantenere il motore nel punto di lavoro corrispondente ad un dato valore di coppia (fissato in base alla tipologia e all'uso del veicolo).
La cinghia (sistema di accoppiamento tra le pulegge): si tratta del sistema di trasmissione che opera il trasferimento di coppia dalla puleggia motrice a quella condotta. Nonostante le apparenze la fattura e le caratteristiche dimensionali e fisiche della cinghia influiscono pesantemente sul rendimento dell'intero sistema di trasmissione.
I rulli: sono dei semplici pesetti generalmente di forma cilindrica (indicati in giallo nelle immagini). Svolgono un ruolo fondamentale, messi in movimento dalla rotazione del variatore tendono ad acquistare energia cinetica e per effetto della forza centrifuga spingono il piattello (rappresentato in rosso nelle Figure) contro il fermo ricavato sull' albero motore. Questo provoca lo scorrimento verso sinistra del variatore (punto di lavoro comunemente indicato come espansione del variatore) stringendo la cinghia che è costretta ad occupare un diametro maggiore sulla puleggia motrice.
La molla di contrasto (indicata in blu): si tratta di una molla con indice di elasticità opportunamente calcolato ed elevati coefficienti di resistenza alla torsione e allo snervamento. Il compito è quello di ostacolare l'espansione del variatore chiudendo le due semipulegge che costituiscono il correttore di coppia.
In tale sede non verrà trattato il funzionamento della frizione automatica a secco (di tipo centrifugo) generalmente associata alla CVT.
Passiamo ora all'analisi dettagliata del ruolo assunto dai rulli e e della molla di carico durante il funzionamento della trasmissione.
Alla base della CVT vi è il principio di conservazione della coppia, in altre parole variatore e correttore si "apriranno o chiuderanno" in maniera complementare (variando così i rapporti di trasmissione) in modo da massimizzare i valori di coppia .
I rulli giocano un ruolo fondamentale nell'apertura/chiusura del variatore. Come già anticipato, per effetto centrifugo scorrono all'interno di piste inclinate ricavate nel variatore stesso. Tale scorrimento comporta all'allontanamento del piattello con conseguente spostamento del variatore lungo un mozzo in direzione della puleggia fissa.
In questo modo la cavità presente tra variatore e semipuleggia fissa tende a diminuire; di conseguenza la cinghia è costretta a salire tra le due semipulegge e, nello stesso tempo, a scendere nel correttore di coppia.
Nelle figure Fase A, Fase B e Fase C viene illustrato il movimento del variatore e la compensazione da parte del correttore osservato da due profili differenti.
Analizziamo ora il ruolo della molla.
La molla di carico o di contrasto ostacola l'apertura del variatore in modo da far lavorare il motore sempre in regimi prossimi a quelli di coppia massima. Il suo carico è studiato per garantire sempre il giusto tiro. Ricordiamo che la forza esercitata dalla molla sarà del tipo
F = -k dx/dt.
Quindi si tratta di un valore dinamico che varia linearmente con la velocità secondo la costante di proporzionalità k (coefficiente di elasticità della molla). Questo significa che per vincere il contrasto della molla, la forza centrifuga sviluppata dai rulli non dipende linearmente dalla posizione delle pulegge, ma dalla derivata di questa (quindi dalla loro velocità di scorrimento).
Proviamo a formulare un esempio di funzionamento; per semplicità immaginiamo di aver lanciato un veicolo dotato di CVT alla velocità massima. La CVT si troverà a lavorare nella Fase C illustrata nelle figure; di conseguenza il motore frullerà ad un dato regime erogando valore di coppia a noi noto dalle specifiche del GT.
Il nostro veicolo ora si trova ad affrontare una salita: inevitabilmente il regime del motore tenderà a diminuire riducendo così la coppia e quindi la forza centrifuga sviluppata dai rulli; a questo punto il carico della molla vincerà il valore di forza critica di espansione del variatore, facendo risalire la cinghia all'interno del correttore, causando quindi la chiusura del variatore (equivalente all'apertura della puleggia motrice e la discesa della cinghia in questa) e innestando così un rapporto inferiore capace di fornire la coppia necessaria ad affrontare la nuova pendenza. Per comprendere cosa accade graficamente si passa dalla Fase C alla Fase B delle figure.
Precedentemente abbiamo accennato al fatto che le due semipulegge che costituiscono il correttore hanno un innesto elicoidale: cerchiamo di capirne l'utilità.
Le due semipulegge che compongono la puleggia condotta (correttore) nella fase di avvicinamento e di allontanamento effettuano rispettivamente una sorta di avvitamento e svitamento su se stesse. Questo perché il mozzo di una delle due semipulegge è dotato di una guida elicoidale su quale l'altra semipuleggia può scorrere solo effettuando una rotazione.
Per facilitare ulteriormente la comprensione di quello che accade si farà riferimento ad un esempio molto comune (anche se piuttosto riduttivo).
In pratica il movimento delle due semipulegge può essere associato alla rotazione contemporanea di una comune bottiglia e del proprio tappo.Si osserva infatti che avvitando/svitando bottiglia e tappo si avvicinano e si allontanano. Si tratta di un semplice esempio piuttosto lontano dal problema che stiamo affrontando ma molto efficace per rappresentare il movimento delle due semipulegge.
La spiegazione del perché di questo movimento è a dir poco geniale. Nel momento in cui si richiede maggior coppia per avere una spinta richiesta per effettuare un sorpasso o sprint, la cinghia strattonata dal variatore trascinerà per un istante dt una delle due semipulegge che si avviterà sul mozzo stringendosi all'altra. Attenzione: in questa fase la cinghia salirà sul collettore vincendo inevitabilmente la forza centrifuga sviluppata dai rulli, scalando rapporto e conferendo maggior prontezza al motore.
Terminata la fase di accelerazione al rilascio del gas la coppia tenderà a scendere sotto valori critici calcolati a priori, quindi le due pulegge si sviteranno consentendo alla forza esercitata dai rulli di espandere nuovamente il variatore e di innestare un rapporto superiore normalizzando il regime.
Passiamo ora all'analisi della taratura della CVT
Variando peso dei rulli a parità del carico della molla si interviene sull'arco di cambiata (espansione) del rapporto. Rulli più leggeri consentono di avere una cambiata ad un regime superiore, conferendo maggiore prontezza in ripresa; dualmente rulli più pesanti consento di innestare ad un regime inferiore il rapporto successivo riducendo così consumi, rumorosità e usura del motore.
- Rulli estremamente leggeri non consentono di espandere completamente il variatore mandando il motore in fuori giri e dissipando potenza.
- Rulli estremamente pesanti provocano l'apertura precoce del variatore penalizzando ripresa e allungo (si innesta un rapporto troppo lungo a valori di potenza così bassi da risultare insufficienti a spingere il rapporto inserito.)
I vantaggi ottenuti dalla CVT sono numerosi soprattutto in termini di facilità di guida e dolcezza di erogazione: basta ruotare l'acceleratore per mettere in movimento il veicolo e lasciare che un perfetto bilancio di forze si occupi del resto. Tuttavia adottando motori molto potenti si riescono ad ottenere prestazioni del tutto inaspettate.
Trattandosi di un sistema a variazione continua (quindi privo di vere e proprie marce ma dotato di infiniti rapporti istantanei) è possibile ottenere doti di accelerazioni nettamente superiori a quelle fornite da uno stesso GT dotato di cambio manuale. Questo perché mentre il cambio manuale sfrutta la salita di regime del motore (coppia non costante) per acquistare velocità in ogni singolo rapporto, la CVT tiene il motore nel regime di coppia massima e fa variare con continuità il rapporto di trasmissione.
Tuttavia la CVT presenta anche diversi svantaggi. I principali: la considerevole usura delle componenti, l'assenza di freno motore (in discesa si invertono i ruoli delle pulegge motrici e condotte e si innesta il rapporto più lungo), l'elevata rumorosità e il basso rendimento energetico se sottoposta a condizione di lavoro estreme. Inoltre in caso di sostituzione di uno dei componenti (cinghia, variatore, correttore... ecc) è necessario attendere qualche migliaio di chilometri per consentire il giusto adattamento del nuovo pezzo e ottenere quindi la massima efficienza del sistema.
Il sistema CVT resta comunque preferito a sistemi robotizzati o elettromeccanici per via del costi progettuali e realizzativi molto competitivi e anche in accordo alla nota filosofia "quello che non c'è non può rompersi".
Di conseguenza continuerà ad equipaggiare scooter e maxiscooter a cambio automatico ancora per diverso tempo.