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Titolo: [tecnica] I cambi robotizzati e a doppia frizione

http://www.omniauto.it/magazine/articolo/2500/i_cambi_robotizzati_e_a_doppia_frizione.html
I cambi robotizzati e a doppia frizione 
12 Febbraio 2007  |  Alessio Ciarnella 
Il cambio robotizzato ha acquistato notorietà quando venne adottato nel
1988 sulla Ferrari di «Formula 1», liberando il pilota dall’incombenza di
agire sulla leva del cambio e sul pedale della frizione (entrambi pesanti
come macigni), visto che il passaggio da una marcia all’altra avveniva
semplicemente tirando delle levette poste dietro al volante, una per
salire, l’altra per scalare. Queste nobili origini hanno fatto sì che, al
momento del travaso di tecnologia dal mondo delle corse alla produzione di
serie, i modelli che li adottarono acquisissero automaticamente una fama di
sportività, spesso non supportata dalla realtà dei fatti. Ma questi sono
stati, e sono tuttora, furberie di comunicazione e marketing, che esulano
dai nostri scopi di approfondimento tecnico. 
Questo tipo di cambio non rappresenta un concetto di trasmissione diverso
dal comune cambio manuale che tutti conosciamo: infatti, la base di
partenza è un cambio meccanico manuale, in cui tutti i leveraggi (aste e
cavi) che permettono al guidatore la selezione delle marce e l’azionamento
della frizione, sono sostituiti da componenti idraulici o elettrici, detti
attuatori, che, come suggerisce il nome, “attuano” tutte le operazioni
necessarie a cambiare rapporto di velocità: sono, in pratica, dei robot (da
cui la denominazione del cambio) che fanno il lavoro al posto del
guidatore. 
La “robotizzazione” viene applicata su due diverse tipologie di cambi
meccanici manuali: quelli tradizionali, con selettore ad “H”, e quelli
sequenziali, presenti su tutte le motociclette ma, relativamente alle
automobili, di impiego quasi esclusivamente riservato al mondo delle corse.
Dei primi, di cui abbiamo già parlato dettagliatamente nell’articolo “Tra
Ruota e Motore”, ricordiamo che la selezione delle marce avviene mediante
lo spostamento di un manicotto dentato, comandato, tramite una forcella e
dei rinvii, dalla leva del cambio: questo manicotto si va ad “ingranare”
sulla dentatura laterale dell’ingranaggio della marcia prescelta rendendo
solidale l’albero “primario”, collegato al motore, con l’albero
“secondario”, collegato alle ruote. In questo caso, gli attuatori sono dei
pistoncini elettroidraulici che muovono direttamente le forcelle (di solito
sono due, uno per le marce pari, l’altro per le dispari), anche se spesso
si utilizzano meccanismi del tipo ingranaggio-vite senza fine azionati da
un motorino elettrico.
Nei cambi sequenziali esistono sempre i manicotti dentati e le forcelle, ma
è differente il modo con cui vengono mossi: qui è presente un tamburo
scanalato (in pratica un cilindro metallico con delle scanalature incise),
posto parallelamente ai due alberi porta-ingranaggi. Le scanalature fanno
da guida alle forcelle, e hanno una conformazione tale che a seguito di una
rotazione del tamburo le forcelle stesse si muovono assialmente, facendo
ingranare il manicotto con l’ingranaggio. E’ evidente che la
“robotizzazione” di un cambio sequenziale si otterrà adottando un attuatore
di rotazione (in pratica un motore elettrico) che farà ruotare il tamburo
dell’angolo corrispondente al rapporto da inserire. 
Per amor di precisione, chiariamo la differenza fondamentale tra un cambio
con selettore ad “H” e un sequenziale. Con il primo è possibile passare
direttamente da un rapporto ad un altro qualsiasi (ad esempio dalla prima
alla terza), mentre con il secondo (e lo sa bene chi possiede una
motocicletta) si è obbligati ad inserire ogni marcia intermedia, in
sequenza: questo perchè il sequenziale si affida ad un solo dispositivo, il
tamburo appunto, per muovere tutte le forcelle, che viene ruotato, per
inserire la marcia desiderata, di un certo angolo, passando inevitabilmente
per gli angoli (e le marce) intermedi. E’ meno pratico, ma d’altra parte
consente cambiate più veloci e a prova di errore. 
Nei cambi robotizzati, anche le fasi di attacco e stacco della frizione
vengono gestite da un attuatore idraulico. Per cambiare marcia, il pilota
non deve far altro che esercitare una breve pressione o sulla leva del
cambio, oppure sulle levette poste dietro al volante, che fanno molto
«Formula 1»…Spetta solo alla centralina elettronica eseguire tutta quella
sequenza di operazioni per un cambio di rapporto (che altrimenti farebbe il
guidatore): ridurre il gas, aprire la frizione, innestare la marcia,
chiudere la frizione e riportare il motore a regime. Inoltre, il chip tiene
sotto controllo molti parametri, quali la marcia prescelta, la posizione di
acceleratore e freno, il regime motore, per evitare che venga inserito un
rapporto non idoneo. E visto che “robotizzazione” fa rima con
“automatizzazione”, si può delegare completamente all’elettronica la
selezione delle marce, per un relax totale o una condotta di guida
orientata alla massima riduzione dei consumi di carburante: giusto per
citare un esempio, la «Lupo 3L TDI» del 1998, riusciva a conseguire il
risultato di consumare, in determinate condizioni, solo 3 l/100 km grazie
anche all’intelligente gestione elettronica e all’efficienza del suo
robotizzato a 5 marce. 
Più in generale, quindi, un cambio robotizzato è, tra le varie di tipologie
di trasmissioni automatiche, quello meno penalizzante in termini di
consumo: la base di partenza è un già efficiente, semplice e leggero cambio
meccanico, e l’impianto idraulico necessario al suo funzionamento richiede
un basso e quasi trascurabile assorbimento di potenza poichè gli attuatori
devono compiere piccoli spostamenti di lieve entità, mentre nei CVT o negli
automatici idraulici sono necessarie pompe ad alta pressione per serrare,
con grandi forze, le pulegge o le frizioni. 
Un cambio robotizzato unisce i pregi della facilità costruttiva e
dell’adattabilità a cambi manuali preesistenti con la rapidità della
selezione delle marce, tanto da trovare applicazione su una varietà di
vetture quanto più possibile eterogenea: lo si ritrova sia sulle piccole
Smart che sulle blasonate Ferrari («F1») e Lamborghini («E-gear»).
I due estremi della breve panoramica che abbiamo elencato, rappresentano
due modi di concepire il cambio robotizzato diametralmente opposti: da un
lato le costose vetture supersportive, costruite in piccola serie, che
offrono dei cambi di marcia che sembrano “fucilate” (ormai siamo su tempi
dell’ordine dei 100 millisecondi) e mettono a dura prova stomaco e
cervicale, dall’altro una miriade di cittadine che alleviano lo stress da
traffico. 
Dove i cambi robotizzati non possono competere con gli automatici classici
e i CVT, è nel confort di guida, dal momento che permangono, anche se
leggermente attenuati rispetto ad un manuale, gli “strappi” conseguenti ai
cambi marcia. 
Il cambio a doppia frizione
Tranquilli, non significa che ha due pedali della frizione! Come tutti i
cambi automatizzati, ne è privo, ma in effetti la peculiarità tecnica, che
approfondiremo, è la presenza di due dischi della frizione. 
Questa tipologia di trasmissione, che va generalmente sotto il nome di Dual
Clutch Transmission («DCT»), è quella che si è affacciata per ultima nel
panorama automobilistico della grande produzione di serie, grazie alla
Volkswagen che, nel 2003, ha dotato il modello di punta della «Golf», la «R
32», con un innovativo cambio a doppia frizione (su licenza BorgWarner),
battezzato «DSG», che sta per Direct Shift Gearbox (si potrebbe tradurre
come cambio a innesti diretti). Eppure, come spesso succede nel mondo della
tecnica, anche qui non siamo al cospetto di una novità assoluta: il merito
della sua invenzione è attribuito all’ingegnere francese Andolphe Kégresse,
nel 1939. La sua intenzione era di utilizzarlo sulla Citroën «Traction», ma
avverse situazioni finanziare e l’imminente scoppio della Seconda Guerra
Mondiale bloccarono ogni ulteriore sviluppo. L’idea venne ripresa molti
anni dopo, nel 1984, dalla Porsche che sviluppò una trasmissione simile a
quella ipotizzata da Kégresse, nota come «PDK» (Porsche Dual Klutch), ed
impiegata sulle vetture da competizioni «956» e «962 C». E la prima
vittoria per una vettura equipaggiata con una cambio a doppia frizione
arrivò nel 1986 alla 1000 Kilometri di Monza, con una Porsche «962». Anche
Audi fece la storia di questa trasmissione, grazie alla «Sport Quattro S1»
che vinse la famosa gara di rally in salita «Pikes Peak» nel 1985.
Fin qui la storia, e ora la tecnica. 
Come anticipato, sono presenti due frizioni, e lo “sdoppiamento” della
trasmissione non finisce qui, dal momento che anche il cambio stesso, con i
suoi ingranaggi, è concettualmente diviso in due unità indipendenti. Logico
aspettarsi che ogni frizione sia accoppiata ad un porzione di cambio, una
concepita per l’inserimento delle marce dispari e la retro, l’altra per le
marce pari. 
Le due frizioni sono di forma anulare e concentriche (per avere un gruppo
più compatto), da un lato accoppiate al motore, e dall’altro a due distinti
alberi di ingresso al cambio, anch’essi concentrici: nel cambio «DSG», la
frizione interna trasmette il moto agli ingranaggi della 2ª, 4ªe 6ª marcia
attraverso un albero cavo, al cui interno è collocato l’altro albero di
trasmissione che, attraverso la frizione esterna, ingrana la 1ª, 3ª e 5ª
marcia e la retro. Gli ingranaggi trasferiscono poi il moto a due alberi di
uscita paralleli, uno accoppiato alla 5ª, 6ª e alla retro, l’altro alle
restanti marce. Infine, entrambi gli alberi di uscita si impegnano su un
unico differenziale.
In pratica, un cambio così concepito si presenta come disposto su tre assi
paralleli: il centrale in cui sono collocati i due alberi di ingresso
concentrici, e i due laterali dove sono posizionati i due alberi di uscita,
con il “flusso” di potenza che, alternativamente, a seconda della marcia
inserita, “scorre” da un lato all’altro. Questa non è, però, l’unica
configurazione possibile: infatti, il cambio «PDK» della Porsche aveva un
solo albero di uscita su cui erano calettati tutti gli ingranaggi. 
Da questa descrizione, è evidente come un cambio a doppia frizione non sia
poi tanto dissimile, sia come componenti che come principio di
funzionamento, da un normale cambio meccanico: ci sono vari alberi di
trasmissione, ingranaggi, sincronizzatori e due frizioni che con la loro
azione di “attacca-stacca” consentono la selezione delle marce. E allora,
come mai viene considerato alla stregua dei cambi (semi) automatici? Perchè
tutte le operazioni necessarie all’ingranamento di un rapporto non vengono
effettuate direttamente dal guidatore tramite leve o pedali, ma sono a
carico di un sistema idraulico e di valvole a solenoide, controllati
elettronicamente. Al guidatore, come nei cambi robotizzati, non resta che
premere un pulsante per cambiare marcia, con la possibilità di scegliere
una guida completamente automatica. 
Ma torniamo al suo funzionamento. Lo scopo delle due frizioni è di rendere
possibile simultaneamente la trasmissione del moto e l’inserimento di un
altro rapporto oltre a quello attualmente in uso. Mentre una delle due
frizioni è innestata con una certa marcia inserita (ad esempio la 3ª),
l’altra resta aperta con una marcia, superiore o inferiore (2ª o 4ª), già
selezionata ma non attiva: al momento della cambiata, non si fa altro che
aprire la frizione con la marcia corrente e, contemporaneamente, chiudere
quella con la marcia successiva, tenendo sempre l’acceleratore premuto. E’,
appunto, come avere due cambi, uno in funzione e l’altro sempre pronto a
prendere istantaneamente il suo posto.
Tutto ciò si traduce in una cambiata oltrechè rapidissima, rappresentata
solamente dall’aprirsi di una frizione e dal chiudersi dell’altra (la
Volkswagen dichiara tempi dell’ordine di 3-4 centesimi di secondo), quindi
particolarmente indicata per la guida sportiva, e pressochè inavvertibile,
a tutto vantaggio del confort, venendo a mancare le interruzioni di potenza
tipiche di un cambio tradizionale (e di molti automatici, sia idraulici che
robotizzati). Il motore rimane sempre connesso alla trasmissione, ad ogni
cambiata. Si ottengono così due benefici, apparentemente opposti, ma in
realtà entrambi figli di un sistema intrinsecamente efficace:
l’accelerazione è continua, costante, senza pause e interruzioni,
garantendo confort nella guida rilassata e elevato spunto e divertimento in
quella sportiva; il consumo di carburante, e forse questo è l’aspetto oggi
più importante, si riduce, grazie all’erogazione continua e fluida da parte
del motore.
Insomma, sembra proprio la quadratura del cerchio! In realtà, dietro questa
apparente semplicità costruttiva e concettuale, c’è un accurato lavoro di
messa a punto, soprattutto a livello di sincronizzazione degli azionamenti
delle due frizioni: senza l’ausilio di una raffiinata elettronica, sarebbe
stato ben più difficile conciliare sia le esigenze di confort che quelle di
sportività. 
Il cambio a doppia frizione si candida a diventare il nuovo punto di
riferimento fra le trasmissioni automatiche e non. Purtroppo, come tutti i
prodotti nuovi e innovativi, paga lo scotto di un prezzo ancora elevato, ma
una sua futura adozione da parte di altre Case (e molte ci stanno pensando)
non potrà che renderlo economicamente competitivo oltrechè garantirne un
progressivo sviluppo in termini di affidabilità ed efficacia.  
 
-- 
idam faq: 
http://adcserver1.biodip.unimi.it/idam/faq/faq.html
la cultura è importante: 
http://www.libreriadellautomobile.it
l'auto del futuro: 
http://www.duem.com/autousate/130206/IMG_5350b.jpg

 cambiata.
C'è qualcosa che non mi torna in tutto questo.
D'accordo, le marce sono già inserite;
una frizione si apre e intanto l'altra si chiude;
e il motore? Già, e il motore?
Il motore era - ipotesi - a 4000 giri in terza: quando va a chiudersi la 
frizione dell'albero innestato con la quarta, il motore *deve* scendere, 
diciamo, a 3000 giri. In scalata, peggio ancora, se ho la quarta a 3000 
giri e voglio mettere la terza senza scossoni, sarò obbligato a portare 
il motore ai 4000 giri corrispondenti al regime di quella marcia alla 
velocità che in quarta si faceva con 3000 giri.
L'unico vantaggio è semmai nella *prestazione*, non nel confort: perché 
in accelerazione si può effettuare un cambio di marcia mantenendo il 
motore in spinta, visto che nei fatti le marce sono _sempre_ inserite e 
passano da un rapporto all'altro non con innesti secchi, ma con 
slittamenti fra due frizioni.
Ma per il confort, anche questo cambio, se non vuole dare colpi e 
scossoni, dovrà fare i conti con l'inerzia del motore, e alla fine non 
cambia nulla rispetto a un robotizzato tradizionale: è molto più 
semplice ed economico gestire le variazioni di regime per via 
elettronica, e usare un sistema tradizionale mono-frizione, no?
-- 
Massimo Bacilieri AKA Crononauta

 elettronica, e usare un sistema tradizionale mono-frizione, no?
più semplice ed economico si.
un po' come una cinquecento che è più semplice ed economica di una 
ferrari :)
-- 
Cosmic
Go for it...

 elettronica, e usare un sistema tradizionale mono-frizione, no?
Sì, ovviamente non cambia nulla, tutte le cose di cui sopra può farle 
tranquillamente anche un monofrizione.
Con una differenza fondamentale, però: dato che esiste un intervallo di 
tempo (quello in cui avviene fisicamente la cambiata) in cui la frizione 
*deve* rimanere aperta, in quell'intervallo sia la spinta che l'effetto 
frenante si annullano, quindi l'andatura è molto più "sighiozzante" 
rispetto al doppia frizione.
-- 
8tto (36,383,MI)
Fanculo *.* /Y
Mon general, a mort les imbeciles!
Programme ambitieux, Mon cher monsieur.

 quello richiesto per la marcia successiva.
In altre parole la variazione di energia cinetica del sistema viene 
trasformata in calore generato dallo slittamento delle frizioni. Quindi 
-inferisco- in usura delle frizioni medesime, la quale sfocia nella precoce 
necessità di sostituirle e nel fastidioso esborso di pecunia che lesto ne 
discende.
Sarebbe interessante conoscere gli intervalli previsti per la sostituzione, 
e i costi del materiale. A titolo di paragone quando sostituii per sfizio la 
frizione della mia 500 l'anno scorso in occasione del completo smontaggio 
del motore, sulla quale gravavano circa 150.000 km, il costo del disco fu di 
poche decine di euro. Avrei potuto non cambiarla e andare avanti con la 
vecchia per almeno altri 100.000 km o piú, viste le ottime condizioni in cui 
giaceva: la mia guida non prevede mai lo slittamento della frizione, fatta 
salva la partenza da fermo, e questo in effetti si è ben rispecchiato nella 
modestissima usura mostrata dal vecchio disco.
Ciao!
-- 
  Marco Sala
  Internet è piena, vai via  (Joel Furr)

 modestissima usura mostrata dal vecchio disco.
Ma infatti. Ogni tanto mi diverto a fare chilometri e chilometri senza 
nemmeno azionarla, e senza la minima grattata.


 Le strategie di funzionamento possibili sono:
Naturalmente. Ma da quanto leggo sembra che il punto 1 non sia contemplato 
nella normale procedura adotatta. Poi chissà, tutto è possibile per carità; 
bisognerebbe averne uno e svolgere qualche prova, e dopo un po' magari 
smontarlo e vedere quanto si è usurato.
Ciao!
-- 
  Marco Sala
  Cosa c'è di più bello dell'intuizione che improvvisamente illumina
  una lunga, arrovellante, corrosiva, magari nebulosa meditazione e
  finalmente pone fine all'incertezza che sempre accompagna il lavorio
  della mente?  (Dante Giacosa)