Caixa de engrenagens (mecânica)

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A caixa de câmbio (ou mudança de velocidade ) é um componente mecânico que tem a função de modificar a característica do torque de acionamento de um motor , semelhante a um redutor de velocidade . Ele também permite que você selecione uma relação de transmissão diferente de tempos em tempos, dependendo da faixa com a qual a caixa de transmissão está equipada.

Geralmente, o termo refere-se ao tipo comumente encontrado em veículos , que é a caixa de câmbio: graças a este dispositivo é possível "mudar a marcha" de um veículo motorizado .

Descrição geral

A caixa de câmbio é comumente usada em veículos motorizados e em material rodante ferroviário com motores térmicos, a fim de ser capaz de variar a velocidade do veículo dentro de limites amplos, mantendo o motor de combustão interna dentro de um regime operacional ideal para eficiência , torque do motor ou potência . O motor de combustão interna, de fato, tem em média uma velocidade de rotação entre 600 e 12.000 rpm, enquanto a velocidade das rodas varia entre zero e 2.500 rpm.

Mudanças de velocidade também são usadas em máquinas industriais, como tornos metálicos.

Em máquinas e veículos que utilizam um tipo de transmissão não é utilizada a mudança em elétrica ou hidráulica, visto que se caracterizam por alto torque mesmo com o motor parado ou velocidades de rotação muito baixas e, portanto, falha pelo mesmo motivo do uso de uma caixa de câmbio: a necessidade manter uma velocidade de rotação apreciável para obter o torque necessário.

Em veículos motorizados

Caixa de câmbio automotiva completa

Nos veículos rodoviários, a caixa de velocidades também é imprescindível porque permite variar a relação entre a rotação do motor e a rotação do veículo, de forma a obter um binário de tração adequado às rodas. Na verdade, o motor tem diferentes velocidades de rotação ideais, dependendo se é necessário favorecer a eficiência de quilometragem (geralmente em velocidade constante), torque e potência (para velocidade máxima, pick-up, aceleração, subidas, etc.) ou velocidade abaixo do torque (para superfícies cobertas de neve ou de baixa aderência).

Em carros padrão, em marchas baixas (I, II, III, às vezes IV) a caixa de câmbio atua como um redutor de velocidade, enquanto em marchas altas (V e muitas vezes também VI) as relações de transmissão são unitárias ou acima da unidade (até 20 % ou 30%); geralmente as marchas mais altas (normalmente o V, mas também o VI se a caixa de câmbio estiver equipado com ele) são do tipo "em repouso", projetado para limitar o consumo em autoestradas ou em qualquer caso ao viajar em altas velocidades.

Isso porque, historicamente, no padrão clássico dos carros americanos da década de 1930 com motor longitudinal, tração traseira e caixa de 4 marchas (+ RM), os eixos de entrada e saída são coaxiais e, portanto, por razões de eficiência, o razão do IV em vez de passar pelo eixo auxiliar como as outras relações, forneceu um sincronizador que engatou diretamente as extremidades do eixo de entrada e saída com uma relação de 1: 1 ("acionamento direto"). Por essas razões "históricas", as razões abaixo do IV são geralmente reduzidas, enquanto acima são multiplicadas.

Manual (caixa de velocidades H)

Caixa de câmbio H de 5 marchas + ré

A caixa de câmbio manual está presente nas primeiras motocicletas e quase universalmente nos automóveis. Essa mudança varia a relação de transmissão por meio de uma alavanca que é movida, formando o típico formato de "H".

Os pares de engrenagens são dispostos em dois eixos e estão sempre todos acoplados e girando, mas as engrenagens do eixo acionado são livres para girar e não engatam no próprio eixo acionado, que desliza para dentro dele.

Interpostos entre o eixo acionado e as engrenagens, existem seletores (que são coroas dentadas internamente) encaixados nele e integrados a ele. Ao operar a alavanca, o seletor é movido (por meio dos garfos seletores), de modo a conectar a roda dentada chaveada no eixo de acionamento aos dentes correspondentes em uma coroa integral com a engrenagem da engrenagem selecionada.

A caixa de velocidades pode ter uma ação de mudança diferente dependendo se é do tipo "sincronizado" ou "não sincronizado".

Caixa de velocidades não sincronizada

Ilustração de uma caixa de marcha de ré não sincronizada de 3 velocidades +

Nos primeiros automóveis, a caixa de câmbio consistia em engrenagens não sincronizadas, as rodas dentadas não estavam permanentemente engatadas como é o caso das caixas de câmbio modernas. Eles foram movidos pelo motorista usando os controles, e uma boa preparação e sensibilidade do operador foram necessárias para entender quando as engrenagens estavam girando na velocidade certa para permitir a inserção, caso contrário, elas arranhariam ruidosamente e o engate não ocorreria. Na ausência das embreagens de fricção auxiliares presentes nas caixas de câmbio sincronizadas, as trocas de marcha só podem ocorrer quando a velocidade relativa entre as rodas for muito baixa ou zero.

Na subida, era necessário diminuir a marcha do motor, para isso bastava acionar a embreagem e aguardar o momento certo para a troca. Durante a redução, foi necessário acelerar o motor. Para agilizar ou simplesmente tornar isso possível, foi utilizada uma técnica chamada de duplo desengate (espingarda) , que pode ser ascendente (para subida) e descendente (para descida) [1] . O primeiro caso (subida dupla) envolve colocar a caixa de câmbio em ponto morto, depois soltar a embreagem sem acelerar para diminuir a velocidade do eixo de engrenagem para a velocidade certa e então engatar a marcha mais alta. O segundo caso (dupla descida) envolve colocar a caixa de câmbio em ponto morto, depois soltar a embreagem enquanto acelera ao mesmo tempo para aumentar a velocidade do eixo de engrenagem no ponto certo, e então engatar a marcha inferior.

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: Train baladeur .

Caixa de velocidades sincronizada

Seletor com sincronizadores
sincronizador

As transmissões manuais dos carros produzidos após 1960 são do tipo sincronizado . O mecanismo da caixa de engrenagens consiste em dois eixos paralelos, o eixo de entrada conectado à embreagem e o eixo de saída conectado ao eixo de transmissão. As engrenagens são montadas paralelamente aos dois eixos. Todas as engrenagens são constantemente engrenadas, mas apenas um par é conectado ao eixo de saída.

Tecnicamente, o mecanismo de engate consiste em um colar (luva) que desliza lateralmente em um suporte coaxial ao eixo, a luva é feita para deslizar lateralmente pelos garfos de controle operados pelo seletor de marcha. O suporte da bucha permanece integral com o eixo do motor graças ao acoplamento estriado entre os dois e às engrenagens e espessuras que não permitem seu deslocamento lateral. A manga que fica externa a este suporte também possui um engate nervurado com seu suporte, mas com maior tolerância, de forma a permitir uma correta lubrificação e um deslizamento mais fluido. Para que esta manga se mova lateralmente em relação à sua posição de descanso, é necessário forçar o retorno dentro do suporte das chavetas que, empurradas por algumas molas contra a manga, normalmente servem para estabilizar a sua posição; este mecanismo serve para fazer com que o deslizamento da manga se encaixe. Devido ao efeito deslizante, a luva engata o sincronizador e além disso - e este é o coração da operação - empurra-o contra a roda dentada. O atrito assim criado entre o sincronizador e a engrenagem permite que esta entre, por assim dizer preliminarmente, em rotação, antes mesmo de ser engatada pela manga e apenas o suficiente para colocá-la mais ou menos na mesma velocidade de rotação da própria manga (e, portanto, do eixo do motor). Neste ponto, a luva e a engrenagem têm a mesma velocidade de rotação e isso finalmente permite o seu engate. Uma vez que a luva engata na marcha (para ser mais preciso na coroa lateral da marcha), começa a transferência final do torque do motor, ou seja, não mais por atrito, mas por engrenamento. Observe que a engrenagem preliminar entre a luva e o sincronizador não apresenta problemas, pois o sincronizador também gira integralmente com o eixo.

Os sincronizadores podem, portanto, ser considerados como mini-embreagens cônicas ou em anel que fazem a luva (portanto, o eixo de entrada) e a coroa integral com a engrenagem girarem na mesma velocidade. Quando você ouve um arranhão durante uma troca de marcha, não são os dentes da engrenagem que "arranham", pois estão sempre engatados, mas os da luva e da coroa da engrenagem. Além disso, como você pode ver na foto, a coroa da engrenagem é significativamente mais fina do que a própria engrenagem, devido ao fato de que entre as engrenagens há contato com apenas um dente de cada vez (na verdade isso no caso de dentes retos, no caso dos dentes helicoidais, podemos dizer aproximadamente um par de dentes de cada vez (depende do ângulo β da inclinação dos dentes), enquanto a coroa se engrena com todos os dentes e, portanto, cada dente está sujeito a um esforço menor.

A primeira caixa de câmbio sincronizada foi introduzida pela Cadillac em 1929 , enquanto o sistema de cone atual foi desenvolvido pela Porsche em 1952 . Nos anos 50, apenas a segunda e a terceira marchas eram sincronizadas, e o manual do proprietário sugeria mudar da segunda para a primeira, para primeiro parar completamente o veículo. Nas caixas atuais, todas as marchas são sincronizadas, geralmente excluindo-se a , pois o “arranhão” ocorre nos casos em que esta está engatada com o veículo ainda em movimento; no entanto, não é incomum que a marcha à ré seja sincronizada, tornando possível engatar mesmo com o veículo ligeiramente em movimento, mas ainda é uma boa ideia esperar até que o veículo esteja completamente parado antes de engatá-lo.

A caixa de velocidades sincronizada tem várias desvantagens, incluindo:

  • desgaste dos sincronizadores;
  • o atraso introduzido na mudança;
  • maiores dimensões gerais da caixa de engrenagens.

Por este motivo, um sistema dessincronizado é utilizado em grandes caminhões, máquinas e caixas de engrenagens especiais para automobilismo. Nas caixas de câmbio utilizadas em corridas, as caixas sincronizadas com número reduzido de dentes nos colares também costumam ter uma melhor velocidade de troca, por outro lado, apresentam desgaste muito rápido.

A abreviatura MT que aparece nos modelos, precedida do número da engrenagem (por exemplo, 2MT ou 5MT), significa "manual tradicional" (ou seja, a caixa de engrenagens mecânica manual).

Número de marchas

Motocicleta ABC 1921 com caixa de câmbio H de 4 velocidades

Para ser chamada assim, uma caixa de câmbio deve ter pelo menos duas relações, embora não haja limite superior para esse número fora do ditado por razões de custo, utilidade e tamanho. Uma caixa de câmbio equipada com um maior número de relações é geralmente mais pesada, volumosa e cara do que uma caixa de câmbio que tem menos, porém, dependendo das características do motor e da inércia da carga a jusante da própria caixa de câmbio, em muitos casos é possível para obter maior eficiência geral dividindo a aceleração em um número maior de razões. Historicamente, o motor Minarelli "Pettirosso" de 50 cm³ de 1955, por ser um veículo relativamente barato, era equipado com uma caixa de câmbio de duas velocidades controlada pela maçaneta, enquanto a maioria dos carros já na primeira metade do século XX era equipada com uma caixa de câmbio três ou quatro rácios, tanto pelo custo de aquisição mais elevado que o permitia, como pela maior utilidade deste face à grande inércia de que eram equipados os carros pesados. Com a melhoria dos processos produtivos e consequentemente a redução dos custos de produção, mudanças com um maior número de proporções tornaram-se comuns. Tradicionalmente, as caixas de engrenagens mecânicas modernas têm cinco ou mais relações. A quinta e a sexta marchas foram introduzidas à medida que as velocidades dos veículos aumentavam para economizar combustível. A jusante da caixa de câmbio, o diferencial (relação pinhão da caixa de câmbio / coroa diferencial) também afeta a relação entre as rotações do motor e as rotações das rodas.

Máquinas agrícolas e veículos pesados ​​tendem a ter caixas de câmbio com muitas relações, devido às grandes cargas com que têm que lidar. Essas caixas de câmbio às vezes têm a possibilidade de selecionar duas marchas de uma série, de modo a ter duas caixas de câmbio em série. O comando nesse caso ocorre por meio de alavancas separadas, comandos secundários na alavanca ou eletronicamente.

A reversão é obtida com a ajuda de um terceiro eixo com uma engrenagem ociosa, que transmite o movimento entre o eixo primário e o secundário invertendo o sentido de rotação (roda ociosa).

Uma caixa de câmbio também pode ser equipada com um número múltiplo de marchas à ré, igual ou diferente das marchas normais. Um sistema pode estar presente, a montante ou a jusante da caixa de engrenagens, com a única função de inverter o sentido de rotação do eixo acionado em todas as engrenagens (na verdade, uma caixa de engrenagens de duas velocidades, para frente e para trás) permitindo que a caixa de engrenagens principal não seja equipado com marcha à ré.

Diagrama de alavanca de mudança automotiva

Nos carros das últimas décadas, a alavanca de câmbio é geralmente uma alavanca projetando-se do chão do carro entre os dois bancos dianteiros ou colocada projetando-se do painel em uma posição central. No pós-guerra até a década de 1970, era muito comum a solução de ter a alavanca de câmbio horizontal e reduzida projetando-se do volante. Esta solução teve a vantagem indiscutível de ter a alavanca das mudanças muito próxima do volante e assim facilitar o acesso ao mesmo; outra vantagem significativa foi a de liberar a parte central do compartimento de passageiros na frente, permitindo um sofá de primeira fila que poderia acomodar 3 passageiros. No entanto, essa solução foi abandonada posteriormente porque exigia um mecanismo de transmissão mais complexo e com maior número de retornos mecânicos. No entanto, em todos os casos, movendo a alavanca para os lados e para a frente / para trás, a marcha desejada pode ser engatada. Na posição central fica a posição neutra, na qual nenhuma marcha é engatada e as rodas ficam isoladas do motor.

Esquemas padrão

Os esquemas mais populares atualmente têm duas configurações

Os diagramas a seguir ilustram as posições de uma caixa de câmbio clássica / típica de cinco marchas:

Layout manual.svg
Manual Dogleg.svg

N significa neutro ou insano em inglês. Às vezes, o engate da marcha à ré deve ser destravado atuando em um controle adicional, para reduzir o risco de engate acidental. No caso do diagrama à esquerda, isso pode ocorrer quando você reduz a marcha da quinta para a quarta marcha ou quando tenta engatar uma sexta marcha inexistente; no entanto, esse risco é frequentemente limitado por outros dispositivos mecânicos que evitam o engate da marcha à ré em altas velocidades. O problema é mais insidioso para o esquema da direita (a chamada caixa de câmbio dog leg ), onde a possível confusão é entre duas marchas que podem ser engatadas com o carro parado (primeira e ré); além disso, a marcha à ré é encontrada na posição tradicionalmente ocupada pela primeira .

Uma alternativa, típica dos carros alemães, é posicionar o R ​​do mesmo lado da primeira e da segunda marcha, mas com uma excursão maior; nos carros Opel e Volkswagen , o R é para frente (veja a figura), enquanto nos Mercedes é baixo. Visto que com este arranjo é possível engatar o R ​​em vez de uma marcha para a frente, dispositivos mecânicos de segurança são frequentemente implementados graças aos quais, para engatar o R, uma ação adicional é necessária; por exemplo, em carros Opel, o engate do R requer ação mecânica em um botão ou uma coroa colocada na alavanca de câmbio, enquanto em carros VW o engate do R requer que a alavanca de câmbio seja pressionada para baixo. Aliás, esse modo de ação também era exigido em carros clássicos como o Fiat 500 e o Fiat 600 com motor traseiro.

Layout manual 2.svg

O padrão geralmente é mostrado no próprio botão .

Esquemas antiquados e modernos

Layout manual 3.svg
Layout6.svg manual
Layout4d.svg manual

Posição da alavanca

Em alguns carros mais antigos, o controle de marcha consistia em uma alavanca na coluna de direção. A operação foi semelhante à do solo, mas com os movimentos relatados no plano vertical ao invés do horizontal.

Recentemente , em alguns carros europeus (em particular em alguns FIATs ), a alavanca de câmbio foi consideravelmente encurtada e colocada no painel, à esquerda do rádio do carro. Essa configuração é às vezes chamada de "alavanca americana", pois lembra a disposição da alavanca de câmbio automática em carros estrangeiros.

Mudança de chave deslizante

A caixa de câmbio da chave deslizante [2] [3] também chamada de cruzeiro devido ao formato da chave deslizante, e às vezes renomeada como caixa de câmbio do botão , tem sido usada em muitas scooters com controle de botão, incluindo Vespa e Lambretta , bem como a Piaggio Triciclo motorizado macaco , este tipo de caixa de velocidades está mais próximo da caixa de velocidades manual dos carros do que da caixa de velocidades sequencial das motocicletas.

Este tipo de caixa de câmbio na versão com manopla tem a peculiaridade de possuir uma alavanca que controla a embreagem e as engrenagens da caixa de câmbio, na verdade ao acionar (apertar) a alavanca você aciona a embreagem e girando para cima ou para baixo você pode escolher a marcha, a desvantagem dessa caixa de câmbio é ter que encontrar a posição certa da alavanca, que para facilitar seu posicionamento tinha um dente que precisava ser engatado em uma ranhura do pré-seletor (um disco de metal na lateral da alavanca), mas permitia para passar da marcha mais alta para a marcha mais baixa ou vice-versa com um simples comando.

Uma característica dessa caixa de câmbio é ter as marchas dispostas em ordem crescente ou decrescente, com ponto morto geralmente entre a 1ª e a 2ª marcha.

Sequencial (caixa de câmbio dianteira)

Caixa de câmbio com engate frontal com engrenagens deslizantes laterais
É possível ver as engrenagens deslizantes ao longo dos dois eixos, os garfos de alumínio que os movem e o desmodrômico que aciona os garfos, neste caso também é visível a engrenagem de acionamento do pedal que atua sobre a engrenagem acionada da primeira marcha
Detalhe das caixas de engrenagens sequenciais laterais

Raramente presente em carros (substituídos pelo semi-manual) e quase universalmente instalado em motocicletas está a caixa de câmbio sequencial ou engate frontal , [4] onde o layout da alavanca de câmbio não é usado, mas é operado em apenas duas direções, com automático retorno à posição de neutro para trocar a marcha, esta caixa de câmbio permanece do tipo totalmente manual, na verdade o acionamento da embreagem e o controle da caixa de câmbio são manuais.

Nessas caixas de engrenagens de engate dianteiro, cada engrenagem da caixa de engrenagens tem pinos ou sulcos perpendiculares à sua superfície lateral ou assentos e o seletor estriado desmodrômico que é chaveado em um eixo, este sistema pode ser de diferentes tipos:

  • "Engrenagens de deslizamento lateral", onde o seletor move garfos que movem tanto as engrenagens flutuantes que giram em rolamentos, quanto as engrenagens que são colocadas em eixos estriados, de modo que a engrenagem que roda em rolamentos, engrena (por meio de seus acoplamentos laterais) em um engrenagem chaveada no eixo da engrenagem por meio de nervuras.
Caixa de câmbio com "Dog-ring" / "seletores" e garfos seletores de marcha em folha de aço
  • "Dog-ring" ou "seletores", neste caso as engrenagens não deslizam lateralmente e as engrenagens que deslizam nos rolamentos podem ser dispostas em um único eixo de engrenagem; a engrenagem é engatada por um anel provido de embreagens laterais, que deslizam lateralmente no eixo da caixa de engrenagens através das nervuras; este anel é acionado pelos garfos de engrenagem por meio do tambor desmodrômico.

A caixa de engrenagens sequencial com acoplamentos laterais pode ser feita com acoplamentos de diversos formatos, além disso os acoplamentos podem ser retos ou trapezoidais (cauda de andorinha), neste último caso o engrenamento é mais constante pois os diversos acoplamentos possuem um formato que evita ou reduz o inconveniente de rejeição do equipamento.

Sistema de seleção de marchas em uma caixa de câmbio com engate dianteiro na posição neutra, tanto o seletor no centro, o estabilizador à direita e o garfo de controle à esquerda são visíveis

Para girar o seletor e, em seguida, selecionar a marcha, por meio do controle da caixa de câmbio que possui apenas três posições (marcha para cima, marcha para baixo, ponto morto ou repouso), o seletor é equipado com uma roda dentada ou similar, que é governada por duas dispositivos, o primeiro serve para evitar que o seletor se mova sem ser selecionado, o segundo é dado pelas transmissões do comando da caixa de câmbio, que possuem uma forma que atua apenas em uma direção (a de controle), não atuando na ação de retorno para a posição de descanso (dada por uma mola) da alavanca de câmbio.

A fluidez da caixa de câmbio é determinada tanto pelo formato dos garfos quanto pelo seletor, que inicialmente girava sobre o alumínio do cárter, em seguida, foi adotada uma bucha do lado em que atuavam as transmissões da alavanca de câmbio, enquanto do outro ali sempre houve contato direto com o alumínio do cárter, então surgiram os calços para este lado, então foram adotadas esferas no lugar das buchas, que foram rapidamente substituídas por mancais, mais recentemente em modelos high-end estamos usando mancais em ambos os lados do seletor.

Os comandos para a caixa de engrenagens sequencial podem ser:

  • O pedal (em motocicletas)
  • Uma alavanca frente-ré
  • Atrás do volante

Mudança de marchas

Com a chave de câmbio ou comutador rápido , as caixas de câmbio sequenciais que vêm equipadas com este dispositivo também são chamadas de "caixas de câmbio eletrônicas", mas não devem ser confundidas com caixas de câmbio robóticas (semi-manuais), pois é um dispositivo / dispositivo extra para caixas de câmbio sequencial, que é usado para reduzir as tensões da caixa de câmbio em condições severas onde você passa de uma marcha mais baixa para outra mais alta com o motor sempre em tração, como no caso de competições ou toda vez que você opera a caixa de câmbio sem tirar o acelerador e acionamento da embreagem, especialmente quando o veículo em questão desenvolve alta potência e está equipado com uma caixa de câmbio projetada para resistir a um reduzido esforço / período de trabalho (como nos protótipos esportivos).
Este dispositivo corta a ignição do motor durante o tempo de mudança de forma a ter uma mudança rápida e não onerosa para a caixa de velocidades e todos os rolamentos, na verdade cada vez que muda para uma mudança superior ocorre uma mudança na relação de transmissão, que , a fim de não criar forças de tensão excessivas, deve ser executado sem que a caixa de engrenagens seja tensionada / tracionada. Para isso, uma unidade de controle equipada com um sensor é usada para detectar os movimentos da alavanca de mudanças ou um botão que faz este corte apenas durante a mudança para uma marcha superior, mas não em todas as competições este sensor é permitido que permite, em conjunto com a unidade de controle, para determinar por quanto tempo o motor não está alimentado.
Este sistema (juntamente com outros sistemas eletrônicos sofisticados, como controle de tração, anti-wheelie e controle de partida) foi proposto desde 2010/2011 em motocicletas esportivas como Ducati 1199 Panigale S, Aprilia RSV4 APRC SE e Bmw S1000 RR.

Mudança semi-manual (mudança robótica)

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: caixa de engrenagens robótica .

No sistema semiautomático ou semiautomático, o motorista simplesmente tem que escolher a marcha (geralmente eles também podem trabalhar no modo automático).

Os controles da caixa de câmbio semiautomática podem ser:

  • Uma alavanca para frente e para trás
  • Os botões na direção, respectivamente, executam a redução e a elevação.
  • Pás localizadas atrás do volante.

Os primeiros testes desta caixa de câmbio ocorreram já em 1983 na Scuderia Ferrari.

O uso dos botões elimina a necessidade de usar um padrão de manobra como no uso da alavanca de câmbio; em geral, a embreagem também é automatizada. Este tipo de caixa de câmbio foi usado pela primeira vez no Ferrari 640 F1 , o monoposto do cavalo para a temporada de Fórmula 1 de 1989.

Em carros modernos com transmissão automática, esta função (transmissão semiautomática) é geralmente controlada por um computador e é uma alternativa ao modo totalmente automático. Os primeiros carros a adotá-lo foram o Alfa Romeo 156 e, consequentemente, outras marcas (por exemplo, alguns BMW e Audi ) empregam uma caixa de câmbio manual operada por um computador ( caixa de câmbio robótica ), e o motorista simplesmente atua nos controles sequenciais.

A primeira motocicleta a utilizar este tipo de caixa de câmbio (automática e semiautomática) no lugar da clássica caixa de câmbio sequencial foi a Aprilia Mana 850 , apresentada em 2008.

Caixa de engrenagens perfeita ou com engate contínuo ou de mudança zero

Em 2007, foi introduzida a caixa de engrenagens de engate contínuo , uma evolução da caixa de câmbio semi-manual e desenvolvida pela Scuderia Ferrari em conjunto com o Zeroshift, que permite uma troca de marcha instantânea: assim que a alavanca atrás do volante é pressionada, a marcha é engatado, sem que haja o tempo de trânsito de uma marcha para outra, então você sempre tem a tração mesmo durante a mudança de marcha. Tudo isso é possível graças a um novo sistema de seletores, que requerem dois garfos de seleção em vez de um, mas por outro lado não requerem o uso do sincronizador.

A caixa de câmbio básica é a automotiva (caixa H), mas com o seletor totalmente revisado, a fim de engatar as diferentes marchas de maneira semelhante a uma caixa de engrenagens de engate frontal, de fato o seletor que fica entre as duas marchas é acoplado com dois discos deslizantes, os quais são acoplados às engrenagens colocadas nas laterais do seletor e que ativam os respectivos pares de embreagens, que são moldados de tal forma que uma vez que a engrenagem superior é engatada, o segundo par de embreagens se libera automaticamente do marcha mais baixa, graças ao perfil arredondado, que permite o seu desengate automático. Explicando com mais detalhes, temos o primeiro par de embreagens que se prepara para engatar a marcha superior, mas permitindo que o segundo par permaneça restrito e, portanto, continue a transmissão do movimento, quando a marcha é engatada, é este primeiro par de embreagens que agora transmite o movimento, sem que haja um tempo de comutação livre de tração, a partir deste momento a engrenagem inferior gira a uma velocidade mais lenta do que o eixo da engrenagem ao qual está restrita e, portanto, não é mais aquela (inferior) engrenagem que permite a rotação do próprio eixo, conseqüentemente será encontrado para segurar a embreagem do seletor que anteriormente o prendia ao eixo, mas graças ao perfil chanfrado este será liberado, permitindo que a engrenagem gire livremente da caixa de engrenagens. [5] [6]

Caixa de câmbio de dupla embreagem

Ícone da lupa mgx2.svg O mesmo tópico em detalhes: transmissão de dupla embreagem .
Transmissão de embreagem dupla do Honda VFR 1200F

Outro tipo de caixa de câmbio a ser entendido é a caixa de câmbio de dupla embreagem (" Dual Clutch Transmission " ou "Dual Clutch Gearbox"); É uma caixa de engrenagens na qual existem dois eixos conectados a duas embreagens, por sua vez conectadas ao eixo da hélice. Em um eixo existem relações ímpares, enquanto no segundo existem relações pares: o que ocorre é uma rotação simultânea dos eixos internos, porém, apenas um dos dois, graças a uma embreagem, transfere o movimento para o eixo de transmissão. Enquanto isso, o outro continua girando e, portanto, tem o próximo relacionamento "pronto". A vantagem é uma velocidade de deslocamento sequencial considerável. Por outro lado, a transição entre relacionamentos não contíguos (por exemplo, kick down ) é tão rápida quanto uma única árvore. [7]

Automático

Ícone da lupa mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Cambio 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 cinque auto su sei hanno installato questo dispositivo.

Evoluzione

Con il progresso tecnologico e soprattutto l'introduzione dell'elettronica nel settore automobilistico, sono stati realizzati diversi tipi di cambi automatici a controllo computerizzato:

  • Cambio automatico con possibilità di scegliere la marcia , si tratta di un normale cambio automatico a convertitore di coppia, ma che permette di scegliere la marcia entro certi limiti tramite la gate Tiptronic (da cui prende nome il cambio) e che permette di usare una marcia più lunga o corta di quanto farebbe utilizzare il cambio automatico.
  • Cambio robotizzato in modalità automatica , 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 quasi il doppio che in America, un esempio di questa soluzione è l'S-tronic, un cambio robotizzato a doppia frizione.
  • Cambio continuo , in cui non esistono valori fissi, ma il rapporto varia con continuità entro due limiti estremi, questo cambio è detto anche CVT ma è poco usato in campo automobilistico, solo da pochi anni a questa parte viene utilizzato in questo campo, un esempio è il Multitronic.

Diffusione del cambio automatico

Il cambio automatico è storicamente stato poco diffuso in Europa, dove era tutt'al più considerato solo un "costoso" optional impiegato sulle auto di fascia alta o nei veicoli per disabili. Negli ultimi anni la situazione è in controtendenza. In effetti si realizzano cambi automatici sempre più prestanti con un consumo minore di carburante a prezzi sempre più ridotti. La tradizione di guida europea induce però il pubblico a preferire il più controllabile cambio manuale rispetto a quello automatico, che sebbene semplifichi la guida, lascia al guidatore minore controllo sullo stile di guida.
Negli Stati Uniti invece la situazione è esattamente opposta. Una diversa tradizione di guida, i costi accessibili del carburante, gli enormi ingorghi nelle grandi città hanno sancito il successo del cambio automatico adottato nella maggior parte dei veicoli. Il cambio manuale è invece considerato tutt'al più un "costoso" optional impiegato solo sulle auto sportive o che comunque non vengano usate come semplice mezzo di trasporto. [8]

Cambio a presa diretta

Vengono definiti tali quei cambi che almeno in alcune situazioni utilizzano solo un albero del cambio e quindi trasmettono con un rapporto 1:1 alla trasmissione finale.

Rientrano in questo campo alcuni sistemi costituiti nell'uso della sola frizione centrifuga , senza la possibilità alcuna di variare il rapporto di trasmissione, questa soluzione è usata sui piccoli utensili da lavoro con motore termico, come i decespugliatori e le motoseghe, anche se era stato usato su alcuni ciclomotori come i primi Piaggio Ciao .

Cambio a presa diretta tipica dei mezzi di trasporto pesanti

Vengono definiti tali dei cambi per autotrazione pesante che riescono ad avere sull'albero primario, sia l'ingranaggio che riceve la forza del motore (albero primario del cambio), sia l'ingranaggio che rimanda la forza alla trasmissione finale (quest'ingranaggio può essere disposto su un terzo albero del cambio, coassiale al primo), questo è possibile perché quest'ultimo ingranaggio scorre sull'albero primario e non vi è solidale, per la variazione del rapporto di trasmissione si ha un secondo albero, che viene utilizzato per tutte le marce tranne una (la marcia su cui si ha la trasmissione 1:1, dove l'ingranaggio di rinvio alla trasmissione finale viene calettato all'albero primario), mentre per le altre rinvia sempre la forza a quest'ultimo ingranaggio. [9] [10]

Cambio Mabon [11] (Variatore manuale)

Questa tipologia di cambio è stato utilizzato in particolar modo sulle motociclette ed è costituito da un variatore azionato/comandato tramite una leva, la quale può essere vincolata tramite una guida metallica lineare o con andamento curvilineo, in quest'ultimo caso permette un azionamento rapido del comando definendo delle marce di trasmissione, questo tipo di comando venne poi riutilizzato per i primi cambi ad innesti frontali.

Nei primi modelli di motocicletta questo sistema poteva essere presente di serie o montato successivamente, in quest'ultimo caso o nei casi in cui il mezzo era disponibile sia nelle versioni a cambio singolo che a cambio Mabon si contraddistingue per una forma ovale, in quanto oltre al variatore manuale contiene anche una ruota condotta e una ruota motrice (pignone motore).

Cambio a frizione automatica

Questa struttura, consiste nell'uso di un cambio (a H, a CVT, ecc.) con associata una frizione centrifuga , che collega/scollega automaticamente il motore alla ruota a seconda delle sue condizioni operative.

Questa struttura del cambio viene usata nel sistema Variomatic e quindi sulla stragrande maggioranza degli scooter .

Vantaggi e svantaggi del cambio manuale, sequenziale e semimanuale

Di seguito sono elencati i vantaggi del cambio manuale su quello automatico:

  • È più semplice costruire cambi manuali robusti e affidabili.
  • I cambi manuali non richiedono sistemi di raffreddamento specifici, mentre i cambi automatici a volte devono essere dotati di appositi radiatori.
  • Il cambio manuale è più efficiente dal punto di vista energetico soprattutto perché utilizza una frizione invece di un convertitore di coppia .
  • 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, anche se ciò in genere non accade con i moderni cambi a doppia frizione.
  • Il cambio manuale è più economico, sia all'acquisto che per la manutenzione.
  • Il cambio manuale consente l'avviamento del veicolo "a spinta" nel caso di avaria del motorino di accensione o della batteria, cosa invece impossibile nelle auto automatiche.
  • Il cambio manuale consente di sfruttare il freno motore, cioè di inserire marce basse per far diminuire i giri del motore e perdere velocità senza dover frenare, mentre nelle auto con cambio automatico bisogna usare esclusivamente i freni per rallentare (quindi con una maggiore usura degli stessi).
  • Nelle auto meno recenti, il cambio automatico riduceva leggermente la velocità massima rispetto ad un'auto identica e dotata dello stesso motore ma con cambio manuale.

Di seguito sono elencati i vantaggi del cambio automatico su quello manuale:

  • Minore interazione e apprendimento richieste al guidatore (buona parte dell'addestramento di un nuovo guidatore al cambio manuale è appunto la sua corretta gestione).
  • In situazioni di traffico con scorrimento a velocità ridotta, lo stress è molto minore rispetto al cambio manuale, che richiederebbe un continuo passaggio tra la prima marcia e la posizione di folle.
  • Non si rischia di soffrire di indolenzimento dei muscoli della gamba sinistra a causa del continuo uso della frizione.
  • Il cambio a doppia frizione è sempre più veloce rispetto ad una cambiata manuale.
  • Il cambio a doppia frizione in media può portare a consumare meno carburante rispetto a quello manuale.
  • Non vi è fisicamente la possibilità di "strattoni" e "singhiozzi" alla partenza, che con il cambio manuale hanno luogo quando non si sincronizzano correttamente i movimenti dei pedali di frizione e acceleratore.
  • Possibilità di usare la tecnologia ADAS tipo ACC (Adaptive Cruise Control) fino allo stop e ripartenza.
  • Nessun rischio di inserire marce sbagliate e non adatte alla velocità a cui si sta procedendo, con la possibilità di danneggiare sia il cambio che il motore (anche se in genere nei cambi manuali sono comunque presenti dispositivi meccanici che impediscono di inserire marce basse ad alta velocità).
  • Il cambio automatico rende agevole la partenza in salita e le salite in retromarcia.
  • L'eliminazione dei comandi del cambio è vantaggiosa per i portatori di handicap e può lasciare spazio nel tunnel centrale.

Nella bicicletta

Cambio a deragliatore

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Deragliatore .
Ruota multipla di un cambio a deragliatore a 9 posizioni SRAM serie R9
Deragliatore Campagnolo C-Record Long Cage

Il cambio a deragliatore è costituito da una catena, diverse ruote affiancate ed un meccanismo comandato dal guidatore, in grado di spostare la catena ( deragliare ) da una ruota all'altra e tenere la catena in tensione.

Nelle biciclette da passeggio qualora non siano monomarcia è generalmente 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, il numero delle corone dentate è molto variabile a seconda dell'applicazione e del periodo storico.

Alcune combinazioni tra i due deragliatori prevedono però un eccessivo disassamento della catena e non è consigliabile usarle per via dell'usura e della minore resa, 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 comando del cambio avviene tramite un selettore marcia e il cambio marcia avviene durante la pedalata (preferibilmente senza sforzare sui pedali per facilitare il cambio e ridurre l'usura), poiché questo cambio non agisce a catena ferma.

Cambio epicicloidale

Cambio Rohloff epicicloidale a 14 rapporti interno al mozzo

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), maggiore protezione dallo sporco e minore necessità di manutenzione. Inoltre permette di mantenere sempre la linea di catena ottimale e un miglior tensionamento della stessa. Generalmente un cambio epicicloidale è più costoso di uno a deragliatore, ma ne esistono modelli - per uso non agonistico - dal prezzo conveniente. È infine da sottolineare che il minor numero di rapporti che questo sistema permette rispetto ai cambi con deragliatore è solo teorico: infatti, i 27 rapporti di questi ultimi non sono in realtà tutti sfruttabili, mentre i rapporti del cambio epicicloidale (fino a 14) sono tutti reali. Di fatto lo sviluppo di rapporti dei due sistemi è equivalente.

Questo sistema era molto diffuso fino agli anni settanta , quando si diffuse il cambio a deragliatore. Negli anni venti del XX secolo il cambio epicicloidale veniva utilizzato anche su alcuni modelli di autovettura .

In Italia tale sistema è poco utilizzato, mentre è molto diffuso nelle bici da città nel nord Europa.

Grazie ai recenti progressi tecnologici nel campo dell'attuazione elettronica il cambio CVT epicicloidale è comparso sia nei sistemi di trasmissione per trattori agricoli di elevata potenza sia in ambito automotive come alcuni modelli di Toyota e Lexus.

Cambio a ingranaggi

Cambio a ingranaggi a chiavetta scorrevole e rinvio al primo albero

Si tratta di un cambio molto simile a quello utilizzato sui veicoli a motore, dove ci sono due alberi muniti d'ingranaggi dentati, di cui un albero ha ingranaggi fissi ad eccezione dell'ingranaggio di rinvio a cui è accoppiata la corona ed il secondo albero ha ingranaggi ruotanti ad eccezione dell'ingranaggio di rinvio, su quest'albero è presente il sistema a chiavetta scorrevole che permette di selezionare il rapporto.

Questo sistema in caso di bici non ammortizzate non necessita di un tensore catena, mentre nel caso di carri ammortizzati si rende necessario in quanto varia la distanza tra corona e pignone.

Rapporto fisso e cambio

Alcuni ciclisti professionisti o meno preferiscono la bicicletta a rapporto fisso, più robusta, senza cambio e cavi [12] [13] . Essi approvano l'affermazione di Henri Desgrange , cofondatore del Tour de France :

"Ritengo sempre che il cambio di velocità sia 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 )

Posizione

Il cambio può essere posto in diverse posizioni:

  • Anteriormente o centralmente , quando il cambio è posto all'avantreno o ne è a ridosso
  • Posteriormente , quando il cambio è posto al retrotreno, sistema utilizzato solo su alcuni mezzi a trazione posteriore e normalmente presente sulle biciclette con il nome di "deragliatore posteriore"

Accorgimenti

Per l'uso sportivo si usano alcune soluzioni:

  • Cambio estraibile , tale cambio può essere estratto dal blocco che lo contiene e permettere una veloce regolazione dello stesso, con il cambio rapido delle coppie d'ingranaggi per la trasmissione, modificando così il rapporto di trasmissione , in modo da regolarlo ai vari tracciati e varie condizioni atmosferiche (vento compreso).
  • Spia del folle/neutro , usata nei cambi sequenziali motociclistici, per segnalare l'inserimento della posizione neutra e la non trasmissione della forza all'albero secondario del cambio, per questa spia serve un sensore che avverte il posizionamento di un determinato ingranaggio, che assume una posizione solo nel caso dell'inserimento della folle.
  • Ridotte il cambio è provvisto di un terzo albero, il quale nei modelli più semplici (fuoristrada) ha solo due rapporti, normale e ridotte, mentre nei trattori questo può avere tanti rapporti quanti il cambio primario, come ad esempio 4(marce)+4(gamme), dando 16 combinazioni diverse, spesso tutte utilizzabili, sia in marcia avanti che in retromarcia se il cambio è dotato di inversore (avanti - neutro - retro). Per particolari applicazioni, in alcuni trattori, può essere montato un ulteriore cinematismo, tale da permettere, una maggiore riduzione del rapporto di trasmissione chiamato "super riduttore" .

Note

  1. ^ Ernesto Tron, "L'arte di guidare", terza edizione, 1961, Touring Club Italiano
  2. ^ [1] cambio a chiavetta scorrevole Archiviato il 12 febbraio 2014 in Internet Archive .
  3. ^ Mario Rossi, 4 , in Macchine utensili, Volume 1 , 1ª edizione, Milano, Ulrico Hoepli, 1978, p. 504, ISBN 88-203-0965-3 . URL consultato il 1º febbraio 2011 .
  4. ^ Cambio a innesti frontali (sequenziale motociclistico) [2] Archiviato il 20 novembre 2012 in Internet Archive . [3] Archiviato il 20 novembre 2012 in Internet Archive . [4]
  5. ^ Cambio a ZEROSHIFT forse la strada intrapresa dalla HRC
  6. ^ Zeroshift System Animation Archiviato il 5 maggio 2011 in Internet Archive .
  7. ^ Dual clutches take the lead , su eurekamagazine.co.uk (archiviato dall' url originale il 20 ottobre 2009) .
  8. ^ Cambio automatico o manuale? , su patentati.it .
  9. ^ Dizionario tecnico dell'automobilismo: Cambio
  10. ^ Trasmissione e cambio di velocità , su autoconfronti.forum-ativo.com . URL consultato il 5 dicembre 2011 (archiviato dall' url originale il 30 ottobre 2012) .
  11. ^ Storia Triumph
  12. ^ L'eleganza del ciclista
  13. ^ Alla Bovisa gli eroi della «fixed» Velocità folle e niente freni

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

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