Come funziona un cambio manuale?

Nello scorso articolo vi ho spiegato che il cambio serve per modificare la coppia disponibile alle ruote in modo tale che il veicolo possa far fronte a qualsiasi esigenza dettata dal percorso che si sta seguendo. Ma come funziona concretamente? Da quali parti è composto?

Prima di spiegare il funzionamento del cambio manuale vero è proprio è necessario comprendere il meccanismo di funzionamento che sta alla base delle ruote dentate. In genere un ingranaggio è costituito da una ruota dentata motrice che gira perché messa in rotazione dall’albero motore e da una ruota dentata, detta condotta, che viene messa in moto dalla ruota motrice. Un parametro fondamentale è il rapporto di trasmissione τ che è definito come il rapporto tra la velocità angolare della ruota motrice (1) e la velocità angolare della ruota condotta (2).

Valgono le seguenti relazioni:

Da queste equazioni si deduce che se la ruota motrice è più piccola della ruota condotta allora quest’ultima avrà una coppia maggiore ma girerà più lentamente, mentre se la ruota motrice è più grande allora sarà la ruota condotta ad avere una coppia minore ed una velocità maggiore.

Consideriamo ad esempio il caso in cui la ruota condotta abbia un diametro pari al doppio della ruota motrice, allora avremo che il rapporto di trasmissione è pari a 2 e di conseguenza la ruota più grande avrà una coppia doppia e una velocità di rotazione dimezzata rispetto a quella più piccola. Abbiamo quindi capito che il trucco per modificare la coppia è quello di “giocare” con i diametri facendo ingranare tra loro ruote dalle dimensioni diverse.

Il cambio è l’evoluzione di questo concetto. In genere esso è costituito dall’albero d’ingresso, da quello di uscita e da un contralbero sui quali sono calettate le diverse ruote dentate. Nei moderni cambi sincronizzati le coppie di ruote dentate sono sempre ingranate tra loro, ma solo una è effettivamente in presa sull’albero. Per chiarire meglio il funzionamento seguiamo lo schema semplificato riportato di seguito:

In azzurro è evidenziato l’albero motore, in rosso il contralbero e in verde l’albero di uscita che fa girare i pneumatici del veicolo. In blu invece sono schematizzate le ruote dentate che possono far presa sull’albero, mentre in fucsia è rappresentato il dispositivo che permette di collegare la ruota all’albero.
Quest’ultimo è costituito da un meccanismo conico di sincronizzazione, da un anello sincronizzatore, da un mozzo collegato all’albero e da un manicotto libero di scorre.

Ma come funziona di preciso?

1. Si preme la frizione. In questo modo si scollega la rotazione del motore dall’albero d’ingresso.
2. Si aziona la leva del cambio che per mezzo di un complesso cinematismo fa muovere il manicotto.
3. Il manicotto inizia a premere contro l’anello sincronizzatore la cui velocità di rotazione è uguale a quella dell’albero.
4. A sua volta, l’anello inizia a premere contro il cono di sincronizzazione che sta ruotando con una velocità diversa. La pressione genera un elevato attrito che fa sì che l’anello e il cono di sincronizzazione si portino alla stessa velocità
5. A questo punto, visto che cono e anello girano alla stessa velocità, il manicotto può ingranare definitivamente, senza “grattare”.

La ruota dentata desiderata è ora collegata all’albero e si può rilasciare la frizione.

Cambiando marcia quindi, si costringe la potenza a trasmettersi seguendo “percorsi” diversi , ciascuno caratterizzato da un proprio rapporto di trasmissione totale τ_tot .
La prima ad esempio potrebbe avere un rapporto di trasmissione totale pari a 3.8 ,la seconda di 2.2 e così via.
In questo modo, nonostante la potenza non vari tra una marcia e l’altra, si possono ottenere dallo stesso motore coppie significative o regimi di rotazioni più elevati a seconda delle esigenze.