Presentiamo in questo approfondimento il contributo dell’ingegner Lorenzo Morello, Professore incaricato presso Ingegneria dell’Autoveicolo del Politecnico di Torino fino al 2012, autore di due libri sulla storia delle Automobili Fiat e delle Automobili Lancia, e di numerosi articoli sull’evoluzione tecnologica dell’automobile. Il suo testo, dettagliato ed esteso, racconta in profondità l’evoluzione della trasmissione. L’ingegner Morello, che ha trascorso l’intera sua vita professionale all’interno di Fiat, prima al Centro Ricerche, poi a Fiat Auto come Direttore Ingegneria Motopropulsori e in seguito Direttore Ingegneria Veicoli, è anche l’autore del multimediale a disposizione del pubblico, nella sezione “Sinfonia Meccanica”.
Il cambio di velocità e la frizione, od altri dispositivi d’avviamento che la sostituiscano, sono indispensabili per ottenere da un motore a combustione interna, di tipo alternativo, una coppia motrice idonea alla trazione. Infatti, tali motori sono caratterizzati da una coppia con andamento quasi costante in funzione della velocità di rotazione, quando non addirittura, in certe zone, crescente con tale velocità; la forza motrice di trazione, nel caso ideale, dovrebbe essere decrescente con la velocità del veicolo.
Si può, infatti, asserire che, scelto un certo valore della potenza istallata, in ragione delle prestazioni dinamiche desiderate, tale valore dovrebbe essere disponibile a qualsiasi velocità del veicolo; pertanto, la forza di trazione ideale dovrebbe avere un andamento iperbolico, in funzione della velocità. Tale andamento garantirebbe, infine, il mantenimento stabile della velocità raggiunta, in quanto una forza motrice decrescente con la velocità, agirebbe contro forze resistenti d’andamento crescente.
Inoltre, il motore a combustione interna non è in grado di erogare coppia, se la velocità di rotazione è inferiore ad un certo valore minimo, la cui entità è determinata, in prima analisi, dalla periodicità della coppia e dall’inerzia del manovellismo; il veicolo, invece, deve potersi avviare da fermo, potendo disporre, per quanto detto, del massimo valore della forza traente.
E’ necessario, per questi motivi, prevedere un sistema meccanico tale da poter adattare il rapporto di trasmissione fra il motore e le ruote del veicolo, alle esigenze della trazione ed alle limitazioni del motore; infine questo rapporto di trasmissione dovrebbe assumere valori molto grandi, idealmente infiniti, all’avviamento del veicolo.
Questo dispositivo, sulle primissime automobili, è stato confuso con un sistema per la regolazione della velocità; da questo fatto è derivato il nome, a noi tramandato, di cambio di velocità. L’organo meccanico dedicato a risolvere il problema dell’avviamento è stato, fin dagli inizi, realizzato mediante un innesto ad attrito, che prese, per questo fatto, il nome di frizione.
Infine, il cambio di velocità, unitamente ad altri organi, ha la funzione di trasmettere il movimento dall’albero del motore ai mozzi delle ruote motrici; questi organi hanno configurazione diversa, in ragione delle esigenze dell’architettura del veicolo e, come noto, ruote e motore hanno una posizione nello spazio non definita con precisione, a causa dei moti di sospensione di entrambi e dell’eventuale sterzatura delle ruote.
Questi organi, di puro collegamento, vengono denominati trasmissione; talvolta, impropriamente, lo stesso nome è attribuito anche al cambio di velocità.
Le considerazioni, in precedenza esposte, non erano totalmente note ai progettisti dei primi veicoli, anche perché questi ultimi erano dotati di motore a vapore che, pur con alcuni inconvenienti per l’uso veicolare, possiede il vantaggio di erogare una curva di coppia motrice alquanto appropriata alla trazione e soprattutto, con valori notevoli anche a motore fermo.
Questa situazione è testimoniata da quello che si ritiene comunemente essere il primo veicolo a motore, realizzato nel 1769 da Cugnot.
La fig. 1 riporta un disegno del meccanismo di collegamento degli stantuffi motori con la ruota di trazione. La ruota motrice è anteriore ed è sterzante, insieme ai motori ed alla caldaia (non rappresentata); non è applicato alcun tipo di sospensione.
Le bielle del motore sono direttamente collegate al mozzo della ruota mediante arpionismi che trasformano il moto alternativo degli stantuffi, in moto rotativo del mozzo.
Questo collegamento diretto, eventualmente realizzato, ancor più semplicemente, con un manovellismo di primo genere, è presente anche su successive realizzazioni di veicoli a vapore ed è stato diffuso universalmente, sulle locomotive dei treni.
Il primo veicolo noto, dotato di motore a scoppio, realizzato da De Rivaz nel 1807, adotta ancora uno schema di trasmissione molto simile e sfrutta l’accoppiamento unilaterale dell’arpionismo per consentire l’avanzamento del veicolo anche durante le fasi non attive del funzionamento del motore.
I cambi manuali
Esistono documenti brevettuali del 1784 che comprovano che Watt preconizzò un cambio ad ingranaggi sempre in presa, con innesti a denti, per migliorare le prestazioni motrici della sua macchina a vapore; è difficile dimostrare come quest’idea possa aver influenzato le realizzazioni successive sulle automobili, che non ricalcarono questo schema in modo generalizzato.
Concordemente, si attribuiscono le prive vetture, commercializzate con motore a combustione interna, a Benz e Daimler, nate rispettivamente nel 1885 e nel 1886; in queste, il problema della trasmissione fu affrontato e risolto in moto completo, anche se con modalità del tutto diverse dalla proposta di Watt.
Si veda in fig. 2 il sistema completo di cambio e frizione della vettura di Daimler. Il cambio possiede due diversi rapporti di trasmissione realizzati mediante collegamenti a cinghia in cuoio fra pulegge di diametro diverso; le due cinghie sono sempre avvolte sulle rispettive pulegge, ma il moto viene trasmesso da una sola delle due, quando uno dei due galoppini 55 (per la prima) e 56 (per la seconda) pone in tensione la cinghia corrispondente.
La capacità di slittamento delle cinghie, allorché il galoppino non ha ancora completato il tensionamento della cinghia, è sfruttata per l’avviamento da fermo della vettura.
Si noti che la tensione delle cinghie non è influenzata dal moto di sospensione della ruota, in quanto non prevista.
Nella vettura di Benz, di poco successiva, sono presenti notevoli miglioramenti, applicati a questo schema. Il cambio, ancora a due rapporti, è mutuato da quelli delle trasmissioni d’officina, adottate da tutte le fabbriche dell’epoca, dotate di un motore centrale a vapore od ad acqua. L’invenzione di questo tipo di cambio può essere fatta risalire ad Anderson, nel 1849.
Le due pulegge condotte (nel disegno in pianta di fig. 3, sulla parte anteriore della vettura) sono, a loro volta, affiancate da altrettante pulegge folli (esterne a quelle condotte); queste ultime hanno un raggio lievemente minore a quello delle prime e la superficie cilindrica attiva delle pulegge condotte è raccordata a quella delle pulegge folli, mediante un opportuno arrotondamento.
Le due pulegge conduttrici (nella parte posteriore del veicolo, coassiali all’albero motore) hanno una larghezza adeguata a sopportare la cinghia sia quando essa è disposta sulla puleggia condotta, sia su quella folle. Due deragliatori, visibili sul disegno, possono spostare le cinghie dalla posizione d’accoppiamento alla puleggia condotta, a quella d’accoppiamento con la puleggia folle.
Le cinghie sono incrociate per aumentare l’angolo d’avvolgimento sulle pulegge; la tensione della cinghia è regolata periodicamente, variando l’interasse fra le pulegge motrici e quelle condotte. Il raccordo, presente sulle superfici delle pulegge condotte, facilita il deragliamento della cinghia nei due sensi; il minore diametro delle pulegge folli riduce la tensione della cinghia, durante l’inattività, ritardandone il periodico snervamento.
La funzione d’avviamento è ancora realizzata utilizzando la capacità della cinghia di slittare; il movimento delle ruote motrici, ora già dotate di sospensione, è compensato da due catene di trasmissione, che collegano l’asse delle pulegge condotte a quello delle ruote motrici posteriori.
Si noti che rileggendo i manuali d’istruzione alla guida, di queste e d’altre vetture coeve, si nota che l’avviamento del veicolo era consentito in entrambi i rapporti e l’uso degli stessi era suggerito in base alla velocità desiderata, piuttosto che dall’esigenza di regolare la forza di trazione.
L’idea di Watt è ripresa solo in esemplari successivi; si suole osservare che le prime automobili dimostrano come l’attenzione degli inventori fosse polarizzata sui problemi motoristici, trascurando talvolta, nei rimanenti aspetti del progetto, i traguardi già raggiunti dallo stato dell’arte della tecnica, a loro contemporanea.
Un esempio tipico di cambio, più simile a quelli a noi familiari, è rappresentato in fig. 4, dove è riportato il disegno per una Fiat 8/16 HP del 1902.
Il cambio ha tre rapporti avanti ed una retromarcia, non ancora prevista su vetture più antiche. Il moto entra dal motore sull’albero inferiore della vista di sinistra, che raffigura la pianta del cambio. Il cambio è del tipo in cascata, dove tutte le ruote dentate motrici sono allineate sull’albero d’ingresso e tutte quelle condotte sono allineate su quello d’uscita, disassato, rispetto al precedente. Partendo dal lato motore, incontriamo l’ingranaggio della retromarcia, seguito da quelli della prima, della terza e della seconda.
Si noti la presenza di una ruota oziosa di rinvio, per l’inversione del moto, non visibile sulla pianta, ma rilevabile dalla sezione rappresentata a destra della figura.
Le ruote condotte sono sempre in presa con quelle conduttrici e, pertanto, devono esser folli sull’albero d’uscita; vedremo fra poco, come sia realizzata la loro selezione. L’albero d’uscita muove un rinvio conico, che comanda, attraverso un differenziale a ruote coniche, i semialberi di comando dei pignoni; questi ultimi, attraverso le catene, comandano le ruote posteriori motrici, secondo lo schema in precedenza visto.
Una frizione a coni, non rappresentata in figura, permette l’avviamento del veicolo e consente la liberazione del cambio, durante le manovre di passaggio da una marcia all’altra.
Notiamo quindi la comparsa di tre dispositivi, fin’ora non incontrati, quali l’inversore, il differenziale e l’innesto a frizione. La loro origine è ben anteriore alla produzione di questa vettura e può essere fatta risalire Selden, nel 1879, per ciò che riguarda l’inversore, a Pecqueur, nel 1827, per il differenziale ed, infine a Marcus, nel 1885, per ciò che riguarda la frizione a superfici coniche.
E’ solo, però, in questi anni che si affronta il problema di integrare tutti questi dispositivi, per renderli utilmente disponibili all’impiego automobilistico.
Veniamo ora al comando interno, per operare il cambio di rapporto. Esso è piuttosto sofisticato ed è costituito principalmente da un’asta cilindrica scorrevole, montata all’interno di una cavità dell’albero condotto. Tale asta riporta alcuni restringimenti che, fatti traslare in posizioni opportune, permettono a due nottolini di impegnare le ruote condotte; il dettaglio dei nottolini della retromarcia è visibile nella sezione a destra della figura. Quando uno dei restringimenti viene a trovarsi in corrispondenza d’una coppia di nottolini, due molle a balestra provvedono a farli incagliare in cavità coniugate, presenti sulle ruote condotte; quando l’asta si sposta, presentando il suo diametro maggiore, i nottolini si ritraggono, portando la ruota nuovamente in folle. La posizione dei restringimenti è congruente con una leva di comando sequenziale, per la quale si succedono le posizioni di retromarcia, prima, seconda e terza.
Questo tipo d’architettura di cambio è presente su molte vetture dell’epoca, ma sarà presto abbandonato per la sua notevole complicazione meccanica e conseguente fragilità: lo schema che si diffonderà è quello dei cambi a treni scorrevoli (trains balladeurs). Anche in questo caso l’invenzione non nasce con l’automobile, ma dal mondo industriale; la priorità può essere assegnata ad un brevetto di Griffith del 1821.
L’innovazione può essere esemplificata dalla Fiat 60 HP del 1904, della quale è rappresentata una sezione in pianta del cambio in fig. 5.
Il cambio è ancora del tipo in cascata e presenta quattro rapporti avanti ed una retromarcia; le coppie di ruote dentate, dalla prima alla quarta, compaiono ordinate, dalla parte sinistra alla destra. Il motore, non rappresentato, è posto a sinistra, mentre, a destra, sono visibili il rinvio a ruote coniche ed il differenziale di comando dei pignoni delle catene di trasmissione.
I due treni del cambio sono costituiti, rispettivamente, dall’insieme delle ruote dentate di prima e seconda e da quello delle ruote di terza e quarta; questi treni sono calettati sull’albero motore di sezione quadra e ruotano con esso, essendo, però, liberi di scorrere assialmente.
Lo scorrimento dei treni è comandato da opportuni collari di manovra, che li portano ad ingranare alternativamente con una delle corrispondenti ruote condotte; gli ingranaggi sono quindi in presa, solamente quando è selezionata la marcia ad essi corrispondente.
La retromarcia è realizzata facendo impegnare una ruota oziosa, non rappresentata in figura, con le ruote dentate della prima, quando il cambio è in posizione di folle. I collari di manovra sono spostati da altrettante forcelle, poste su aste scorrevoli, parzialmente visibili nella pianta, sotto gli alberi del cambio; le aste sono, quindi due per le coppie prima/seconda e terza/quarta, mentre una terza asta è prevista per la retromarcia.
Questa disposizione ha originato i comandi cambio a selezione ed innesto, nei quali la leva di manovra non è più a movimento sequenziale, ma è dotata di un moto trasversale, per la selezione del treno da far scorrere, ed d’un moto longitudinale alternato, d’innesto della marcia prescelta. Esattamente questa disposizione si consoliderà nella prassi, giunta, sostanzialmente invariata, fino ai giorni nostri.
Il cambio a treni scorrevoli richiedeva una certa perizia da parte del guidatore, che doveva cercare di sincronizzare le ruote dentate da innestare, usando il motore durante la fase di folle, precedente l’innesto della marcia successiva (doppio disinnesto o doppietta); una manovra non perfettamente riuscita era segnalata da grattate e comportava danni alle punte dei denti che venivano in contatto a velocità non appropriate.
Taluni costruttori modificarono e perfezionarono quest’architettura, tornando, in realtà, all’idea iniziale di Watt; un cambio d’autocarro, appartenente a questa scuola, realizzato alla fine degli anni ’10, è rappresentato in fig. 6.
Sono disponibili tre velocità avanti ed una retromarcia; l’ingresso del moto dal motore è a sinistra della figura, l’uscita è sulla destra. Non deve trarre in inganno il volano posto sull’albero d’uscita, che non appartiene al motore, ma costituisce il tamburo del freno della trasmissione. Albero d’ingresso e d’uscita sono, ora, coassiali; questa disposizione è appropriata all’impiego di una trasmissione cardanica, che va diffondendosi proprio in questi anni.
Le ruote dentate sono sempre in presa e recano su uno dei loro fianchi un innesto a denti; i treni scorrevoli sono ora ridotti a coppie di piccoli ingranaggi coniugati, con la sola funzione d’innesto. Il problema delle grattate non è risolto, ma i danni, eventualmente conseguenti, sono spostati su un organo ausiliario, appunto l’innesto, che può essere sacrificato, con danni minori per l’integrità del funzionamento. I denti degli innesti possono essere arrotondati, per facilitare la manovra, senza, con questo, influire sulle dimensioni dell’ingranaggio.
Notiamo che, per rendere ingresso ed uscita coassiali, l’albero superiore è spezzato in due tronconi, liberi di ruotare anche relativamente. Il treno d’innesto a sinistra può alternativamente collegare i due tronconi in presa diretta, od azionare un terzo albero (contralbero), posto in basso sulla figura. Solo quando questo è collegato al motore, con il secondo treno d’innesti al centro della figura, è possibile ottenere la prima e la seconda marcia; con l’ultimo innesto a destra è possibile inserire la retromarcia, collegando il contralbero con l’uscita attraverso una coppia di ruote oziose (in pratica un secondo contralbero), parzialmente visibile sulla destra della figura.
Il comando dei treni d’innesto è attuato mediante un sistema di camme frontali, che costituiscono, in questo caso, un azionamento di tipo sequenziale.
Questo tipo d’architettura, eccezion fatta per il comando, è ancora presente sui cambi manuali d’oggi per vetture a motore anteriore e trazione posteriore.
Non si deve però pensare che, alla fine degli anni ’10, le scelte tecniche fossero già consolidate; come spesso accade agli albori dello sviluppo di una nuova tecnologia, le deviazioni dal cammino evolutivo per noi, oggi, più ovvio, furono numerose; si può dire che il cambio sia stato uno degli argomenti più considerati, dopo il motore, dagli innovatori dell’automobile.
Il riportare un catalogo esaustivo di tutte le strade tentate, anche solo per i cambi a comando manuale, esulerebbe dallo spazio concesso per questa trattazione; saranno presentate solamente le architetture che, a parere dell’Autore, mostrano maggiore originalità.
La Frazer Nash costruì in Inghilterra, fra il 1924 ed il 1938, diversi modelli di vettura, tutti dall’intonazione notevolmente sportiva, ma caratterizzati da prezzi abbordabili, almeno per l’epoca. Caratteristica di queste vetture era l’essenzialità della meccanica, come testimonia la trasmissione rappresentata in fig. 7.
Il cambio è realizzato con un sistema di sole catene, tre per le marce avanti ed una per la retromarcia. Le ruote conduttrici (a destra, sul disegno) sono comandate da un rinvio conico collegato al motore; si badi che tale rinvio, per come la trasmissione è costituita, non contiene il meccanismo del differenziale.
Sull’albero destro del rinvio, si trovano i pignoni delle catene di prima e retromarcia; sulla sinistra, quelli di seconda e di terza. Si noti il rinvio a catena ed ingranaggi, per l’inversione del moto della retromarcia. Le ruote condotte sono direttamente montate sull’asse delle ruote motrici posteriore, collegate rigidamente senza differenziale; le ruote condotte possono essere registrate assialmente, per ottenere un buon allineamento delle catene.
La mancanza del differenziale rendeva la vettura particolarmente ostica alla guida, ma molto maneggevole, per un pilota esperto, sui percorsi misti non asfaltati, particolarmente diffusi in quegli anni.
La trasmissione a catena era anche sfruttata per compensare il moto della sospensione.
Gli innesti erano semplicemente realizzati con giunti a denti. Gli appassionati possessori di questa vettura decantavano, oltre al comportamento stradale, l’eccellente manovrabilità del cambio e la possibilità, non offerta da altri cambi, di poter sostituire facilmente innesti e catene rottisi nell’uso.
Si noti come tutto il meccanismo è esposto alle intemperie e non lubrificato, se non con grasso. Si osservi, infine, il bilanciere, infulcrato sul rinvio conico, con particolari fenditure, che s’impegnano con le forcelle di comando degli innesti; questo dispositivo serviva ad assicurare nella posizione di folle l’innesto non utilizzato, ad evitare che le vibrazioni o la forza centrifuga innestassero accidentalmente una marcia indesiderata.
Una vettura con diverse particolarità tecniche, anch’esse inedite, è la Sizair Naudin del 1907, nota anche per possedere una delle prime sospensioni anteriori a ruote indipendenti. Anche in questo caso la preoccupazione del progettista deve essere stata quella del contenimento dei costi del cambio, od, almeno, degli ingranaggi, a quei tempi, il componente con il maggior costo di fabbricazione.
Il cambio è mostrato in fig. 8 e può essere assimilato ad un sistema a treno scorrevole. Gli ingranaggi condotti si riducono ad uno solo, con dentatura frontale R. Il treno scorrevole, costituito dagli ingranaggi P1, P2 e P3, è montato su un sopporto oscillante, non mostrato in figura; l’oscillazione del sopporto è utilizzata per poter accoppiare l’albero conduttore, a distanze diverse, con l’ingranaggio a denti frontali, in ragione del diverso diametro della ruota conduttrice.
Il movimento radiale, richiesto all’albero d’entrata nel cambio, è compensato direttamente dalla trasmissione a giunti cardanici, non mostrata in figura. Si noti la camma C, in basso; essa possiede la duplice funzione di spostare il treno alla giusta posizione assiale, per l’ingranamento, e sostenere le spinte di repulsione delle ruote dentate.
La ruota dentata frontale dovrebbe avere una dentatura conica, così come le ruote del treno scorrevole; tuttavia esse sono state approssimate a dentature cilindriche, accettando errori di contatto.
E’ anche visibile la ruota oziosa di retromarcia, che può essere interposta all’occorrenza, fra il pignone di prima e la ruota a denti frontali.
Un ultimo esempio, interessante ma ingenuo, è quello della Turicum del 1904 (forse l’unico marchio svizzero d’automobili esistito), di cui si mostra, in fig. 9, una riproduzione dell’autotelaio; esso contiene, probabilmente, il primo cambio continuo, nella storia dell’automobile. Anche in questo caso, la vettura è priva di differenziale ed il moto alla ruota posteriore è trasmesso mediante due ruote d’attrito C e D, delle quali, la prima è totalmente metallica, mentre la seconda possiede un rivestimento di gomma, sulla periferia. La ruota D è montata sull’albero E mediante una linguetta, che ne consente lo scorrimento lungo l’asse; l’albero E è montato su di un sopporto oscillante G e mantiene il contatto fra le ruote C e D in pressione, grazie alla molla J.
Mediante la leva b è possibile variare la posizione del punto di contatto fra le pulegge, fra il centro della ruota C (rapporto di trasmissione infinito, cambio in folle) e la sua periferia (rapporto di trasmissione circa unitario). Nella posizione di folle, l’attrito è annullato, annullando l’effetto della molla J sulla ruota. Il possibile slittamento fra le ruote assolve le funzioni della frizione.
Queste ed altre deviazioni dal cammino evolutivo principale, non furono considerate da altri costruttori e furono presto abbandonate dai loro stessi proponenti. Il miglioramento del cambio si concentrò sui perfezionamenti del sistema a contralbero, che regnò, davvero incontrastato, su tutte le vetture a trazione posteriore, con motore anteriore.
Vale, come esempio di questa tendenza, il cambio della Fiat Balilla del 1934 (versione a quattro marce, del cambio originale a tre marce, nato con la vettura, nel 1933) mostrato in fig. 10. Il disegno evidenzia una sezione posteriore, per prima, seconda e retromarcia, a treni scorrevoli, con ingranaggi a denti diritti ed una sezione anteriore con ingranaggi a denti elicoidali, sempre in presa, dotata d’innesto sincronizzato.
Questa scelta è giustificata dall’elevato costo del sincronizzatore, componente indubbiamente innovativo all’epoca della vettura. Il sincronizzatore è limitato ai rapporti di più frequente impiego, che beneficiano, tra l’altro, della riduzione del rumore d’ingranamento, propria degli ingranaggi elicoidali.
A proposito di sincronizzatore, è interessante notare che, sui manuali tecnici dell’epoca, si leggeva, come suggerimento di buona pratica progettativa, di definire il rapporto dell’ultima marcia (quindi, della riduzione finale) con valori leggermente maggiori dell’ideale teorico, per ridurre il numero di cambiate, necessarie a mantenere la vettura a velocità di crociera. Questa prassi testimonia la difficoltà del guidatore ad ottenere, con gli innesti a denti od i treni scorrevoli, passaggi silenziosi e senza danni. Dobbiamo quindi ritenere che l’adozione del sincronizzatore ebbe anche un’influenza positiva su rumore e consumo.
Il cambio della Fiat 1400 del 1950, mostrato in fig. 11, adotta il sincronizzatore su tutte le velocità, fatta eccezione per la prima, che, per ragioni d’economia, è del tipo ad ingranaggio scorrevole, realizzato direttamente sul suo manicotto d’innesto, scorrevole, a sua volta, su quello di terza e quarta; la retromarcia è realizzata con un ingranaggio ozioso scorrevole, non mostrato in figura, che s’impegna fra l’ingranaggio conduttore di prima ed il manicotto, quando questo è in posizione di folle.
Negli anni successivi i sincronizzatori andarono perfezionandosi e la loro applicazione fu gradualmente estesa a tutte le marce; dagli anni ’70, anche le vetture più economiche furono dotate di cambi totalmente sincronizzati.
La frizione
Un elemento particolarmente critico del cambio fu l’innesto a frizione, che pose problemi ai progettisti per contenerne gli sforzi d’azionamento e per aumentarne la durata.
Sulle primissime vetture, la cinghia di trasmissione integrava anche la funzione di dispositivo d’avviamento. Come abbiamo visto nel paragrafo precedente, la frizione a superfici coniche era, però, già nota agli inizi dell’era dell’automobile, probabilmente derivata da trasmissioni per uso industriale.
Vediamo in fig. 12 un esemplare dei primi anni del secolo scorso.
La superficie d’attrito di questa frizione è realizzata mediante un nastro di cuoio, chiodato su una puleggia conica, fusa di ghisa; sebbene, infatti, Frood avesse brevettato il famoso materiale sintetico Ferodo, per guarnizioni d’attrito, già nel 1897, esso si diffuse su larga scala solo negli anni ’20.
Il cuoio possiede un coefficiente d’attrito non molto diverso da quello dei moderni materiali sintetici, ma mostra prestazioni limitate nelle sue capacità di smaltimento del calore e di durata all’uso prolungato; questi fatti implicavano dimensioni delle guarnizioni piuttosto generose. Si noti, inoltre, che su quest’applicazione, come su tante altre, la superficie attiva era unica e non doppia, come nelle frizioni attuali.
La forma conica delle superfici d’attrito fu scelta per limitare la forza risultante, dalla pressione di contatto necessaria sulla guarnizione, per la trasmissione della coppia e rendere il comando non troppo faticoso.
Notiamo, riferendoci alla figura di cui sopra, che il volano motore reca un corto albero, sul quale è libera di ruotare la struttura di reazione alle molle di spinta della frizione; tale struttura equivale al cuscinetto reggispinta delle frizione odierne. Diverse molle ad elica, delle quali solo una è mostrata sulla sezione, spingono il disco condotto della frizione, recante la superficie conica di lavoro.
Su di esso è chiodata la guarnizione in cuoio, con l’accorgimento di interporre alcune piccole molle a lamina (si veda la sezione parziale in basso), per rendere più progressivo l’innesto. Con questo montaggio, molto diverso da quelli odierni, l’albero d’ingresso nel cambio ha dei movimenti assiali durante la corsa di disinnesto e, pertanto, deve essere montato con un giunto scorrevole. La conicità della frizione (1:2, sul disegno) è limitata dal valore del coefficiente d’attrito, per non provocare l’incollaggio irreversibile delle superfici di lavoro.
La notevole cilindrata e, quindi, coppia d’alcuni motori dell’epoca doveva rendere, in ogni modo, troppo pesante la movimentazione del pedale; per questo motivo furono studiati e sviluppati meccanismi più complicati di quello mostrato.
Si sfruttò la proprietà, ben nota in meccanica applicata, di ridurre gli sforzi d’azionamento mediante l’uso di guarnizioni avvolgenti, ovvero di guarnizioni a nastro flessibile, nelle quali la forza d’attrito generata è sfruttata per aumentare la tensione nel nastro.
Si veda, infatti, la fig. 13; sul volano del motore è montata una molla ad elica A, con spire a sezione rettangolare, abbastanza ravvicinate. Un’estremità della molla è direttamente fissata al volano, mediante l’occhiello, mostrato nella parte bassa della figura; l’altra estremità è collegata al volano, mediante una leva articolata D.
Avvicinando all’estremità di detta leva una superficie a forma d’ogiva, è possibile torcere la molla lungo il proprio asse, riducendone il diametro interno.
L’albero d’ingresso nel cambio C si affaccia all’interno della molla ad elica con un piccolo gioco; spostando, mediante il pedale, la superficie ad ogiva, si chiude la molla sull’albero d’ingresso, realizzando una coppia d’attrito.
Come noto, la pressione d’attrito, lungo il contatto delle spire, incrementa la tensione nella spira, senza implicare un aumento nella forza di reazione sull’estremità mobile; la coppia d’attrito generata è funzione esponenziale dell’angolo d’avvolgimento della molla, aumentabile a piacere.
E’ sufficiente il modesto valore dell’attrito metallo su metallo, per realizzare la coppia d’innesto desiderata; la contropartita era l’estrema brutalità dell’innesto, che poteva essere solo attenuata dalle proprietà elastiche torsionali della molla.
Una configurazione molto diversa, agente però secondo lo stesso principio, è mostrata in fig. 14; in essa, la frizione è realizzata mediante due ceppi, che si espandono all’interno di una superficie cilindrica. L’allargamento del ceppo è provocato mediante un comando a vite, a sua volta azionato da un manovellismo di primo genere; si noti la forma della manovella, per facilitare una frequente ripresa dei giochi.
Anche in questo caso, di fronte ad un problema difficile, l’inventiva dei progettisti escogitò molteplici soluzioni, prima di consolidare quella migliore e, per questo, definitiva; furono anche proposte, per superare i citati problemi, già agli inizi del secolo scorso, trasmissioni elettriche ed idrostatiche.
Il punto d’approdo si rivelò, circa negli anni ’20, nella frizione a disco con superfici d’attrito sintetiche, un esempio della quale è mostrato in fig. 15. La superficie d’attrito è, ora, doppia, montata su un disco, mobile assialmente sull’albero d’entrata del cambio. Il disco della frizione è racchiuso fra due superfici (il volano motore e lo spingidisco), compresse da un certo numero di molle elicoidali; una serie di leve, infulcrate sullo spingidisco è utilizzata per la liberazione della frizione mediante lo spostamento assiale del cuscinetto reggispinta.
La frizione ricevette il suo ultimo perfezionamento dall’adozione della molla a diaframma, mostrata in fig. 16; la molla a diaframma, introdotta negli anni ’70 consentì numerosi vantaggi, quale la riduzione degli sforzi d’azionamento del pedale, la semplificazione del meccanismo ed una maggior facilità d’ottenimento di una buona equilibratura dinamica dell’insieme rotante.
I cambi automatici
I cambi automatici hanno vissuto una storia propria, che ricevette un decisivo contributo dall’industria automobilistica americana, fino ad ora non cons
