I pregi di una trasmissione meccanica, più o meno evoluta, li abbiamo analizzati nel primo articolo dedicato al mondo delle trasmissioni, in un percorso che, grazie all'aiuto di esperti del settore, ci ha portato dai sistemi meccanici più semplici a osservare soluzioni con velocità sotto carico (Hi-Lo e HML) e marce robotizzate.
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Ora sotto la lente, le trasmissioni powershift e a variazione continua (Cvt), più complesse sia dal punto di vista costruttivo che di funzionamento, sempre supportati dall'esperienza di alcuni costruttori del settore pronti a raccontarci i segreti delle loro soluzioni.
Semi e full powershift: il cambio è sotto carico
I sistemi Hi-Lo e HML - già approfonditi nel precedente articolo - possono essere considerati sistemi powershift estremamente semplici che trovano un'evoluzione in soluzioni più complesse come i sistemi semi powershift muniti di un numero elevato di marce, tutte sotto carico, all'interno di più gamme a innesto manuale o robotizzato, e quelli full powershift che si differenziano perché offrono il cambio sotto carico sia di marcia sia di gamma.
Le trasmissioni semi powershift prevedono che, all'interno della stessa gamma, il cambio marce avvenga sempre sotto carico. Una generica organizzazione dell'albero della trasmissione prevede ingranaggi sempre in presa e un numero più alto di frizioni - di solito una per ogni coppia di ingranaggi - che sostituiscono l'unica frizione centrale. In questo modo, mentre una marcia (ingranaggio) si innesta, l'altra si disinnesta gradualmente senza interruzioni di potenza.
Funzionamento di una trasmissione semi powershift in campo e su strada
"L’utilizzo di una trasmissione powershift è, normalmente, legata alla categoria di potenza della macchina, alle attività che dovrà svolgere e al contesto operativo. Se, ad esempio, per i trattori fino ai 100 cavalli può essere sufficiente una trasmissione meccanica o dotata di Hi-Lo o HML, salendo di categoria e affrontando macchine di medio alta potenza è molto più indicato e diffuso l’utilizzo di powershift a stadi multipli (4, 6, 8) o full powershift" spiega Osvaldo Brigatti, Marketing & Communications manager di Case IH.
Come visto anche per le trasmissioni meccaniche con Hi-Lo o HML, molto spesso la gestione delle gamme nei sistemi semi powershift può essere robotizzata: il cambio gamma è automatizzato e ci avviciniamo ad una soluzione full powershift.
"È il caso delle nostre trasmissioni che presentano all'ingresso della trasmissione 2 gruppi epicicloidali per la Dyna 4 e 3 per la Dyna 6 e 7. Il tutto, per 4 marce sotto carico nella Dyna 4 e rispettivamente 6 e 7 marce sotto carico nelle versioni Dyna 6 e 7 tutte in 4 gamme robotizzate " commenta Claudio Bogoni, Product marketing specialist di Massey Ferguson.
Trasmissione semi powershift Dyna 7 con sette marce sotto carico in 4 gamme robotizzate
(Fonte foto: Massey Ferguson)
Doppia frizione: l'ultima evoluzione dei powershift
Alla precedente architettura si affianca una diversa tipologia di trasmissioni semi powershift che prevede l'uso di un albero principale e due alberi secondari di trasmissione. Questa tipologia di cambi - conosciuta anche come a doppia frizione o dual clutch - prevede la suddivisione dei rapporti di trasmissione pari e dispari sui due alberi.
I due alberi secondari ruotano sincronizzati ma solo uno trasferisce il moto a quello principale. Quando si inserisce, ad esempio, una marcia dispari, nell'albero delle marce pari viene preinserita una delle marce adiacenti (superiore o inferiore) scelta dalla centralina in funzione del regime motore. In seguito, durante il cambio marcia viene disinserita la prima e innestata la seconda.
"Ne è un esempio la nostra trasmissione powershift più avanzata: la ActiveDrive 8. Seppur costruttivamente molto semplice - due alberi e una frizione per ognuno - il sistema a doppia frizione permettere cambi di marcia rapidissimi e quasi impercettibili tra le 8 marce sotto carico presenti" spiega Brigatti. "Per le operazioni a velocità più elevata (su strada) è disponibile, dalla terza gamma, una funzione di salto marce che consente di passare velocemente in successione i rapporti powershift".
Funzionamento della trasmissione dual clutch ActiveDrive 8 di Case IH
Mantenendo lo stesso principio e applicando sui due alberi secondari, non le marce, ma le gamme, otteniamo una trasmissione full powershift. La trasmissione non è più robotizzata e il passaggio di gamma, così come quello di marcia, avvengono completamente sotto carico.
"La nostra trasmissione dual clutch full powershift Dyna E-Power è un'evoluzione della Dyna 7 e presenta sempre 7 marce sotto carico, ma - ci spiega Bogoni - ha un albero per le gamme dispari (1 e 3), uno differente per le pari (2 e 4) e 2 frizioni indipendenti. Quando si esegue un passaggio tra gamme, i relativi sincronizzatori sono già inseriti. Mentre viene chiusa la frizione delle gamme pari, si apre la frizione di quelle dispari (o viceversa ndr.). In questo modo è possibile operare senza interruzione di coppia trasmessa, come avviene nei cambi marcia".
Trasmissione Dyna E-Power, in evidenza la differenza (secondo albero per le gamme dispari) con la precedente Dyna 7
(Fonte foto: Massey Ferguson)
Se da un lato il cambio powershift permette un aumento della capacità operativa, dall'altro aumenta l'assorbimento di potenza: il maggior numero di ingranaggi, frizioni e altre componenti, creano un maggiore attrito diminuendo il rendimento complessivo fino a un 85% minimo. Infine, oltre che sulle dimensioni - vedi la presenza di due alberi secondari -, la presenza di sistemi powershift incide anche sul costo finale del trattore.
Variazione continua: un numero "infinito" di rapporti
Ultime arrivate nel modo dei trattori e più complesse - maggior ingombro, manutenzione specifica e costi maggiori -, le trasmissioni Cvt offrono però la massima versatilità operativa.
A differenza di quanto accade con i cambi powershift dove le velocità raggiungibili sono funzione della combinazione di gamme e marce selezionate (rapporto di trasmissione), con un cambio Cvt è possibile variare in modo continuo - in realtà esiste un gradino di circa 100 metri ora - la velocità di avanzamento tra 0 e il valore massimo (40 o 50 km/h) per regolare finemente la risposta del mezzo.
Se alcuni sistemi powershift, soprattutto i full powershift, prevedono l’intervento dell’idraulica per la regolazione e la gestione della trasmissione (inversori e frizioni idrauliche), solo alcuni cambi a variazione continua prevedono olio idraulico utilizzato direttamente per la trasmissione del moto.
Nelle Cvt viene introdotta una potenza idraulica da sommare (o sottrarre) alla potenza meccanica trasmessa
(Fonte foto: Massey Ferguson)
Anche nel caso delle trasmissioni a variazione continua si osservano varie soluzioni proposte dai costruttori. Possiamo definire 4 tipologie di trasmissione:
- idrostatiche pure;
- meccaniche;
- miste;
- elettriche.
Tralasciando le prime, non usate in ambito agricolo, e le ultime, non ancora diffuse (le prime trasmissioni elettriche sono in fase di sperimentazione da parte di molti brand), ci concentreremo sulle soluzioni più diffuse, quelle miste e idromeccaniche.
Cvt miste: massima espressione della variazione continua
Il cambio a variazione continua misto - generalmente chiamato anche solo Cvt - prevede uno o più gruppi epicicloidali con ingranaggi sempre in presa. Bloccando di volta in volta una o due delle tre componenti di ciascun gruppo - corona, pignone e porta satelliti - si ottengono diversi rapporti di trasmissione senza interrompere il flusso di potenza così da operare sempre sotto carico.
"La parte meccanica della CVXDrive, la nostra trasmissione Cvt idromeccanica, si basa su 2 rapporti avanti e uno in retromarcia per i trattori fino a 180 cavalli e su 4 rapporti avanti e 2 in retromarcia per le potenze maggiori. La CVXDrive si adatta automaticamente alla velocità e al carico e il rapporto successivo è sempre pronto" commenta Brigatti.
Funzionamento della parte meccanica della trasmissione a variazione continua CVXDrive di Case IH
Associata al precedente sistema epicicloidale meccanico nelle Cvt miste si trova anche un'unità idrostatica composta da una pompa, un motore idraulico innestato sulla trasmissione meccanica e un impianto che collega i due elementi precedenti.
La componente idrostatica è in grado di variare la potenza trasmessa modificando la pressione applicata dal motore idraulico alle componenti meccaniche. Modificando l’inclinazione del piattello della pompa e del motore idraulico, è possibile sommare o sottrarre la potenza idraulica a quella meccanica variando il rapporto di trasmissione in modo continuo.
"Dyna-VT è la nostra variazione continua caratterizzata da un sistema misto meccanico idrostatico ed è caratterizzata da due modalità. Qui non parliamo di gamme - sottolinea Bogoni - perché questo tipo di Cvt è semplicemente privo di gamme per l'intero range di velocità disponibile che va da 0 a 30 chilometri orari nella modalità campo e da 0 a 55 chilometri orari nella modalità strada.
"In entrambe le modalità, se viene impostato il funzionamento automatico e una velocità d'avanzamento, Dyna-VT mantiene la velocità e varia i giri motore in funzione del carico sulla trasmissione. In manuale, alla pressione del pedale acceleratore, è possibile regolare il regime del motore mentre, con la leva multipad, si regola la velocità" aggiunge Bogoni.
Funzionamento di una trasmissione Cvt composta da un'unità idraulica e una meccanica
Meccanica, idraulica ed... elettronica
La grande versatilità d'uso delle Cvt è spesso incrementata da un uso massiccio di software dedicati che permettono di adottare automatismi e regolazioni, interfacciando la trasmissione con il motore e con tutte le altre parti del trattore.
"In quest'ottica, sulla Dyna-VT ci sono due funzioni molto importanti: il supervisore strada e il supervisore Pto. La prima conserva la velocità d’avanzamento invariata in caso di tratti stradali in pendenza, grazie ad un aumento dei giri motore. La seconda invece, mantiene un regime della Pto costante (per una lavorazione uniforme) riducendo la velocità qualora il mezzo incontri un terreno più resistente" commenta Bogoni.
Le Cvt utilizzano il motore sempre nel punto di minor consumo di carburante con grande efficienza energetica. Dal punto di vista dei rendimenti, le trasmissioni meccaniche offrono efficienze elevate (spesso intorno al 90%). L'aggiunta di unità idrostatiche riduce lievemente il rendimento complessivo che tuttavia in alcuni casi può raggiungere anche l'85%.
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