Il cambio meccanico nei veicoli a due ruote di Alessandro Terranova Responsabile FMEA - GETRAG di Bari

Da sempre il cambio meccanico è visto come l'espressione più pura del concetto di meccanica. Quell'insieme di ruote dentate ed alberi in grado di regalare sensazioni uniche agli amanti della guida, lo rendono sicuramente uno dei dispositivi che, più di qualsiasi altro, può esaltare o meno le caratteristiche di un propulsore.
Lo dimostra il fatto che le grandi case motociclistiche ed automobilistiche investono parecchio delle loro risorse nello studio di questo dispositivo, perché coscienti del contributo che una corretta applicazione di questo componente conferisce al successo commerciale di un veicolo.
Ma quanti di noi sanno effettivamente qual è il suo scopo e come funziona?
Prima di entrare nello specifico, occorre spiegare la necessità dell'esistenza di un dispositivo così complesso ma proprio per questo così affascinante. Sicuramente chi non è più giovane, ricorderà la differenza che esisteva, in termini di sensazione di guida, fra un ciclomotore modello "SI" o "CIAO" ed una "VESPA". Ebbene i due mezzi erano caratterizzati da due soluzioni tecniche differenti: nei primi il cuore della trasmissione era costituito da un dispositivo detto frizione centrifuga, il quale trasferiva alla ruota una coppia (o momento torcente) proporzionale al numero di giri del motore. Nel secondo invece veniva utilizzato un vero e proprio cambio meccanico, costituito da quattro rapporti azionabili tramite un comando manuale da parte del conducente. A questo punto si ricorderà come le partenze da fermo effettuate con una "VESPA" erano sicuramente più entusiasmanti di quelle effettuate con qualsiasi altro ciclomotore.
Da questo breve esempio s'intuisce come il principio, sul quale si basa il funzionamento del cambio, è quello di modificare istante per istante la spinta del veicolo, al variare del carico che agisce sul medesimo (pilota, carburante, bagagli), della pendenza della sede stradale, della resistenza aerodinamica ecc.

Le curve di coppia e di potenza.

A grandi linee pertanto, il cambio serve ad adeguare la velocità di rotazione dell'albero motore a quella della ruota motrice; può quindi in qualche modo essere visto come un moltiplicatore di coppia. Ossia un dispositivo che deve fornire una maggiore "forza di spinta" là dove la potenza del motore è insufficiente all'avanzamento del veicolo.
La presenza di tale dispositivo quindi è legata all'andamento della curva di coppia del motore, in particolare al valore assoluto della coppia fornita ai vari regimi di rotazione del motore stesso. Ma in cosa consiste la curva di coppia?
Incominciamo a dire che con il termine di coppia s'intende il momento torcente che l'albero può trasmettere. Infatti, ogni volta che il pistone riceve una spinta a causa dell'esplosione della miscela di aria e benzina, esso esercita sull'albero una forza che moltiplicata per il "braccio di manovella" (indicato con A) genera una coppia.

La curva di coppia così, come quella di potenza e dei consumi, viene ottenuta sperimentalmente attraverso un rilevamento al banco. In particolare quella di coppia si realizza sperimentalmente frenando un motore, tramite dispositivi frenanti elettrici o idraulici.
La curva che si ottiene, viene quindi raffigurata su di un sistema ad assi cartesiani, sul quale lungo l'asse X si riporta il numero di giri dell'albero motore, e sull'asse Y, il momento torcente espresso in Nm o kgm.
Come si può notare dal grafico, nella prima fase la curva cresce in modo rapido all'aumentare del numero di giri, sino ad arrivare ad un punto di massimo assoluto. Questo punto definisce lungo l'asse delle Y il valore di coppia massima. In tale punto il motore viaggia ad un numero di giri in corrispondenza del quale la massa di fluido, entrante nella camera di combustione, viene utilizzata dal motore in modo totale raggiungendo pertanto, a quel numero di giri, il rendimento massimo possibile per ogni ciclo. Ovviamente, superato il punto di coppia massima, l'andamento della curva diventa decrescente perché il rendimento caratteristico di ogni ciclo di lavoro diminuisce.
Ricordiamoci però che la coppia motrice effettiva (ossia quella rilevabile alla ruota) è diversa da quella indicata (ossia quella che virtualmente si avrebbe all'albero motore).
Infatti, le due grandezze sono legate fra loro dalla seguente espressione:

dove h _m; è il rendimento meccanico del motore, ossia un coefficiente numerico che tiene conto delle perdite meccaniche e varia al variare del numero di giri.
Ma oltre al rendimento meccanico bisogna considerare il rendimento volumetrico Il valore massimo della coppia effettiva viene pertanto raggiunto a quel regime di rotazione per il quale risulta massimo il prodotto del rendimento volumetrico h _v per il rendimento termico h _t per il rendimento meccanico h _m.
Altra curva che occorre spiegare, per meglio comprendere il funzionamento del cambio, è quella della potenza. Noi tutti sappiamo che per avere più potenza dal nostro veicolo, occorre dare più "GAS" ossia occorre fornire al propulsore più energia (sotto forma di carburante) in modo da aumentare il numero di cicli che si compiono nell'unità di tempo e di conseguenza il numero di giri del motore stesso. Questo risulta evidente dalla seguente relazione:

Infatti, all'aumentare di w aumenta la potenza, se supponiamo la coppia costante. E' evidente quindi come l'andamento della curva di potenza e quello della curva di coppia, siano in stretta relazione fra loro. Osservando il grafico, infatti, si nota come la curva di potenza presenta un andamento crescente e caratterizzato da una forte pendenza; questo andamento così caratteristico è dovuto al fatto che, nel tratto iniziale, anche la curva di coppia sale con una certa rapidità.
Superato il valore di coppia massima, la potenza continua tuttavia ancora a crescere in quanto, l'aumento del numero di giri è preponderante rispetto alla diminuzione del valore della coppia. La parte tratteggiata della curva della potenza, nella pratica comune, non è mai rilevata in quanto durante la prova potrebbe venire meno la resistenza del motore.
Il propulsore, infatti, normalmente è progettato e proporzionato in modo tale da poter sopportare solo per pochi attimi regimi di rotazione molto elevati (vedi punto D sul grafico). Nel punto B, invece, si è in corrispondenza del minimo regime d'utilizzazione. Durante la marcia al minimo, le resistenze meccaniche assorbono tutta la potenza sviluppata dal fluido attivo: al di sotto di tale regime, il funzionamento del motore diventa irregolare a causa sia dell'alimentazione imperfetta (causata dalla velocità del fluido e dalle dimensioni dei condotti all'interno dei quali si muove), e dalla irregolarità della coppia motrice dando così luogo a fenomeni di mal funzionamento.
Dall'analisi di queste due curve si capisce come, proprio perché il loro andamento non è regolare ma varia sensibilmente al variare del numero di giri, i motori motociclistici sono in grado di fornire una coppia considerevole solo quando il motore ruota ad un regime piuttosto elevato. Ecco quindi che il cambio meccanico permette di ricercare il miglior compromesso fra le resistenze in gioco e la velocità di avanzamento.Il cuore della trasmissione:

il cambio

Lo scopo quindi del cambio è quello di modificare, in virtù delle necessità, il rapporto di trasmissione fra il propulsore e le ruote, in modo che ad ogni numero di giri del motore corrisponda un diverso numero di giri delle ruote.
Ecco quindi che si delinea il concetto di rapporto di trasmissione. In generale due ruote dentate ingrananti fra loro sono caratterizzate da un valore numerico detto, rapporto di trasmissione. Tale coefficiente può scaturire in generale dal rapporto che esiste fra le singole grandezze di seguito definite:
Il numero di denti delle due ruote
I diametri delle due ruote.
· Le velocità angolari con le quali ruotano le due ruote. Nelle due ruote in questione, si individuano la ruota conduttrice e la ruota condotta. In generale si avrà una riduzione, se la ruota conduttrice presenta un numero di denti o un diametro più piccolo della ruota condotta, una moltiplica se accade il contrario. In generale tale rapporto è identificato con il termine

I riduttori generano numeri inferiori all'unità.
Una tacita convenzione adottata dai costruttori prevede di identificarlo proprio con il suo opposto

ed è per questo che spesso le case costruttrici riportano dei valori superiori all'unità a identificazione delle "marce" adottate.
Gli ingranaggi meccanici quindi possono essere visti come dei moltiplicatori di coppia. Se si prende ad esempio un ingranaggio dotato di 10 denti che trasmette il moto ad un ingranaggio con 20 denti, si avrà nel passaggio dal primo al secondo un dimezzamento della velocità ed un raddoppio della coppia trasmessa. Questo scaturisce dalla relazione:

dove i termini che figurano hanno il seguente significato
C₁ = coppia ruota motrice ;
C₂ = coppia ruota condotta
w₁ =velocità angolare ruota motrice
w₂ = velocità angolare ruota condotta
v₁ =velocità lineare ruota motrice
v_{2 =} velocità. lineare ruota condotta
R₁ = raggio ruota motrice ;
R₂ = raggio ruota condotta
per cui :

Pertanto quando il cambio del motociclo ha il primo rapporto inserito, il motore girerà ad un regime elevato, mentre la velocità di rotazione della ruota posteriore sarà assai ridotta. Quindi, la coppia su di essa agente sarà molto elevata. Di qui la possibilità con le cosiddette "marce basse" di superare salite assai ripide e di effettuare brusche accelerazioni.
Si può quindi affermare che, con il motore funzionante ad un determinato regime di rotazione, il lavoro effettuato dalla ruota posteriore nell'unità di tempo è sempre lo stesso qualunque sia il rapporto inserito. Mentre però nelle "marce basse" la ruota motrice si muove lentamente ma trasmette una coppia elevata, nelle "marce alte" al contrario la ruota posteriore si muove rapidamente ma trasmettendo una coppia piuttosto bassa. Durante la marcia quindi sarà possibile mantenere per ogni velocità di avanzamento del veicolo, un regime di rotazione del motore al quale corrisponde un'adeguata erogazione di potenza. I migliori risultati in termini di accelerazione e risposta da parte del veicolo, si ottengono scegliendo il rapporto che consente al propulsore di girare in un range di giri compreso fra quello in prossimità del quale si ha il valore di coppia massima, e quello in prossimità del quale si ha la potenza massima.
Nelle motociclette dotate di cambio in realtà la trasmissione del moto alla ruota, avviene tramite due distinte trasmissioni:
- la trasmissione finale, costituita dalla ruota posteriore e dalla catena
- la trasmissione primaria costituita dal pignone calettato sull'albero motore e dalla corona situati all'ingresso del cambio.
E' evidente quindi la possibilità di definire un ulteriore rapporto di trasmissione detto per l'appunto primario, dato dal rapporto fra il numero di denti del pignone e quello della corona. Noto quindi il rapporto di trasmissione primario e quello finale, è sufficiente prendere in considerazione il rapporto che si crea fra le varie coppie di ingranaggi volta per volta per ottenere quello totale.
Si capisce quindi come intervenire direttamente per modificare i rapporti interni del cambio sia praticamente impossibile, a meno di sostituire le ruote con altre aventi un numero di denti differenti. Più facile potrebbe risultare la modifica del rapporto di trasmissione finale, in quanto è più facile agire sul numero di denti del pignone o della corona sui quali si avvolge la catena di trasmissione. È evidente che generalmente le case motociclistiche scelgono il rapporto di trasmissione che meglio si adatta alle caratteristiche del motociclo, considerando l'utilizzo al quale è destinato (percorsi autostradali, cittadini, fuoristradistici, ecc) pertanto è quasi sempre sconveniente modificare tali parametri. Pena ottenere un veicolo poco prestazionale o avere un propulsore il cui numero di giri sarà il più delle volte troppo elevato. Comunque in caso di necessità occorre ricordare che per accorciare un rapporto, agendo sul pignone, bisogna montarne uno con un diametro inferiore e quindi con un numero di denti più basso, mentre per la corona vale il contrario. Occorre invece agire in modo contrario se lo si vuole allungare. È anche importante sapere che ogni dente in più o in meno sul pignone corrisponde con buona approssimazione a tre denti in meno o in più sulla corona.
Ad esempio se consideriamo il seguente rapporto.

aggiungendo tre denti alla corona

se lasciamo invariato il numero di denti della corona e diminuiamo di un solo dente quello del pignone si avrà

ossia un identico rapporto di trasmissione finale.

Posizione del cambio

A differenza di quanto accade nel campo automobilistico, in campo motociclistico il cambio è solitamente in blocco con il motore, tranne casi eccezionali in cui il sistema di trasmissione rappresenta un gruppo a se stante. Un esempio lo sono i propulsori GUZZI, in cui il cambio è un gruppo ben distinto da quello propulsivo.

Le case come la MOTO GUZZI, infatti, sposano un tipo di filosofia oramai abbandonata, che in passato era la filosofia costruttiva di case motociclistiche appartenenti alla scuola inglese.
Tale filosofia veniva privilegiata per motivi di semplicità costruttiva ed economica. Il cambio infatti, in tal caso, veniva visto come un vero e proprio accessorio che poteva equipaggiare diverse motociclette dotate invece di propulsori nettamente diversi fra loro.
A volte in fase di progettazione si ricavava nei coperchi laterali del carter motore, un vano all'interno del quale veniva alloggiato il cambio. Si era quindi in presenza dei cosiddetti "cambi in semiblocco". In tal caso, pertanto, il cambio era separato e la trasmissione era garantita da una catena la cui tensione era assicurata dalla rotazione eccentrica del blocco all'interno del vano.
Oggi invece il cambio in blocco, rappresenta una delle soluzioni più pratiche e moderne, in quanto permette di semplificare il sistema di lubrificazione e di migliorarne l'efficienza.
Il problema di non poter utilizzare il cambio come parte accessoria intercambiabile, viene superato invece scegliendo opportunamente, in fase di progettazione, gli interassi degli alberi del cambio destinato ad equipaggiare un determinato motore, ed imponendo i medesimi valori al variare delle unità propulsive con le quali il cambio dovrà essere accoppiato. In tal modo si raggiunge un'ottimizzazione della produzione seriale, utilizzando componenti già collaudati e pertanto sicuri ed affidabili. Si riportano di seguito un esempio di tali cambi in blocco nel caso di un motore monocilindrico, bicilindrico e quadricilindrico.

Tipologie del cambio

Nel corso degli anni molte sono state le scelte tecniche adottate dalle varie case costruttrici. Due sole però sono riuscite ad affermarsi nel tempo e continuano a tutt'oggi ad essere le più seguite
IL CAMBIO A PRESA DIRETTA
IL CAMBIO A CASCATA DI INGRANAGGI
Ci sono poi rari casi in cui il cambio funge da trasmissione primaria, avendo gli ingranaggi conduttori calettati direttamente su un prolungamento dell'albero motore, oppure altri in cui l'albero secondario del cambio trasmette direttamente i giri alla ruota motrice (VESPA). Infine ci sono i cambi automatici che possono essere del tipo a puleggia espandibile oppure a variatore centrifugo di velocità. Di tale tipologia se ne parlerà in seguito. > > Si riporta di seguito un esempio delle tre tipologie:

Questa tipologia di cambio è caratterizzata dall?esistenza di coassialità fra il pignone della trasmissione finale e l' albero primario. Il pignone, infatti, è calettato su di un grosso albero cavo coassiale all'albero primario, ma indipendente da quest 'ultimo. Tale tipologia di cambio presenta sempre due coppie di ruote in presa continua fra loro. Solo nel momento in cui è inserita la presa diretta, viene meno l'ingranamento continuo di due ruote, in quanto l'albero primario è direttamente collegato all'albero cavo, ed il pignone della trasmissione finale ruota alla medesima velocità della corona della trasmissione primaria. In tal caso il numero di giri dell'albero è uguale al numero di giri della ruota. Si riporta di seguito uno schema tipico di tale trasmissione, con l'individuazione degli organi calettati in modo fisso sugli alberi, gli organi calettati in modo fisso ma scorrevole grazie alla presenza di profili scanalati e le ruote libere di girare in folle, perché montate su cuscinetti a rullini. Di seguito anche lo schema cinematico in ogni rapporto.

Il cambio a cascata di ingranaggi

Variatore centrifugo di velocità

Il variatore centrifugo di velocità è forse oggi uno dei sistemi di trasmissione più affermato fra i motoveicoli di piccola cilindrata , grazie ai vantaggi che offre in termini di spunto ed economicità di esercizio. : < Anzi l'affidabilità e le prestazioni, che tale dispositivo sono in grado di garantire, sono tali che non mancano esempi in cui importanti case motociclistiche hanno allestito scooters equipaggiati con propulsori che arrivano anche a 800cc. di cilindrata. : Tale dispositivo altro non è che un cambio progressivo in grado di sviluppare una gamma continua, e pertanto infinita, di rapporti compresi fra un minimo ed un massimo, fissati in fase di progetto. : La variazione dei rapporti in tal caso non è quindi graduale (ossia ad un preciso rapporto selezionato corrisponde un ben definito rapporto di trasmissione), ma continua. È come se volta per volta avessimo due ruote che ingranano fra loro, il cui diametro però varia continuamente in funzione del rapporto di trasmissione richiesto per vincere le resistenze esterne che incontra il veicolo (pendenze, variazioni di peso, asperità ecc.). Vediamo quindi cosa è un variatore. Generalmente un variatore è costituito da due pulegge e da una cinghia di tipo trapezoidale.

Ciascuna puleggia è costituita da due piatti con profilo tronco conico, rivolti l'uno verso l' altro in modo da costituire una gola sulla quale si avvolge la cinghia di trasmissione. Dei due piatti uno è fisso mentre l ' altro è libero di muoversi assialmente. <Ad ogni spostamento del piatto mobile si ha una variazione del diametro della puleggia, passando dal punto di massimo accostamento (diametro maggiore) al punto di massima distanza (diametro minore). A provocare tale spostamento nella puleggia motrice, provvedono alcune sfere a rulli, che per effetto della forza centrifuga, scorrono all' interno di apposite guide ricavate in modo solidale al piatto mobile. La variazione del diametro della puleggia motrice genera quindi la variazione del rapporto di trasmissione ed in seguito, l' :allungamento o l ' accorciamento della cinghia trapezoidale, che proprio per questo agisce sulla puleggia condotta spostando il piatto mobile che è tenuto premuto contro quello fisso, grazie alla forza esercitata da una molla molto elastica. Al variare quindi sia delle masse sferiche che agiscono sul piatto della puleggia motrice, sia della rigidezza della molla che tiene accostati i piatti della condotta, si capisce come sia facile variare lo spunto che una trasmissione del genere può generare.

Regolazione dei rapporti del cambio

I rapporti del cambio devono essere regolati in modo da adattarsi al tipo di percorso che il veicolo deve affrontare. Attraverso la regolazione dell'ultimo rapporto si regola la velocità massima del veicolo: più il rapporto è lungo , ma di conseguenza maggiore è il tempo che si impiega per raggiungere tale velocità. Più il rapporto è , più il veicolo risulta vivace. Se quindi supponiamo un utilizzo del veicolo in un circuito qualunque, sia stradale o crossistico, la regolazione va fatta regolando il primo rapporto sulla curva più lenta. Si procede quindi alla suddivisione dei rapporti fra la prima ed ultima marcia.
L' ultima marcia si regola considerando la lunghezza del rettilineo maggiore, e quindi il massimo numero di giri che il motore può raggiungere sul rettilineo in questione: se questo regime non è quello massimo che il motore può sopportare, il rapporto è troppo lungo. Al contrario se il regime massimo è ottenuto troppo rapidamente, il rapporto è troppo corto. indi il primo rapporto in modo da ottenere il regime massimo nella curva più lenta del circuito: se il regime massimo si ottiene troppo velocemente, si allunga il rapporto della prima, se non lo si raggiunge mai, lo si accorcia. Gli altri rapporti quindi vengono suddivisi tra il primo e l 'ultimo.

Suddivisione dei rapporti

La suddivisione dei rapporti consiste nel regolare i rapporti delle marce compresi tra la prima e l ' ultima marcia. <Una buona suddivisione consiste nel regolare i rapporti in modo che non vi siano scarti fra due marce, cioè che, una volta ottenuto il regime massimo di una marcia, quello ottenuto durante il passaggio alla marcia superiore non sia troppo basso.
E questo in effetti è ciò che accade nei variatori per i ciclomotori, e nei cambi automatici per le autovetture.

; Sistemi di comando ;

Il sistema più diffuso per variare, allinterno di un cambio motociclistico, il rapporto fra i giri del motore e quelli della ruota, è quello definito come selettore desmodromico.

Esso è costituito da un selettore cilindrico che presenta sulla sua superficie esterna una serie di incavi che fungono da piste guida per le forcelle destinate a far scorrere sugli alberi, le coppie di ingranaggi che di volta in volta entrano in coppia fra loro. Tale tamburo viene fatto ruotare a scatti grazie ad un meccanismo esterno al carter collegato alla leva del cambio che permette così al tamburo di fermarsi in posizioni prefissate.
Ogni qual volta si aziona la leva del cambio, essa pone in rotazione il tamburo permettendo la movimentazione assiale delle forcelle montate su appositi alberini. A volte il tamburo è sostituito da una piastra di selezione opportunamente sagomata in modo da sviluppare opportuni profili all'interno dei quali, trovano sede i pioli di guida delle forcelle. L'estremità di ciascuna forcella è caratterizzata da un profilo ad arco di cerchio, che va a porsi all' interno di una cava circolare praticata sull ' ingranaggio detto scorrevole.
Tale ingranaggio, libero di traslare sull'albero grazie al profilo scanalato di cui è provvisto, resta vincolato durante la rotazione all' albero.Tale ingranaggio presenta inoltre alcuni denti i quali vanno ad impegnarsi in altrettanti fori presenti sulle ruote calettate in modo solidale con l'albero. Grazie pertanto al moto impresso da tale forcella l'ingranaggio scorrevole, attraverso la propria traslazione, s'impegna con l'ingranaggio solidale all'albero diventando un tutt' uno con quest ' ultimo e trasmettendo così, la coppia che riceve dalla ruota con la quale ingrana. In tal modo, pertanto, è possibile la trasmissione del moto fra un ingranaggio "libero" ed un ingranaggio "fisso". Il primo è caratterizzato dalla possibilità di ruotare in folle attorno al proprio asse, perché montato su un cuscinetto volvente; il secondo è vincolato a ruotare con l 'albero su cui è calettato grazie alla presenza del profilo scanalato. Riassumendo pertanto la leva del cambio con il suo moto, comanda il selettore che genera la rotazione del tamburo. La rotazione di quest'ultimo finisce con il muovere le forcelle che, spostandosi in un senso o in un altro, rendono liberi o solidali all'albero ora un ingranaggio ora l'altro.