Perché il numero di marce continua ad aumentare?

Il numero di marce aumenta per mantenere il motore nella ristretta fascia di regimi in cui produce potenza e coppia in modo più efficiente: I rapporti più corti verso la prima marcia moltiplicano la coppia in partenza, mentre i rapporti più lunghi verso le marce alte riducono il regime del motore e il consumo di carburante alle velocità autostradali. Negli anni '90 le automobili tipiche avevano da 3 a 5 marce, mentre negli ultimi due anni di modello questo numero è salito ad almeno 6, e in alcuni modelli fino a 10.

Perché il numero di marce aumenta? La fascia di regimi efficiente del motore

Si pensi alla mappa di funzionamento di un motore a combustione interna. A prescindere che sia a benzina o diesel, il motore ha una fascia di regimi (RPM) relativamente ristretta in cui produce la massima potenza e coppia consumando il minimo carburante. È esattamente questo il compito del cambio: Mantenere la velocità di rotazione trasmessa alla ruota in questa zona ideale del motore. Quanto più aumenta il numero di marce, tanto più spesso il motore lavora in questa fascia ottimale; ogni marcia offre un rapporto più finemente calibrato per mantenere il regime del motore.

In un veicolo con poche marce, invece, il motore è costretto ad accontentarsi della marcia più vicina alla velocità richiesta. Il risultato è lavorare a regimi superiori a quelli necessari. Un regime elevato significa più carburante nell'unità di tempo e affatica anche di più il motore. Se costruiamo una catena logica elementare: Più regimi significano più lavoro del motore, più carburante, più stress e usura. L'inversione di questa catena è la forza trainante fondamentale della corsa alle marce.

I ruoli delle marce basse e delle marce alte sono completamente diversi. Una prima marcia dal rapporto corto, moltiplicando la coppia alla ruota, rende possibile la partenza e la salita dei pendii. Le marce overdrive dal rapporto lungo, invece, riducono il regime del motore alle velocità autostradali, diminuendo sia i consumi sia il rumore percepito nell'abitacolo. Il problema è questo: Quanti più rapporti intermedi si comprimono tra questi due estremi, tanto meno cala il regime del motore e tanto più efficiente resta.

Distribuzione dei rapporti: La logica ingegneristica del cambio a 10 marce

Quando aumenta il numero di marce, non si moltiplicano soltanto i passi intermedi; può ampliarsi anche l'intervallo totale dei rapporti, cioè il ratio spread. Nei moderni cambi a 10 marce, la prima marcia ha un rapporto molto più corto per una partenza aggressiva, mentre la marcia più alta è molto più lunga di un tempo per una marcia a basso regime. I passi intermedi restano invece piccoli. Un rapporto numerico elevato in partenza, una marcia alta lunga in marcia: Volere prestazioni ed efficienza dallo stesso cambio non è più una contraddizione, ma un obiettivo di progettazione.

I passi più corti hanno un secondo vantaggio: Si riduce la discontinuità durante i cambi di marcia. Quando il regime del motore scende troppo in una marcia, il passaggio si avverte e l'accelerazione si interrompe. Man mano che i passi si restringono, questa transizione diventa più morbida e più rapida; le automatiche moderne a 8-10 marce, grazie a cambi di frizione rapidi e a software di controllo intelligenti, possono saltare anche quattro-cinque marce contemporaneamente. Ad esempio, il computer di controllo del cambio a 10 marce sviluppato congiuntamente da Ford e GM contiene oltre 1 milione di righe di codice, più del doppio del precedente a 6 marce, e può effettuare riduzioni improvvise in base al movimento del pedale dell'acceleratore.

Cosa è cambiato con i numeri?

Esempi concreti rendono misurabile l'effetto del numero di marce. Il Ford F-150 modello 2017, rispetto alla versione dell'anno precedente con cambio a 6 marce, ha ottenuto con il cambio a 10 marce un' economia di carburante di un mpg in città e in autostrada, e di due mpg nella versione 4x4; il tempo da 0 a 60 mph si è ridotto di 0,2 secondi. Nello stesso anno modello, le versioni da traino hanno raggiunto una capacità di traino di 12.200 libbre con 375 hp di potenza e 470 lb-ft di coppia. Un quadro simile esiste anche sul fronte delle berline: sulla Chevrolet Malibu 2017, il passaggio da 8 a 9 marce ha aumentato l'efficienza del carburante di circa il 3%.

I dati condivisi da ZF nel 2012 mostrano quanto possa essere drammatica la relazione tra numero di marce e consumo: un'automatica a 8 marce promette un miglioramento del 21-24% rispetto a una automatica a 3 marce; rispetto a 6 marce il risparmio è di circa l'11%, rispetto a 5 marce il 14%. La ZF a 9 marce punta a un miglioramento fino al 16% rispetto a quella a 6 marce. Anche i valori nelle schede tecniche della ZF 8HP vanno nella stessa direzione: un consumo inferiore del 12% rispetto alla 6HP a 6 marce e del 14% rispetto a quella a 5 marce. Con occhio da ingegnere, questi numeri non sono un caso, ma la matematica diretta dei passi proporzionali.

Il prezzo del cambio multifunzione: Complessità, Peso e Costo

Ogni marcia in più significa elementi di frizione aggiuntivi, componenti del corpo valvole più complessi e un maggiore controllo informatico. Più parti mobili comportano inevitabilmente un maggior potenziale di problemi meccanici e un' unità di cambio più costosa. GM ha investito 323 milioni di dollari nello stabilimento di cambi a rapporti multipli di Romulus, nel Michigan; questa cifra misura quanto serio investimento industriale richiedano le automatiche a più marce.

Anche il peso è al centro della discussione. Un punto di vista critico è il seguente: il peso è nemico delle prestazioni; i produttori dovrebbero cercare modi per alleggerire i veicoli invece di aggiungere più marce. Questa critica non è ingiusta, perché ogni guadagno si compra con complessità meccanica. D'altra parte, anche i rendimenti decrescenti sono inevitabili: mentre oltre le 8 e 9 marce si possono ancora vedere benefici, quando si passa a 11-12 marce entrano in gioco rendimenti decrescenti che portano a problemi architetturali. I team di ingegneri di Ford e GM considerano le 10 marce il punto ideale di questa curva di benefici.

C'è però anche la questione della continuità. Le 10 marce non sono la soluzione ottimale per ogni veicolo; si ritiene che, a seconda dei mercati regionali, i cambi a 6 marce rimarranno a lungo in uso. Da parte sua, GM calcola che il suo cambio a 9 marce destinato ai modelli a trazione anteriore possa soddisfare insieme il mercato premium dei rapporti alti, e sottolinea che entrambi i cambi sono progettati come unità a tenuta stagna per tutta la vita e prive di manutenzione.

8 marce o 10 marce? La soluzione alternativa alla distribuzione dei rapporti

Il cambio a 10 marce non è l'unico punto di vista in campo. La scuola ZF difende i cambi a 8 marce con una distribuzione dei rapporti più ampia anziché scaglioni ravvicinati, e l'8HP gode di ampia reputazione come unità abbastanza rapida e raffinata da servire sia le auto sportive sia le berline di lusso. Un confronto pratico lo conferma: nel test condotto su un Chevrolet Silverado Z71 del 2020 tra le versioni con cambio a 8 marce e a 10 marce, non è stata trovata alcunanetta differenza a favore delle 10 marce rispetto alle 8; l'ampia distribuzione dei rapporti di ZF faceva il suo lavoro.

La lezione da trarre è che contano più la distribuzione dei rapporti e la loro progressione ravvicinata che il numero stesso delle marce. Le 10 marce si impongono come scelta forte soprattutto negli scenari di traino e trasporto di carichi pesanti; per i veicoli leggeri e l'uso quotidiano, invece, un cambio a 6-8 marce ben tarato è spesso sufficiente. La formula "più marce sono, meglio è" raramente funziona nel mondo dell'ingegneria.

CVT e DCT: Le alternative al numero di marce

I cambi automatici a più marce non sono l'unica strada. Il CVT, con il suo sistema a cinghia e pulegge, offre un numero infinito di rapporti e può mantenere il motore nel suo punto di massima efficienza senza cambiare mai marcia; nella maggior parte dei casi garantisce un consumo di carburante migliore rispetto a un cambio automatico tradizionale. In cambio, il carattere di guida dato dalla struttura cinghia-pulegge non piace a tutti e nelle applicazioni ad alta coppia si pone la questione della durabilità. I cambi a doppia frizione (DCT) offrono una strada valida non solo per i veicoli orientati alle prestazioni, ma anche per i modelli che vogliono bilanciare velocità ed efficienza.

Una svolta interessante è la storica supremazia degli automatici sui cambi manuali: dall'anno modello 2016 in poi, i cambi automatici hanno superato, o almeno eguagliato, i cambi manuali in efficienza del carburante. Fino a dieci anni fa l'assunzione "il manuale consuma meno" era valida in quasi ogni segmento, ma i rapporti ravvicinati dei cambi automatici a più marce hanno ribaltato questa equazione. L'obiettivo reale della corsa alle marce non erano le prestazioni ma l'efficienza del carburante; è evidente che gli standard CAFE (Corporate Average Fuel Economy) negli Stati Uniti sono stati la forza trainante di questa tendenza. Il miglioramento delle prestazioni arriva invece come sottoprodotto della prima marcia corta e dei passaggi rapidi.

Perché i veicoli elettrici non contano le marce?

I motori elettrici hanno una caratteristica che rende invalida tutta questa discussione: producono coppia pressoché costante dallo zero fino al regime massimo. Non serve cercare un intervallo di regime utile ristretto; il motore mostra quasi lo stesso carattere ovunque. Per questo i veicoli elettrici si accontentano di un cambio a una marcia. L'aumento del numero di marce era una soluzione al ristretto intervallo di efficienza del motore a combustione interna; quando l'intervallo di efficienza ristretto scompare, scompare anche la necessità di moltiplicare i rapporti. Il paragone con la leva è anche illuminante: Nelle biciclette a pedali la forza umana viene prodotta in un intervallo di forza molto ristretto, per cui servono 18 marce o più; anche nei camion possono esserci 18 marce a causa dei carichi pesanti. Il numero di marce colma il divario tra il carattere del motore e il compito del veicolo.

Quante marce bastano? Il rapporto dei rendimenti decrescenti

Ma qual è il numero ideale? Non esiste una risposta netta e misurabile, ma i limiti sono chiari. Nei veicoli leggeri e poco potenti, 5 marce possono ancora bastare, sia in termini di costi di produzione sia di potenziale prestazionale del veicolo. Per i camion pesanti 18 marce hanno senso perché la differenza di fabbisogno di rapporti tra condizione carica e scarica è abissale. Nelle autovetture 6-8 marce coprono la maggior parte degli scenari; 10 marce acquisiscono significato nei veicoli con motori di grande cilindrata che puntano contemporaneamente al traino a pieno carico, all'accelerazione rapida e a un basso consumo in crociera. Sul fronte dei produttori Ford e GM considerano le 10 marce il punto ottimale, mentre l'opinione contraria ritiene superfluo il peso e la complessità di un cambio con molte marce. Entrambe le parti hanno in parte ragione: La risposta corretta dipende dal compito del veicolo, e il guadagno nell'economia di carburante deve ripagare il costo di ogni marcia in più. Altrimenti il numero di marce diventa una caratteristica che sembra bella sulla carta ma che sulla strada si fa pagare cara.

Fonti

• High-Gear Transmissions: How Many Gears Are Enough? - Automotive Fleet
• A Shift to High MPG - Green Car Journal
• Cambio ZF 8HP - Wikipedia
• FOTW #1127: Since Model Year 2016 - U.S. Department of Energy
• The Need for 10-Speeds - MOTOR Information Systems
• Chevy Silverado Z71 8-speed vs. 10-speed - TFLtruck
• CVT vs. Automatic Transmission - MotorTrend