Bentornato a Gearhead 101, una serie sulle nozioni di base su come funzionano le auto per i neofiti automobilistici.
Perché leggi l'Arte della virilità, sai come guidare un cambio manuale. Ma sai cosa succede sotto il cofano ogni volta che cambi marcia?
No?
Bene, oggi è il tuo giorno fortunato!
In questa edizione di Gearhead 101, diamo un'occhiata ai dettagli di come funziona una trasmissione manuale. Quando finisci di leggere questo pezzo, dovresti avere una conoscenza di base di questa parte vitale della trasmissione del tuo veicolo.
Rimbocchiamoci le maniche e iniziamo.
Nota:prima di leggere come funziona una trasmissione, consiglio vivamente di rivedere i nostri Gearhead 101 sui dettagli di motori e trasmissioni.
Prima di entrare nello specifico di come funziona una trasmissione manuale, parliamo di cosa fanno le trasmissioni in generale.
Come discusso nel nostro tutorial su come funziona il motore di un'auto, il motore del tuo veicolo crea potenza di rotazione. Per spostare l'auto, dobbiamo trasferire quella potenza di rotazione alle ruote. Questo è ciò che fa la trasmissione dell'auto, di cui fa parte la trasmissione.
Ma ci sono un paio di problemi con la potenza prodotta da un motore a combustione interna. Innanzitutto, fornisce solo potenza utilizzabile, o coppia, entro un determinato intervallo di regime del motore (questo intervallo è chiamato fascia di potenza del motore). Vai troppo lento o troppo veloce e non ottieni la quantità ottimale di coppia per far muovere l'auto. In secondo luogo, le auto spesso necessitano di una coppia maggiore o minore di quella che il motore può fornire in modo ottimale all'interno della sua fascia di potenza.
Per capire il secondo problema, è necessario comprendere il primo problema. E per capire il primo problema, devi capire la differenza tra il velocità del motore e coppia del motore .
La velocità del motore è la velocità con cui l'albero a gomiti del motore gira. Questo è misurato in giri al minuto (RPM).
La coppia del motore è la forza di torsione che il motore genera sul suo albero per una particolare velocità di rotazione.
Un meccanico di automobili ha fatto questa simpatica analogia per capire la differenza tra regime e coppia del motore:
Immagina di essere un motore e stai cercando di piantare un chiodo in un muro:
Velocità =quante volte colpisci la testa dell'unghia in un minuto.
Coppia =con quanta forza colpisci il chiodo ogni volta.
Ripensa all'ultima volta che stavi martellando i chiodi. Se stavi martellando molto velocemente, probabilmente hai notato che non stavi colpendo il chiodo con molta forza. Inoltre, probabilmente ti sei esaurito per così tanto frenetico oscillare.
Al contrario, se ti prendessi il tuo tempo tra ogni swing, ma ti assicurassi che ogni swing che hai fatto fosse il più duro possibile, punteresti il chiodo con meno swing, ma potrebbe volerci un po' di più perché non lo sei oscillando a un ritmo costante.
Idealmente, troveresti un ritmo di martellamento che ti permetta di colpire la testa del chiodo più volte con una buona quantità di forza ad ogni swing senza stancarti. Non troppo veloce, non troppo lento, ma solo giusto.
Bene, vogliamo che il motore della nostra auto faccia la stessa cosa. Vogliamo che giri alla velocità che gli permetta di fornire la coppia necessaria senza lavorare così duramente da distruggersi. Abbiamo bisogno che il motore rimanga all'interno della sua fascia di potenza.
Se un motore gira al di sotto della sua fascia di potenza, non avrai la coppia necessaria per far avanzare l'auto. Se supera la sua fascia di potenza, la coppia inizia a diminuire e il tuo motore inizia a suonare come se stesse per rompersi a causa dello stress (un po' come quello che succede quando provi a martellare troppo velocemente:colpisci il chiodo con meno potenza e ottieni davvero, davvero stanco). Se hai accelerato il motore fino a quando il contagiri non diventa rosso, capisci questo concetto in modo viscerale. Il tuo motore sembra sul punto di spegnersi, ma non ti muovi più velocemente.
Ok, quindi comprendi la necessità di mantenere un veicolo in funzione nella fascia di potenza in modo che funzioni in modo efficace.
Ma questo ci porta al nostro secondo problema:le auto hanno bisogno di più o meno coppia in determinate situazioni.
Ad esempio, quando si avvia un'auto ferma, è necessaria molta potenza, o coppia, per far ripartire il veicolo. Se premi il pedale dell'acceleratore, farai girare l'albero motore del motore molto velocemente, facendo sì che il motore vada molto al di sopra della sua fascia di potenza e possibilmente si autodistrugga nel processo. E il kicker è che non sposterai nemmeno l'auto così tanto perché la coppia diminuisce su un motore quando supera la sua fascia di potenza. In questa situazione, abbiamo bisogno di molta più coppia, ma per ottenerla dobbiamo sacrificare un po' di velocità.
Ok, cosa succede se premi il gas un pochino? Bene, questo probabilmente non farà girare il motore abbastanza velocemente da entrare nella sua fascia di potenza in primo luogo in modo che possa fornire la coppia necessaria per far muovere l'auto.
Diamo un'occhiata a un altro scenario:diciamo che hai l'auto che si muove molto velocemente, come quando stai girando in autostrada. Non è necessario inviare tanta potenza dal motore alle ruote, perché l'auto si sta già muovendo a un ritmo sostenuto. Il puro slancio sta facendo molto del lavoro. In questo modo puoi far girare il motore a una velocità maggiore senza preoccuparti troppo della quantità di potenza fornita alle ruote. Abbiamo bisogno di più velocità di rotazione alle ruote e meno potenza di rotazione .
Quello di cui abbiamo bisogno è un modo per moltiplicare la potenza prodotta dal motore quando è necessario (partendo da fermo, in salita, ecc.), ma anche diminuire la quantità di potenza inviata dal motore quando non è necessaria ( in discesa o molto veloce).
Inserisci la trasmissione.
La trasmissione assicura che il motore giri a una velocità ottimale (né troppo lenta né troppo veloce) fornendo allo stesso tempo alle ruote la giusta quantità di potenza di cui hanno bisogno per muoversi e fermare l'auto, indipendentemente dalla situazione in cui ti trovi.
È in grado di eseguire questa trasmissione efficace di potenza attraverso una serie di ingranaggi di diverse dimensioni che sfruttano la potenza del rapporto di trasmissione.
All'interno della trasmissione sono presenti una serie di ingranaggi dentati di varie dimensioni che producono coppia. Poiché gli ingranaggi che interagiscono tra loro sono di dimensioni diverse, la coppia può essere aumentata o diminuita senza modificare così tanto la velocità della potenza di rotazione del motore. Questo grazie ai rapporti di trasmissione.
I rapporti di trasmissione rappresentano la relazione degli ingranaggi tra loro in termini di dimensioni. Quando ingranaggi di dimensioni diverse si uniscono, possono girare a velocità diverse e fornire quantità diverse di potenza.
Diamo un'occhiata a una versione stupida degli ingranaggi in azione per spiegarlo. Supponiamo di avere un ingranaggio di ingresso con 10 denti (per ingranaggio di ingresso, intendo un ingranaggio che sta generando la potenza) collegato a un'uscita più grande con 20 denti (per ingranaggio di uscita, intendo un ingranaggio che sta ricevendo la potenza). Per far girare l'ingranaggio a 20 denti una volta, l'ingranaggio a 10 denti deve girare due volte perché è grande la metà dell'ingranaggio a 20 denti. Ciò significa che anche se l'ingranaggio a 10 denti gira velocemente, l'ingranaggio a 20 denti gira lentamente. E anche se l'ingranaggio a 20 denti sta girando più lentamente, sta erogando più forza, o potenza, perché è più grande. Il rapporto in questa disposizione è 1:2. Questo è un rapporto di trasmissione basso.
Oppure diciamo che i due ingranaggi collegati tra loro hanno le stesse dimensioni (10 denti e 10 denti). Girerebbero entrambi alla stessa velocità ed entrambi fornirebbero la stessa quantità di potenza. Il rapporto di trasmissione qui è 1:1. Questo è chiamato rapporto di "trasmissione diretta" perché le due marce stanno trasferendo la stessa quantità di potenza.
Oppure diciamo che l'ingranaggio di ingresso era più grande (20 denti) e l'ingranaggio di uscita era più piccolo (10 denti). Per far girare l'ingranaggio a 10 denti una volta, l'ingranaggio a 20 denti dovrebbe girare solo a metà. Ciò significa che anche se l'ingranaggio di ingresso a 20 denti gira lentamente e con più forza, l'ingranaggio di uscita a 10 denti gira velocemente e fornisce meno potenza. Il rapporto di trasmissione qui è 2:1. Questo è chiamato rapporto di trasmissione elevato.
Riportiamo quel concetto allo scopo della trasmissione.
Di seguito troverai un diagramma del flusso di potenza quando sono inserite le diverse marce in un veicolo con cambio manuale a 5 marce.
Prima marcia. È l'ingranaggio più grande della trasmissione e intrappolato con un ingranaggio piccolo. Un tipico rapporto di trasmissione quando un'auto è in prima marcia è 3.166:1. Quando viene inserita la prima marcia, viene erogata una bassa velocità, ma viene erogata una potenza elevata. Questo rapporto di trasmissione è ottimo per avviare la tua auto da ferma.
Seconda marcia. La seconda marcia è leggermente più piccola della prima marcia, ma è ancora intrappolata con una marcia più piccola. Un tipico rapporto di trasmissione è 1.882:1. La velocità è aumentata e la potenza è leggermente diminuita.
Terza marcia. La terza marcia è leggermente più piccola della seconda, ma è ancora intrappolata con una marcia più piccola. Un tipico rapporto di trasmissione è 1.296:1.
Quarta marcia. La quarta marcia è leggermente più piccola della terza. In molti veicoli, quando un'auto è in quarta marcia, l'albero di uscita si muove alla stessa velocità dell'albero di ingresso. Questa disposizione è chiamata "azionamento diretto". Un tipico rapporto di trasmissione è 0,972:1
Quinta marcia. Nei veicoli con una quinta marcia (chiamata anche "overdrive"), è collegata a una marcia significativamente più grande. Ciò consente alla quinta marcia di girare molto più velocemente della marcia che fornisce potenza. Un tipico rapporto di trasmissione è 0,78:1.
Quindi, a questo punto, dovresti avere una conoscenza di base dello scopo di una trasmissione:assicura che il tuo motore giri a una velocità ottimale (né troppo lenta né troppo veloce) fornendo allo stesso tempo alle tue ruote la giusta quantità di potenza di cui hanno bisogno per muoversi e fermarsi l'auto, indipendentemente dalla situazione in cui ti trovi.
Diamo un'occhiata alle parti di una trasmissione che consentono che ciò avvenga:
Albero di entrata. L'albero di entrata proviene dal motore. Questo gira alla stessa velocità e potenza del motore.
Contro albero. Il contralbero (noto anche come albero di rinvio) si trova appena sotto gli alberi di uscita. Il contralbero si collega direttamente all'albero di entrata tramite un ingranaggio a velocità fissa. Ogni volta che l'albero di entrata gira, anche il contralbero gira alla stessa velocità dell'albero di entrata.
Oltre all'ingranaggio che prende potenza dall'albero di entrata, il contralbero ha anche diverse marce, una per ciascuna delle "marce" dell'auto (1a-5a), inclusa la retromarcia.
Albero di uscita. L'albero di uscita corre parallelo sopra l'albero secondario. Questo è l'albero che fornisce potenza al resto della trasmissione. La quantità di potenza erogata dall'albero di uscita dipende da quali ingranaggi sono innestati su di esso. L'albero di uscita ha ingranaggi a rotazione libera montati su di esso da cuscinetti a sfera. La velocità dell'albero di uscita è determinata da quale delle cinque marce è in "marcia" o innestata.
1a-5a marcia. Questi sono gli ingranaggi che sono montati sull'albero di uscita dai cuscinetti e determinano in quale "marcia" si trova la tua auto. Ciascuno di questi ingranaggi è costantemente intrecciato con uno degli ingranaggi sul contralbero e gira costantemente. Questa disposizione costantemente intricata è ciò che si vede nelle trasmissioni sincronizzate o nelle trasmissioni a maglia costante, utilizzate dalla maggior parte dei veicoli moderni. (Analizzeremo come tutte le marce possono sempre girare mentre solo una di esse sta effettivamente fornendo potenza alla trasmissione qui tra un po'.)
La prima marcia è la marcia più grande e le marce diventano progressivamente più piccole man mano che si arriva alla quinta marcia. Ricorda, rapporti di trasmissione. Poiché la prima marcia è più grande dell'ingranaggio del contralbero a cui è collegata, può ruotare più lentamente dell'albero di ingresso (ricorda, il contralbero si muove alla stessa velocità dell'albero di ingresso), ma fornisce più potenza all'albero di uscita. Man mano che si sale di marcia, il rapporto di trasmissione diminuisce fino a raggiungere il punto in cui gli alberi di ingresso e di uscita si muovono alla stessa velocità e forniscono la stessa quantità di potenza.
Ingranaggio folle. L'ingranaggio folle (a volte chiamato "ingranaggio folle della retromarcia") si trova tra la retromarcia sull'albero di uscita e un ingranaggio sull'albero secondario. L'ingranaggio folle è ciò che consente alla tua auto di andare in retromarcia. La retromarcia è l'unica marcia in una trasmissione sincronizzata che non è sempre intrappolata o gira con un ingranaggio del contralbero. Si muove solo ogni volta che metti effettivamente la retromarcia.
Colletti/maniche sincronizzatori. La maggior parte dei veicoli moderni ha una trasmissione sincronizzata, il che significa che gli ingranaggi che forniscono potenza sull'albero di uscita sono costantemente ingranati con gli ingranaggi sul contralbero e girano costantemente. Ma potresti pensare:"Come possono tutti e cinque gli ingranaggi essere costantemente intrappolati e girare costantemente, ma solo uno di quegli ingranaggi fornisce effettivamente potenza all'albero di uscita?"
L'altro problema che si presenta con gli ingranaggi che girano sempre è che l'ingranaggio conduttore ruota spesso a una velocità diversa rispetto all'albero di uscita a cui è collegato l'ingranaggio. Come sincronizzi un ingranaggio che gira a una velocità diversa rispetto all'albero di uscita e in modo fluido che non causi molta macinazione?
La risposta a entrambe le domande:collari sincronizzatori.
Come accennato in precedenza, gli ingranaggi 1-5 sono montati sull'albero di uscita tramite cuscinetti a sfera. Ciò consente a tutte le marce di girare liberamente contemporaneamente mentre il motore è in funzione. Per innestare uno di questi ingranaggi, dobbiamo collegarlo saldamente all'albero di uscita, in modo che la potenza venga fornita all'albero di uscita e quindi al resto della trasmissione.
Tra ciascuno degli ingranaggi ci sono anelli chiamati collari sincronizzatori. Su una trasmissione a cinque velocità, è presente un collare tra la 1a e la 2a marcia, tra la 3a e la 4a marcia e tra la 5a e la retromarcia.
Ogni volta che si inserisce una marcia in un'auto, il collare sincronizzatore si sposta sulla marcia in movimento che stai cercando di innestare. All'esterno dell'ingranaggio sono presenti una serie di denti a forma di cono. Il collare sincronizzatore ha scanalature per accettare quei denti. Grazie ad un'eccellente ingegneria meccanica, il collare sincronizzatore può collegarsi a un ingranaggio con pochissimo rumore o attrito anche mentre l'ingranaggio è in movimento e sincronizzare la velocità dell'ingranaggio con l'albero di ingresso. Una volta che il collare del sincronizzatore è intrecciato con l'ingranaggio conduttore, quell'ingranaggio conduttore fornisce potenza all'albero di uscita.
Ogni volta che un'auto è "neutra" nessuno dei collari sincronizzatori è intrappolato con un ingranaggio di guida.
I collari sincronizzatori sono anche qualcosa che è più facile da capire visivamente. Ecco una breve clip che fa un ottimo lavoro e spiega cosa sta succedendo (inizia a circa 1:59):
Cambio di marcia. Il cambio è ciò che muovi per inserire la marcia di un'auto.
Asta del cambio. Le aste del cambio sono ciò che sposta i collari del sincronizzatore verso la marcia che si desidera innestare. Sulla maggior parte dei veicoli a cinque velocità, ci sono tre barre del cambio. Un'estremità di un'asta del cambio è collegata al cambio. All'altra estremità dell'asta del cambio c'è una forcella del cambio che tiene il collare del sincronizzatore.
Forcella del cambio. La forcella del cambio tiene il collare del sincronizzatore.
Frizione. La frizione si trova tra il motore e il cambio della trasmissione. Quando la frizione è disinnestata, interrompe il flusso di potenza tra il motore e il cambio. Questa disconnessione dell'alimentazione consente al motore di continuare a funzionare anche se il resto della trasmissione dell'auto non riceve alimentazione. Con la potenza del motore scollegata dalla trasmissione, il cambio delle marce è molto più semplice e previene danni agli ingranaggi della trasmissione. Ecco perché ogni volta che si cambia marcia, si preme il pedale della frizione e si disinnesta la frizione.
Quando la frizione è innestata - il piede si stacca dal pedale - viene ripristinata la potenza tra il motore e la trasmissione.
Quindi mettiamo insieme tutto questo e vediamo cosa succede ogni volta che cambi marcia in un veicolo. Inizieremo con l'avviamento di un'auto e il passaggio alla seconda marcia.
Quando avvii un'auto con cambio manuale, prima di girare la chiave, disinnesti la frizione premendo il pedale della frizione. Questo disconnette il flusso di potenza tra l'albero di ingresso del motore e la trasmissione. Ciò consente al motore di funzionare senza fornire potenza al resto del veicolo.
Con la frizione disinnestata, muovi il cambio in prima marcia. Ciò provoca una asta del cambio nella scatola del cambio per spostare la forcella del cambio verso la prima marcia, che è montata sull'albero di uscita tramite cuscinetti a sfera.
Questo primo ingranaggio sull'albero di uscita è ingranato con un ingranaggio collegato a un contralbero . Il contralbero si collega all'albero di entrata del motore tramite un ingranaggio e gira alla stessa velocità dell'albero di entrata del motore.
Attaccato alla forcella del cambio è un collare sincronizzatore . Il collare sincronizzatore fa due cose:1) monta saldamente l'ingranaggio conduttore sull'albero di uscita in modo che l'ingranaggio possa fornire potenza all'albero di uscita e 2) assicura che l'ingranaggio si sincronizzi con la velocità dell'albero di uscita.
Una volta che il collare del sincronizzatore è ingranato con la prima marcia, quest'ultima è saldamente collegata all'albero di uscita e il veicolo è ora in marcia.
Per far muovere l'auto, premi leggermente il gas (che crea più potenza del motore) e togli lentamente il piede dalla frizione (che innesta la frizione e ricollega la potenza tra il motore e il cambio).
Poiché la prima marcia è grande, fa girare l'albero di uscita più lentamente rispetto all'albero di ingresso del motore, ma fornisce più potenza al resto della trasmissione. Questo grazie alle meraviglie dei rapporti di trasmissione .
Se hai fatto tutto correttamente, l'auto inizierà lentamente ad avanzare.
Una volta che hai messo in moto la macchina, vorrai andare più veloce. Ma con l'auto in prima marcia, non sarai in grado di andare molto veloce perché il rapporto di trasmissione fa girare l'albero di uscita a una certa velocità. Se dovessi premere il pedale dell'acceleratore con l'auto in prima marcia, farai semplicemente girare l'albero di ingresso del motore molto velocemente (e probabilmente danneggerai il motore nel processo), ma non vedrai un aumento della velocità del veicolo.
Per aumentare la velocità dell'albero di uscita, dobbiamo passare alla seconda marcia. Quindi premiamo la frizione per scollegare l'alimentazione tra il motore e il cambio e innestare la seconda marcia. Questo sposta l'asta del cambio che ha una forcella del cambio e un collare sincronizzatore verso la seconda marcia. Il collare sincronizzatore sincronizza la velocità della seconda marcia con l'albero di uscita e la monta saldamente sull'albero di uscita. L'albero di uscita ora può girare più velocemente senza che l'albero di ingresso del motore ruoti furiosamente per produrre la potenza di cui l'auto ha bisogno.
Per il resto delle cinque marce, risciacqua, lava e ripeti.
La retromarcia è l'eccezione. A differenza delle altre marce di guida in cui è possibile passare alla marcia superiore senza fermare completamente l'auto, per effettuare la retromarcia è necessario essere fermi. Questo perché la retromarcia non è costantemente intrappolata con un ingranaggio sul contralbero. Per far scorrere la retromarcia nell'ingranaggio del contralbero corrispondente, è necessario assicurarsi che il contralbero non si muova. Per assicurarti che il contralbero non giri, devi fermare completamente l'auto.
Certo, puoi forzare un'auto che si muove in avanti a inserire la retromarcia, ma non suonerà o non si sentirà bene e potresti causare molti danni alla trasmissione.
Ora, ogni volta che innesti la marcia, saprai cosa sta succedendo sotto il cofano. Prossimo: trasmissioni automatiche.
