Cambio (meccanica)
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Il cambio o cambio di velocità è un sistema meccanico con la funzione di ridurre, o più raramente aumentare, la velocità di rotazione fornita da un motore.
È comunemente usato negli autoveicoli allo scopo di potere variare entro ampi limiti la velocità del mezzo pur mantenendo il motore a scoppio entro un regime di funzionamento ottimale dal punto di vista del rendimento, della coppia e/o della potenza. Il motore a scoppio infatti mediamente ha una velocità di rotazione compresa tra 600 e 10.000 giri al minuto, mentre le ruote la hanno tra zero e 2.500 giri (sempre al minuto). Questo richiede una riduzione di velocità. Il motore però presenta alcuni regimi di rotazione ottimali dal punto di vista del rendimento, della coppia e/o della potenza. In certe occasioni, per esempio quando si compie un sorpasso, è necessaria la massima potenza, mentre viaggiando a velocità costante in autostrada è preferibile un rapporto che consenta il minore consumo di carburante.
Cambi di velocità sono anche impiegati in macchine industriali come per esempio i torni per metalli.
In macchine e veicoli che impiegano una trasmissione di tipo elettrico o idraulico il cambio non è utilizzato, poiché i motori usati per azionare le ruote presentano una coppia ed un rendimento ottimale su tutta la gamma di velocità.
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[modifica] Cambio automobilistico
[modifica] Manuale
Nelle prime automobili il cambio era un semplice sistema di ingranaggi non sincronizzati. Le ruote dentate venivano spostate dal guidatore mediante i comandi, e richiedevano una buona preparazione e sensibilità nel capire quando gli ingranaggi stavano ruotando alla giusta velocità; in caso contrario grattavano rumorosamente e la marcia non si inseriva.
Nel salire di marcia, era necessario rallentare l'ingranaggio motore, e per questo era sufficiente premere la frizione ed attendere il momento giusto per cambiare. Nello scalare la marcia invece, è necessario accelerare il motore Si impiegava per questo una tecnica detta doppietta, che comportava di portare il cambio in folle, quindi rilasciare la frizione, incrementare la velocità del motore al punto giusto e quindi inserire la marcia inferiore. In effetti era possibile operare su questi cambi anche senza l'uso della frizione, necessaria solo per la partenza.
I cambi manuali delle moderne automobili sono di tipo sincronizzato. Il meccanismo del cambio è costituito da due alberi paralleli, quello di entrata connesso alla frizione e quello di uscita, connesso all'albero di trasmissione. Sui due alberi sono montati parallelamente gli ingranaggi. Tutti gli ingranaggi sono costantemente ingranati, ma solamente una coppia è connessa all'albero di uscita. Questo sistema semplifica notevolmente la tecnica di guida.
Il meccanismo di innesto consiste in un collare coassiale all'albero che scorre lateralmente mosso dai comandi del cambio. Il collare è internamente dentato, e si ingrana sulle superfici dentate esternamente dell'albero e di un collare solidale all'ingranaggio. Un collare serve per due ingranaggi: in posizione centrale nessuna ruota è ingranata, mentre scorrendo a destra o a sinistra inserisce l'una o l'altra ruota.
Prima di innestarsi definitivamente, il collare applica una spinta ad una frizione conica di ottone che riduce la differenza di velocità tra le parti. Questo elemento è il sincronizzatore.
I comandi del cambio sono studiati in modo da evitare che due collari vengano inseriti contemporaneamente per errore.
Il primo cambio sincronizzato fu introdotto dalla Cadillac nel 1929, mentre l'attuale sistema a coni fu sviluppato dalla Porsche nel 1952. Negli anni '50 solamente la seconda e terza marcia erano sincronizzate, ed il manuale d'uso suggeriva, per passare dalla seconda alla prima, di fermare prima completamente il veicolo. Nei cambi attuali, l'unica marcia non sincronizzata è la retromarcia, che non ne necessita.
Il cambio sincronizzato presenta diversi svantaggi, tra cui l'usura dei sincronizzatori, il ritardo introdotto nella cambiata e le perdite di energia per attrito. Per questo motivo nei grandi camion, nei macchinari e nei cambi speciali per corse automobilistiche si usa un sistema non sincronizzato. Nei cambi impiegati in gara si usano anche cambi sincronizzati con un numero ridotto di denti sui collari per avere una velocità di cambiata migliore, avendo però per contro una usura molto rapida.
A partire dagli anni '60 furono introdotte la quarta marcia, la quinta, la sesta ed oltre. In un cambio a quattro e a cinque marce, in quarta il rapporto del cambio è unitario, cioè la velocità di rotazione del motore è uguale a quella delle ruote. La quinta marcia fu introdotta con l'aumentare delle velocità dei veicoli, per economizzare combustibile. Ad elevata velocità infatti le ruote girano ad oltre 2000 giri al minuto, mentre il motore presenta il migliore rendimento intorno o al di sotto di 2000. Le marce superiori alla quarta hanno un rapporto che incrementa la velocità del motore, riducendone però la coppia. Per questo motivo, per avere maggiore potenza e risposta nei sorpassi è necessario scalare.
Le macchine agricole ed i camion hanno molti rapporti di cambio, ed esiste un sistema per cui per ogni marcia principale è possibile differenziare due rapporti: normale e ridotta. Il comando si effettua per mezzo di leve distinte.
La retromarcia è realizzata con l'ausilio di un terzo albero con un ingranaggio ausiliario che trasmette il moto tra due ingranaggi installati sui due alberi principali invertendo il senso di rotazione.
Il comando del cambio è solitamente una leva sporgente dal pavimento dell'auto. muovendo questa leva lateralmente ed avanti o indietro si ingrana la marcia desiderata. In posizione centrale si ha la posizione di folle, in cui nessun rapporto è inserito è la ruote sono isolate dal motore. Lo schema seguente illustra le posizioni di un tipico cambio a cinque marce:
1 3 5 │ │ │ ├───N───┤ │ │ │ 2 4 R
N sta per Neutral, ovvero Folle in inglese. A volte l'inserimento della retromarcia deve essere sbloccato agendo su un comando supplementare, questo per ridurre i rischi di inserimento accidentale quando si scala dalla quinta alla quarta, oppure cercando di salire ad una sesta che non esiste.
Una alternativa è la seguente:
R 1 3 5
│ │ │ │
└───┼───N───┘
│ │
2 4
Lo schema è di solito riportato sulla manopola stessa.
In alcune vecchie auto il comando del cambio era costituito da una leva posta sul piantone dello sterzo. Il funzionamento era simile a quello a pavimento, ma con i movimenti riportati sul piano verticale invece che su quello orizzontale.
[modifica] Sequenziale e semimanuale
In alcune auto e pressoché universalmente nelle motociclette è usato il cambio sequenziale. Due comandi, che possono essere a pedale (nelle moto), una leva avanti-indietro o in forma di pulsanti sullo sterzo, effettuano rispettivamente la scalata e la salita di marcia. Ciò elimina la necessità di usare uno schema di manovra come con l'uso della leva del cambio e in genere automatizza anche la frizione.
Nelle automobili moderne con cambio automatico questa funzione è in genere controllata da un computer ed è una alternativa alla modalità completamente automatica.
In alcune auto (per esempio alcune BMW e Audi) impiegano un cambio manuale manovrato da un computer, ed il guidatore agisce semplicemente sui comandi sequenziali.
Tra i sistemi semiautomatici, è da ricomprendere il DSG (tedesco Direktschaltgetriebe o inglese Direct Shift Gearbox) del gruppo Volkswagen. La composizione interna del cambio è alquanto innovativa, infatti, al suo interno vi sono due alberi collegati a due frizioni a sua volta collegate all'albero di trasmissione. Su un albero si trovano i rapporti della prima, della terza e della quinta. Sul secondo alberino, abbiamo la seconda, la quarta, la sesta. Ciò che accade è una contemporanea rotazione degli alberini interni, tuttavia, solo uno dei due, grazie ad una frizione, trasferisce il moto all'albero di trasmissione. Nel frattempo, il secondo albero gira (per intenderci quello con la 2^-4^-6^) ed ha così già "pronto" il rapporto successivo. Il vantaggio consiste in una notevole velocità di cambiata che consente al sistema DSG di essere forse il miglior sistema semiautomatico in circolazione.
[modifica] Automatico
Molte automobili attualmente sul mercato hanno un cambio automatico, in grado di selezionare automaticamente il rapporto senza l'intervento umano, semplificando notevolmente la guida. Il sistema più usato è di tipo idraulico, basato sulle variazioni di pressione, che però presenta problemi di costo, affidabilità e consumo di combustibile. Il cambio automatico infatti è particolarmente diffuso in paesi dove il costo del combustibile è particolarmente basso, come gli Stati Uniti, dove 19 auto su venti hanno installato questo dispositivo.
Con il progresso tecnologico e soprattutto l'introduzione dell'elettronica nel settore automobilistico, sono stati realizzato cambi automatici a controllo computerizzato che, basandosi su cambi meccanici tradizionali eliminano gli inconvenienti tipici del cambio automatico idraulico. Questo sistema ha avuto una discreta diffusione in Europa, dove il costo del combustibile è decisamente maggiore che in America.
Data la vastità dell'argomento, la tecnica e la storia del cambio automatico sono trattate nell'articolo principale: Cambio automatico.
Esiste anche un tipo di cambio, il cambio continuo, in cui non esistono valori fissi, ma il rapporto varia con continuità entro due limiti estremi.
Di seguito sono elencati i vantaggi del cambio manuale su quello automatico:
- Il cambio manuale è più efficiente dal punto di vista energetico soprattutto perché utilizza una frizione invece di un convertitore di coppia.
- È più semplice costruire cambi manuali robusti ed affidabili.
- I cambi manuali non richiedono sistemi di raffreddamento specifici, mentre i cambi automatici hanno a volte appositi radiatori.
- Il guidatore ha un controllo maggiore sullo stato del cambio. Un cambio automatico può decidere di cambiare rapporto in un momento in cui il guidatore non lo desidera.
- Il cambio manuale è più economico, sia all'acquisto che per la manutenzione.
- Secondo alcuni, il cambio manuale impegna maggiormente l'attenzione alla guida e riduce il rischio di distrazione.
Svantaggi del cambio manuale sono:
- Maggiore interazione e maggiore apprendimento richieste al guidatore.
- Rischio di inserire la marcia sbagliata con la possibilità di danneggiare sia il cambio che il motore e causare incidenti.
- Il cambio automatico assicura cambiate più dolci e rapide.
- Il cambio manuale, dovendo riportare i comandi per mezzo di cavi o alberi, vincola maggiormente la disposizione interna del veicolo.
- Il cambio manuale rende più impegnativa la partenza in salita, specialmente per i neo-guidatori.
- L'eliminazione dei comandi del cambio è vantaggiosa per i portatori di handicap.
[modifica] Cambio per bicicletta
[modifica] Cambio a deragliatore
Il cambio a deragliatore è costituito da una catena, diverse ruote affiancate ed un meccanismo comandato del guidatore, in grado di spostare la catena (deragliare) da una ruota all'altra.
Il deragliatore consiste un passaggio obbligato per la catena montato al telaio tramite una struttura a parallelogramma articolato. La struttura viene spostata parallelamente alla ruota dentata per mezzo di un cavo azionato da una leva installata sulla canna o sul manubrio. Per consentirne il ritorno, il cavo è mantenuto in trazione da una molla. L'escursione del deragliatore è limitata da due viti di regolazione entro i limiti delle due ruote esterne.
Nelle biciclette da passeggio è presente un solo deragliatore sulla ruota dentata collegata alla ruota posteriore, mentre nelle biciclette da corsa e nelle mountain bike è presente anche un deragliatore (e quindi ruote multiple) sulla corona dei pedali. Questo consente di aumentare le marce teoriche fino al prodotto tra i rapporti anteriori e posteriori. La ruota posteriore può avere fino a 9 posizioni (corone) per la mountain bike e fino a 10 posizioni per la bicicletta da corsa. Sul deragliatore anteriore si arriva sino a 3 corone, per un totale di 27 rapporti sulla mountain bike; mentre sulla bicicletta da corsa, tipicamente, si dispone di 2 soli rapporti per un totale di 20.
Alcune combinazioni prevedono però un eccessivo disassamento della catena e non possono essere usate, ma data la disposizione delle ruote si tratta in genere di rapporti ridondanti, ottenibili diversamente. Le ruote anteriori e posteriori sono disposte in ordine di diametro inverso di grandezza, in modo che sia per i rapporti più elevati che per quelli minori la catena sia in asse.
Il deragliatore posteriore ha due pulegge su cui scorre la catena ed una molla per mantenere la catena sempre in tensione.
Il comando del cambio avviene per esperienza. Si sposta la leva fino a fare scattare la catena sulla nuova posizione, poi si agisce in modo da centrare al meglio la catena. Tutta l'operazione deve essere effettuata mentre si pedala, poiché questo cambio non agisce a catena ferma. La cambiata andrebbe fatta fermando per pochi secondi la pedalata: in questo modo si evita una maggiore usura della catena. Infatti, specialmente sulle MTB, proprio per la loro attitudine a terreni sconnessi, si tende a cambiare numerose volte sulle salite e, dal momento che la catena, in queste condizioni, si trova al massimo della tensione, fermando la pedalata si evita un suo maggiore sforzo.
Diversi sistemi a deragliatore furono costruiti sul finire del 1800. Lo scrittore e cicloturista Paul de Vivie inventò nel 1905 un deragliatore che usò in un viaggio sulle Alpi.
Alcuni sistemi usavano aste per spostare la catena, e il deragliatore si diffuse a partire dal 1938 quando la Simplex introdusse il sistema a cavo. Negli anni '50 fu introdotto il sistema attualmente in uso da parte di Tullio Campagnolo, che inventò anche il sistema di attacco rapido per le ruote. Per diversi decenni le migliori biciclette da corsa montavano deragliatori, ruote e catene prodotte dall'azienda di Campagnolo. Attualmente sono largamente diffusi i prodotti della ditta giapponese Shimano.
Nel 1964 la Suntour inventò un tipo di deragliatore posteriore che permetteva di mantenere una maggiore distanza dalla ruota dentata e avere così una cambiata più facile. Una volta scaduto il brevetto, altre aziende ne impiegarono l'idea nei loro deragliatori.
[modifica] Cambio epicicloidale
In alcune biciclette è utilizzato un sistema di ingranaggi epicicloidali integrati nel mozzo della ruota posteriore. Il vantaggio di questo sistema è di avere una cambiata più liscia, possibilità di cambiare anche a bicicletta ferma (caratteristica vantaggiosa in città), e protezione dallo sporco (catena completamente chiusa in copricatena). Oltre ad un maggiore costo, lo svantaggio principale è il basso numero di marce dovuto allo spazio limitato. Un cambio epicicloidale arriva a 14 marce, mentre alcuni modelli a deragliatore arrivano a 27.
Questo sistema era molto diffuso fino agli anni '70, quando si diffuse il cambio a deragliatore.
In Italia tale sistema è praticamente non utilizzato, mentre è molto diffuso nelle bici da città nel nord Europa.
[modifica] Rapporto fisso e cambio
Alcuni ciclisti professionisti preferiscono la biciletta a rapporto fisso, più rubusta, senza cambio e cavi. Essi approvano l'affermazione di Henri Desgrange, cofondatore del Tour de France:
"Ritengo sempre che il cambio di velocità è per persone oltre i 45 anni. Non è meglio trionfare con la forza dei propri muscoli piuttosto che grazie all'artificio meccanico del deragliatore? Ci stiamo rammollendo, per me...datemi una bici a rapporto fisso!"
(L'Équipe, articolo del 1902)
