Convertitore di Coppia Idraulico: Funzionamento e Vantaggi

Uno dei progressi tecnologici che ha rivoluzionato maggiormente il comparto automobilistico è senza dubbio il cambio automatico con convertitore di coppia. Questa soluzione, sempre più adottata dalle case costruttrici, rappresenta uno dei migliori punti di svolta nella storia dell'auto per quanto riguarda comfort, prestazioni e piacevolezza di guida.

Rispetto ai cambi manuali convenzionali, il convertitore di coppia apporta benefici enormi grazie alla fluidità delle cambiate, all'eliminazione degli strozzamenti di coppia e all'erogazione continua della spinta del motore. Il pilota può concentrarsi unicamente sulla strada, lasciando al sistema di trasmissione automatica il compito di selezionare il rapporto ottimale.

Già ampiamente diffuso da tempo, oggi il cambio automatico è diventato uno standard apprezzato perfino sulle auto sportive, dove garantisce cambiate fulminee oltre a un feedback di guida premium. La tendenza del mercato è chiara: le case automobilistiche puntano sempre più su trasmissioni automatiche avanzate, senza il compromesso del piacere di guida. Per gli automobilisti attuali e futuri, il cambio automatico con convertitore di coppia è già una realtà consolidata e destinata a diffondersi ancora di più.

Principi di Funzionamento del Convertitore di Coppia

Il cambio automatico con convertitore di coppia è una delle soluzioni tecnologiche più diffuse nell'automotive per erogare la coppia motrice alle ruote del veicolo in maniera fluida e senza interruzioni, garantendo un comfort di guida elevato. Il suo principio di funzionamento si basa sul convertitore di coppia, elemento cardine che consente di variare in modo continuo il rapporto di trasmissione tra il motore e il cambio senza l'utilizzo di frizioni.

Il convertitore di coppia più diffuso è l'idroconvertitore, composto da un rotore e da una turbina immerse in un liquido idraulico. Quando il motore eroga coppia, il rotore inizia a girare trascinando con sé il liquido, azionando così la turbina collegata al cambio. In questo modo si ottiene una connessione graduale della potenza motrice alle ruote, senza soluzione di continuità.

Esistono anche fluidocouplers che sfruttano lo stesso principio senza l'ausilio di componenti meccaniche, affidandosi solo all'interazione tra un fluido e dei conduttori magnetici. Il cambio è gestito elettronicamente da un'unità di controllo che monitora parametri come il regime motore, la pressione sul pedale dell'acceleratore e gli sforzi sul treno motrice, selezionando di volta in volta il rapporto ottimale per erogazione e consumi. Questi sistemi di cambio automatico rendono la marcia del veicolo estremamente fluida e confortevole, adatta anche ai lunghi tragitti autostradali.

Esso connette il motore al cambio (non attraverso un contatto tra elementi solidi come avviene per la tradizionale frizione) ma tramite il moto di un fluido che interagisce con le palette di una pompa, una turbina o uno statore, all’interno di un carter dalla forma toroidale.

Componenti Principali

Pompa: è collegata direttamente all'albero motore, ricevendone il moto rotatorio; è costituita da un disco con palette con una specifica conformazione geometrica che, per effetto della forza centrifuga, invia il fluido radialmente contro le pareti dell'involucro.
Turbina: la forma delle pareti dell'involucro fa sì che il fluido le percorra, giunga alla turbina e la metta in rotazione agendo sulle sue palette; successivamente il fluido torna alla pompa passando dal centro del convertitore, attraverso lo statore, per poi ricominciare il ciclo.
Statore: è montato su di un albero solidale al carter del cambio, su una ruota libera, che ne permette la rotazione in un solo verso; riceve il fluido dal centro della turbina e attraverso la particolare geometria palettata lo indirizza verso la pompa. Il rotore impedendo al fluido di rallentare o tornare indietro verso la turbina è il responsabile della moltiplicazione della coppia, facendo sì che l’energia cinetica del fluido aumenti ad ogni ciclo.

Quando la pompa è mossa dall'albero motore, il fluido al suo interno ruota nello stesso verso. All'aumentare della velocità di rotazione, le forze centrifughe spingono il fluido radialmente dal centro verso l'esterno, facendolo fluire lungo i vani dell'impulsore. All'uscita il fluido è forzato ad entrare nella turbina, scorrendo lungo le palette e innescandone la rotazione nello stesso verso della pompa. Quando il fluido ha dissipato la sua energia contro le palette della turbina, fluisce verso il centro.

Quando raggiunge l'uscita della turbina, viene convogliato all'interno dello statore ed il ciclo ricomincia. Ci sono casi in cui il flusso all'interno del convertitore è più veloce e potente e altri in cui esso è pressoché inesistente. Esistono due tipi di flusso nel convertitore: uno vorticoso e uno rotatorio.

Il flusso vorticoso segue un percorso a spirale che si protrae fintanto che esiste una differenza di velocità tra l'impulsore e la turbina. Il flusso rotatorio è invece quello che circola con la rotazione del corpo del convertitore. Il flusso è più forte quando la differenza di velocità tra impulsore e turbina è maggiore, come ad esempio quando il veicolo sta accelerando.

Durante questa fase (detta alto vortice) il flusso uscente dalla turbina impatta sulla superficie delle palette dello statore, il quale è bloccato dal dispositivo a ruota libera. Il fluido viene convogliato dalle palette dello statore verso la pompa, fornendo una coppia ulteriore rispetto a quella fornita dal motore. Durante la fase di flusso a basso vortice il fluido proveniente dalla turbina impatta sul retro (convesso) delle palette invece che sulla faccia (concava) dello statore.

Questo causa il rilascio della frizione a ruota libera e la rotazione dello statore sull'albero di reazione. A questo punto c'è poca esigenza di moltiplicare la coppia. Quando la velocità di rotazione della pompa e della turbina diventano simili, il flusso vorticoso decresce e il fluido inizia a circolare insieme a pompa e turbina, tutti nella stessa direzione. Questo flusso è grande quando la differenza di velocità tra pompa e turbina è ridotta, come ad esempio quando il veicolo procede a velocità costante.

Le parti sono tra loro affacciate ma non in contatto e la camera è riempita con un olio solitamente poco viscoso. La pompa è essenzialmente una girante radiale. Ruotando, la pompa spinge il fluido verso l'esterno per effetto della forza centrifuga.

Il fluido spostato dalla pompa verso l'esterno del dispositivo è costretto a rientrare verso il centro attraverso le pale della turbina, che viene cosi messa in rotazione. Il mozzo della turbina è calettato sull'albero di ingresso della trasmissione tramite un profilo scanalato. La curvatura delle palette della turbina è opposta a quella delle palette della pompa.

Regimi di Funzionamento

Stallo: l’albero motore applica potenza alla pompa, ma la turbina non può ruotare. Questa condizione si ha per esempio quando il pilota ha innestato la trasmissione (D sul selettore), ma impedisce al veicolo di muoversi agendo sui freni. In questa condizione si ottiene la massima moltiplicazione di coppia.
Accelerazione: il veicolo sta accelerando ma c’è ancora una considerevole differenza tra le velocità di rotazione di pompa e turbina.
Coppia: la turbina ha raggiunto il 90% della velocità della pompa e la moltiplicazione di coppia è praticamente assente.

Fino a che il motore è in funzione, lo è anche il convertitore di coppia; fermando il veicolo con il motore in moto, viene trasmessa una piccola coppia al veicolo, basta però azionare il freno per rimanere fermi. Questo è detto regime di stallo.

In accelerazione la pompa gira molto più velocemente della turbina, trasmettendo più coppia al cambio; in questa fase è determinante la presenza del rotore che energizza il moto del fluido e fa sì che la coppia trasmessa sia molto più alta, anche di due o tre volte, di quella disponibile in assenza del convertitore.

Quando si raggiunge la velocità di crociera pompa e turbina girano a velocità molto simili, la potenza trasmessa è minima, l’effetto dello statore viene meno e il convertitore si comporta come se fosse un normale giunto idraulico.

Vantaggi del Convertitore di Coppia

Il cambio automatico con convertitore di coppia presenta numerosi vantaggi rispetto alla controparte manuale, garantendo un'esperienza di guida maggiormente rilassata e divertente.

Naturalmente l’impiego di questo dispositivo ha sia pregi che difetti; l’assenza di superfici solide di contatto costituisce il principale dei vantaggi in quanto, rispetto ad una frizione tradizionale, si riduce notevolmente l’usura delle componenti. E ancora, l’erogazione della potenza risulta più graduale, il cambio marcia più fluido e rapido, per un comfort di guida nettamente migliore.

Questo comportamento permette di sostituire la frizione con il convertitore di coppia. Il convertitore svolge la stessa funzione della frizione in un veicolo a cambio manuale, ma in modo completamente automatico.

Considerazioni Importanti

Per trasferire coppia, è necessaria una differenza di velocità tra pompa e turbina dunque, c’è sempre strisciamento tra le due parti, con conseguente dissipazione di energia per attrito interno al fluido ed innalzamento dei consumi.
Per sopperire a questo è stata introdotta la frizione di look-up che collega meccanicamente le due giranti rendendole solidali; in questo modo il fluido viene bypassato eliminando ogni perdita, trasmettendo tutta la coppia disponibile e riducendo i consumi. Inoltre essa funge da freno motore, riducendo la velocità del veicolo quando viene meno la pressione sul pedale.
A veicolo fermo e motore spento, motore e trasmissione sono scollegati quindi non viene erogata coppia frenante alle ruote e il veicolo potrebbe muoversi; per ovviare a questo, esiste la funzione parking che blocca la trasmissione e impedisce il movimento del veicolo.
A motore spento si ha un'importante differenza rispetto all'impiego di una classica frizione: in tale condizione infatti non viene trasferita alcuna coppia dalle ruote verso il motore e viene a mancare l'effetto di blocco che normalmente si ha in un veicolo con cambio manuale e frizione.

La pompa ruota insieme al motore, considerazione importante quando un veicolo è trainato. In tal caso infatti, se le ruote sono a terra e il motore è spento, gli assali muovono l'albero di uscita e quello intermedio della trasmissione, ma i rispettivi cuscinetti non ricevono lubrificazione. Pertanto esiste un notevole rischio di danneggiamento quando il veicolo viene trainato per una lunga distanza o a velocità elevate. La coppia trasferita dal convertitore è massima a regimi di rotazione medio-alti mentre diminuisce notevolmente a bassi regimi. Quando il motore è al minimo il dispositivo praticamente non trasferisce più coppia, realizzando la separazione tra i due componenti.

tag: #Idraulico