Cosa sostituisce il convertitore di coppia nella frizione delle trasmissioni automatiche?

Il convertitore di coppia è un elemento di trasmissione potenza idrodinamico che sostituisce la frizione meccanica nella trasmissione automatica classica, posizionato tra il motore e il cambio; a veicolo fermo trasmette la coppia senza faritare il motore, e alla partenza moltiplica la coppia prodotta dal motore 1,8:1 a 2,5:1 e in marca stabilisce un collegamento meccanico senza perdite grazie alla frizione di bloccaggio. In sintesi, svolge in un unico corpo le tre funzioni della frizione: separare, unire dolcemente e, quando necessario, aumentare la coppia.

Cosa Sostituisce la Frizione e Perché Non una Frizione Completa?

Nella trasmissione manuale, il conducente stabilisce e interrompe il collegamento tra motore e cambio tramite il pedale della frizione. Nell'automatico questo compito non lo svolge un conducente, ma immaginate una sacca chiusa avvitata al motore (montata sul volano o sul flexplate): il fluido al suo interno trasmette il movimento rotatorio ricevuto dal motore all'albero di ingresso del cambio. Questo sistema consente al veicolo in marcia di fermarsi mentre il motore è acceso; il cambio resta liberamente disinnestato mentre il motore continua a girare.

Ma perché un fluido invece di una frizione a secco? Perché la frizione meccanica, finché è a contatto, o è completamente bloccata o slitta - e quando slitta la plausetta si surriscalda e si usura. Nella frizione a fluido non esiste un punto di contatto; lo scorrimento è l'ambiente di funzionamento naturale del progetto e assorbe naturalmente anche le vibrazioni del motore. Inoltre, una semplice frizione a fluido trasmette la coppia solo riducendola leggermente. Ciò che distingue il convertitore di coppia è che grazie allo statore può aumentare la coppia quando il regime di uscita è basso; cioè è un elemento che, quando la velocità di rotazione è bassa, si forza a comportarsi come un riduttore adattivo.

È anche qui il segreto della capacità del cambio automatico controllato da computer di prendere decisioni indipendenti dal pedale del conducente: il convertitore offre una finestra di scorrimento controllata e sicura quanto mai la frizione non potrebbe fare; il cambio non si trova mai ad affrontare uno shock meccanico inatteso.

Pompa, Turbina e Statore: Come Si Moltiplica la Coppia?

Il convertitore ha tre componenti rotanti/non rotanti. La pompa (impeller) è collegata al motore e funziona come una pompa centrifuga: mentre gira, scaglia il fluido verso l'esterno e, creando vuoto al centro, aspira nuovo fluido. Il fluido espulso colpisce le pale curve della turbina, cambia direzione e facendo ruotare la turbina trasmette la potenza all'albero di ingresso del cambio.

La vera intelligenza è nascosta nel terzo elemento. Il fluido che esce dalla girante si muove in senso contrario alla rotazione del motore; in un semplice accoppiamento idraulico questa energia di ritorno si trasforma solo in calore. Lo statore, si trova tra la pompa e la turbina e, reindirizzando questo fluido, nutre la pompa con un angolo ottimale. Così l'energia del fluido di ritorno viene recuperata e la coppia in uscita si somma alla coppia prodotta dal motore. In termini di equilibrio meccanico: il fluido che esce dalla turbina esercita una coppia contraria sul corpo a cui lo statore è ancorato, perché lo colpisce; questa differenza si riflette direttamente sul lato di uscita come guadagno di coppia.

Due dettagli sono criticità dal punto di vista ingegneristico. Il primo è la geometria delle palette: nella turbina e nello statore si usano palette inclinate e curve, e piccole variazioni della geometria cambiano notevolmente le prestazioni. La seconda è la dimensione: le equazioni di movimento del convertitore si basano sull'equazione delle turbomacchine di Euler, che risale al XVIII secolo, e poiché le caratteristiche dipendono dalla quinta potenza del raggio, la capacità di coppia è teoricamente proporzionale alla densità del fluido, al quadrato del regime di rotazione e alla quinta potenza del diametro. Aumentare leggermente il diametro aumenta la capacità molto di più.

È importante anche che lo statore non resti inattivo: lo statore è montato su una frizione unidirezionale . Durante la partenza e l'accelerazione il fluido lo spinge da dietro e lo statore rimane fermo; quando si passa alla fase di accoppiamento la pressione del fluido diminuisce e lo statore inizia a girare liberamente - la rotazione in senso contrario è impedita dalla frizione unidirezionale.

Le Tre Fasi di Funzionamento: Stall, Accelerazione e Accoppiamento

Il modo più chiaro per leggere il comportamento del convertitore è attraverso tre fasi. Nella fase di stall (arresto) la marcia è inserita, i freni trattengono il veicolo, la turbina non gira ma la pompa gira con il motore; con sufficiente potenza in ingresso si ottiene qui la massima moltiplicazione di coppia e questo rapporto è chiamato rapporto di stall. Nelle applicazioni automobilistiche il valore tipico è 1,8:1–2,5:1; nei convertitori speciali per usi industriali, navali e heavy-duty questo rapporto 5,0:1 arriva fino a. L'effetto di riduzione totale in stall può sorprendere: un rapporto del cambio di 2,46:1 combinato con un rapporto di stall di 2,2:1 dà alle ruote in pieno arresto una moltiplicazione totale di 5,41:1; al passaggio alla fase di accoppiamento questo numero scende a 2,73:1.

Nella fase di accelerazione man mano che il carico aumenta la differenza di giri tra pompa e turbina è ancora grande; esiste moltiplicazione di coppia ma al di sotto del valore di stall. In questa zona domina il flusso a vortice del fluido che spiraleggia dalla pompa allo statore e da lì alla turbina - è questo il regime in cui la moltiplicazione di coppia gioca al massimo.

Nella fase di accoppiamento (coupling) si entra quando la turbina raggiunge circa il 90% del regime della pompa: mentre la pompa fa 10 giri la turbina ne fa 9, cioè uno slittamento di circa 1,11:1 è tipico. A questo punto la moltiplicazione di coppia di fatto cessa; il movimento a spirale del fluido lascia il posto al flusso rotazionale lascia libero lo statore di ruotare. Esiste un chiaro compromesso tra moltiplicazione di coppia ed efficienza: i convertitori con alto stallo funzionano in modo meno efficiente vicino ai regimi di innesto della frizione. Chi cerca prestazioni deve scegliere la moltiplicazione, chi cerca economia deve optare per un carattere con minore slittamento.

Frizione di bloccaggio: la seconda frizione che azzera lo slittamento

La trasmissione a fluido non ha nulla di soprannaturale: lo slittamento significa direttamente perdita di efficienza e calore. La frizione di bloccaggio (lock-up clutch) esiste proprio per questo. In marcia blocca meccanicamente la turbina direttamente all'impulsore, trasmettendo tutta la potenza per via meccanica; la perdita di fluido e la generazione di calore scompaiono, i regimi scendono leggermente e si crea un percorso di potenza più diretto verso le ruote.

La sua storia è interessante. La prima applicazione automobilistica risale al trasmissione Packard Ultramatic del 1949 : il veicolo si bloccava una volta raggiunta la velocità di crociera e si sbloccava accelerando o rallentando. Negli anni '50 si vide anche in alcune trasmissioni Borg-Warner, poi fu abbandonata per costi e complessità. A metà degli anni '70, quando le priorità si spostarono sull'efficienza del carburante, l'idea tornò; Chrysler 1978 presentò la versione moderna. Nella pubblicazione tecnica l'uso diffuso dei convertitori di bloccaggio nell'era moderna viene talvolta datato al 1981; la differenza deriva dal fatto che la prima applicazione e l'adozione di massa coincidono con periodi diversi.

Il dibattito di oggi riguarda invece la calibrazione: innestare il bloccaggio il più presto possibile aiuta a risparmiare carburante nella guida urbana, ma significa rinunciare al vantaggio di moltiplicazione di coppia del convertitore. Nelle auto stradali ad alte prestazioni il bloccaggio non è posizionato come accessorio per l'economia, ma come elemento che garantisce la vivibilità quotidiana di un convertitore potente. Poiché con l'aumento del numero di marce il carico di moltiplicazione del convertitore diminuisce, nelle automatiche moderne a 6-10 marce il bloccaggio precoce e frequente è diventato standard; al contrario, nelle automatiche tradizionali il convertitore resta deliberatamente sbloccato per gran parte della guida - mentre nelle CVT sopra circa 8 km/s è quasi sempre bloccato, perché lì il compito di moltiplicazione di coppia spetta comunque al variatore.

Effetto sul carattere di guida e modalità di guasto note

Il convertitore è l'eroe silenzioso che determina il carattere del cambio automatico. Mentre la frizione di bloccaggio entra in funzione garantisce fluidità; nelle fasi sbloccate assorbe invece attraverso il fluido le scosse del motore e le vibrazioni torsionali. Solo che questa capacità di smorzamento non è infinita: le vibrazioni torsionali della linea di trasmissione sono il principale limite ingegneristico che restringe un innesto troppo precoce del bloccaggio. Quando la frizione di bloccaggio aggancia di colpo invece di scivolare si manifesta il comportamento stick-slip , che può propagare le vibrazioni a tutta la linea di trasmissione - ed è proprio questo l'evento che compromette la percezione di comfort del guidatore.

Il reclamo più frequentemente udito è la vibrazione del convertitore (shudder): di solito ~64-72 km/s fascia, la breve scossa avvertita quando la frizione si blocca. In caso di blocco parziale, la frizione lavora agganciando invece di slittare; la frizione usurata e l'ATF sporca/degradata sono le cause principali e nella maggior parte dei casi la sostituzione dell'olio del cambio risolve il problema. Il fatto che il fastidio scompaia quando si preme l'acceleratore o si tocca il freno è un indizio tipico: quando il convertitore si apre, la zona di slittamento scompare. In pratica, la vera origine della maggior parte dei guasti del convertitore di blocco non è nemmeno il convertitore stesso; insorge nel corpo valvole, nei controlli elettronici o nel solenoide di attivazione.

Esistono anche modalità di guasto più gravi:

• Surriscaldamento: I tentativi di uscita dondolando avanti e indietro su neve o fango mantengono il convertitore in regime di stallo a lungo; la geometria moderna delle pale minimizza la velocità del fluido ai bassi regimi, riducendo questo rischio senza eliminarlo.
• Blocco della frizione dello statore: Quando lo statore cessa di ruotare liberamente, il convertitore lavora con rendimento molto basso in fase di aggancio; un aumento significativo dei consumi è il sintomo classico.
• Rottura della frizione dello statore: Le applicazioni di potenza improvvise (eventi come il neutral start al momento dell'avviamento) possono rompere la frizione unidirezionale.

Breve storia: come il convertitore ha dato origine all'automatico?

L'ascesa del convertitore di coppia nel settore automobilistico si accelerò dopo la Seconda guerra mondiale, con l' Hydra-Matic esperienza maturata sui veicoli militari. Nel 1948, con la Buick Dynaflow le frizioni a fluido iniziarono a essere sostituite dai convertitori di coppia; la Dynaflow era un progetto ambizioso che basava interamente la moltiplicazione di coppia della sua unica marcia su un convertitore a cinque elementi. La seguirono la Packard Ultramatic del 1949 Packard Ultramatic e la Chevrolet Powerglide del 1950 : in questi cambi a due marce il compito della moltiplicazione di coppia era svolto in gran parte dal convertitore. Negli anni Cinquanta si raggiunse un equilibrio: le automatiche a tre marce della BorgWarner e quelle basate sul set di ingranaggi planetari composti Simpson, come la

Chrysler TorqueFlite , resero il convertitore un componente imprescindibile delle trasmissioni automatiche. I tentativi di convertitori multielemento (Buick Triple Turbine Dynaflow , Chevrolet Turboglide ) furono abbandonati per il basso rendimento; il loro posto fu preso da configurazioni a cambio a tre marce più convertitore a tre elementi. Un dettaglio GM interessante dell'epoca fu lo statore ad angolo variabile : con un'accelerazione improvvisa l'angolo d'attacco dello statore cambia, sacrificando il rendimento per aumentare la moltiplicazione di coppia - un antenato meccanico dell'attuale filosofia di calibrazione adattiva. Domande frequenti

Domande frequenti

Come fa il convertitore di coppia a moltiplicare la coppia?

Il fluido che esce dalla turbina scorre in direzione opposta alla rotazione del motore; lo statore riporta questo fluido nella direzione di rotazione della pompa, restituendone l'energia. In questo modo all'albero di uscita arriva più coppia di quella prodotta dal motore; in fase di ripartenza questo rapporto va da 1,8:1 a 2,5:1.

Perché nelle trasmissioni automatiche c'è un convertitore di coppia invece della frizione?

Perché il convertitore trasforma lo slittamento da difetto in modalità di funzionamento: consente al veicolo di restare fermo con la marcia inserita, assorbe le vibrazioni, moltiplica la coppia e svolge questi tre compiti in modo continuo e sicuro senza intervento del conducente. La frizione meccanica del cambio manuale esegue solo uno di questi compiti: stabilire e interrompere il collegamento.

A cosa somiglia il tremorio del convertitore?

È una breve vibrazione simile a un leggero squilibrio delle ruote, ma percepita solo in una certa fascia di velocità (di solito 64-72 km/h) e al momento del bloccaggio. Diventa evidente con gas leggero e spesso scompare aumentando l'accelerazione; può essere eliminato con il cambio dell'olio.

Riassunto: i tre compiti del convertitore in una frase

Nell'automatico classico il convertitore di coppia svolge la funzione di disinnesto della frizione tramite il fluido, la funzione di aumento della coppia tramite lo statore e la richiesta di efficienza tramite la frizione di bloccaggio. Questo meccanismo, che moltiplica la coppia fino a 2 volte in stallo, vive con un 10% di slittamento in fase di frizione e azzera lo slittamento quando è bloccato, è l'unico componente che racchiude in sé comfort ed economia del cambio automatico.

Fonti

• Torque converter - Wikipedia
• Torque Converters: The Backbone of Modern Automotive Technology - Gears Magazine
• Understanding Torque Converters - Hot Rod
• Torque converter torque multiplication - Engineering Stack Exchange
• Torque converter clutch - x-engineer.org
• The Evolution of Lock-Up Torque Converters - Motor State
• What is Torque Converter Shudder? - Roadrunner Converters
• The torque converter can of worms - Transmission Digest
• Aggressive Torque Converter Clutch Slip Control (Otanez 2009) - JSTOR