Organi di trasmissione: il cambio manuale

Ben ritrovati a tutti!

 Continuiamo il discorso sugli organi di trasmissione dando un'occhiata ad un componente presente sulla stragrande maggioranza delle vetture in commercio: il cambio manuale.

 Il cambio di velocità, o semplicemente cambio, è un sistema meccanico costituito da un insieme di ruote dentate con la funzione di adattare la velocità di rotazione del motore a quella delle ruote in modo tale da poter avere a disposizione coppie elevate anche a basse velocità. Sono presenti diverse ruote dentate che ingranano tra di loro.

Prima ancora di vedere a cosa serve il cambio di velocità in un autoveicolo, come esso si compone e come funziona,  occorre introdurre brevemente un concetto imprescindibile quando si trattano ruote dentate: il rapporto di trasmissione. Esso esprime il modo in cui viene trasferito il moto da una ruota dentata appunto all’altra in una coppia di ingranaggi. Nei cambi per uso automobilistico si preferisce parlare in termini di rapporto di riduzione che altro non è che l’inverso di quello di trasmissione. Si può dimostrare che il rapporto di riduzione può essere espresso come rapporto appunto tra la velocità angolare della ruota motrice (quindi quella del motore) e quella della ruota condotta (quindi del cambio).

Detto questo, si può continuare dicendo che  il cambio di velocità in una autovettura si rende necessario per rimediare ad una caratteristica, quasi un piccolo difetto per così dire, dei motori a combustione interna, cioè quella di non essere in grado di fornire una buona coppia a bassi regimi di rotazione. La forza necessaria a muovere un veicolo è massima quando esso è fermo, di più se questo deve essere messo in movimento in salita. In questo caso la coppia del motore deve essere tale da vincere l’inerzia del veicolo (grandezza proporzionale alla massa dello stesso ed all’accelerazione che gli si vuole conferire).

Dalla definizione di potenza quale prodotto tra coppia e velocità di rotazione, si evince che a parità di potenza per modificare la coppia occorre variare la velocità di rotazione, variazione che avviene modificando proprio quel rapporto di riduzione introdotto in precedenza. Ecco spiegato il perché la prima marcia ha un rapporto di riduzione maggiore di tre, cioè ecco perché la velocità del motore è tre volte maggiore della velocità del cambio (o, allo stesso modo,perché la velocità del cambio è tre volte minore di quella del motore); di conseguenza dividendo per tre il numero di giri, si ottiene una coppia moltiplicata per tre e quindi tre volte maggiore.

I cambi manuali più diffusi nelle vetture di questi anni hanno almeno cinque marce a volte anche sei, questo perché se le velocità angolari di motore e cambio fossero sempre nello stesso rapporto di riduzione, durante la marcia in pianura per esempio si assisterebbe ad un motore che gira ad un alto numero di giri senza un apprezzabile aumento di velocità del veicolo. Avendo più marce invece si può disporre di diversi rapporti di riduzione per esempio di 2 ad 1 (che significa 2 giri del motore per 1 giro delle ruote) o di presa di retta, in cui il rapporto è di 1 ad 1 che significa che per un giro del motore si ha un giro delle ruote, caso della quarta marcia in un cambio a quattro e a cinque rapporti.  La quinta marcia aumenta la velocità dei veicoli ed è stata introdotta per economizzare il combustibile; essa ed in genere le marce superiori alla quarta hanno un rapporto che incrementa ulteriormente al velocità delle ruote (ad esempio 1 giro del motore per 1.3 giri delle ruote); tutto ciò senza superare i limiti operativi del motore. Aumentando la velocità delle ruote si riduce la coppia, quindi ogni aumento di marcia porta ad avere meno accelerazione ecco perché a volte risulta necessario scalare marcia.
 La retromarcia è realizzata grazie ad un terzo albero da un ingranaggio ausiliario che trasmette il moto invertendo il senso di rotazione (ruota oziosa).
 Gli ingranaggi sono chiusi in una scatola a tenuta ermetica detta scatola del cambio.

 I cambi più diffusi sulle autovetture sono “con presa diretta” e presentano un albero di entrata coassiale con l’albero di uscita e un albero ausiliario. Su questi vengono installati gli ingranaggi in presa, due a due tra di loro. Per ogni coppia di queste vi è un solo ingranaggio solidale all’albero su cui è calettato, mentre l’altro ruota in modalità “folle” sul proprio albero cui è reso solidale quando si innesta la marcia corrispondente ai due ingranaggi. Nelle immagini sottostanti è possibile vedere nell'ordine uno schema funzionale quasi didattico che illustra il funzionamento del cambio e una sezione di un cambio manuale reale. Entrambi fanno riferimento ad un cambio manuale a cinque rapporti.

Schema funzionale cambio manuale

Sezione cambio manuale

Inoltre, vista la difficoltà dell'argomento, ho ritenuto utile inserire un video in cui è possibile vedere un animazione del funzionamento del cambio sperando che possa essere di maggiore aiuto.