alla scoperta delle cvt
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TECNICA ALLA SCOPERTA DELLE CVT Viaggio nel mondo delle trasmissioni a variazione continua adottate dai costruttori di trattori. Tante differenze, ma anche molte assonanze n di Stefano Pagliarani e Giovanni Molari* e trasmissioni Cvt, da Continuously Variable Transmission, ovvero tra smissione a variazione continua di velocità, si stanno diffondendo sem pre di più nel mondo dei trattori. Al di là delle singo le soluzioni tecniche adot tate dai vari costruttori, in una trasmissione Cvt vie ne associata un’unità idrostatica, con pompa e uno o più motori idraulici, ad un cambio meccanico tradizionale (Fig. 1). Le due componenti della po tenza, quella meccanica e quella idrostatica, si so vrappongono (somman dosi o sottraendosi) per ottenere la variazione continua di velocità indi pendentemente dal regi me di rotazione del moto re. L Pregi e difetti Un trattore con Cvt offre senza dubbio un’ampia versatilità d’impiego. La possibilità di adattare la velocità in modo ottimale alle condizioni di lavoro, il controllo elettronico della potenza che consente di variare il rapporto di tra smissione in funzione del regime di rotazione moto re e viceversa in base alle esigenze dell’operatore, la funzionalità nel traspor to su strada e nelle lavora zioni veloci, sono le princi pali caratteristiche che aumentano l’efficienza complessiva e la capacità 42 di lavoro della macchina. Vi sono tuttavia aspetti negativi da prendere in considerazione, primo fra tutti il costo di una soluzio ne decisamente più com plessa rispetto ad altre ti pologie di cambio come i cambi powershift o semi powershift. Inoltre, è an cora in parte da valutare l’affidabilità sul lungo peri odo di queste soluzioni in trodotte di recente nel mondo delle macchine agricole. La Cvt, nono stante i costi, si sta co munque diffondendo sempre di più sul mercato con differenti modelli pro posti. Il mercato Fendt è stato senza dub bio il primo costruttore che ha immesso sul mer cato un cambio Cvt. Dai primi cambi Vario installati n Fig. 2 Schema di funzionamento del Fendt Vario. Centro del sistema è il riduttore epicicloidale, che riceve potenza dal motore endotermico attraverso il portasatelliti 5 e la ripartisce sulla parte idrostatica (corona 3) e su quella meccanica (solare 4). Le potenze si sommano sull’albero di accumulo 8; il cambio di gamma si effettua in 9. sui trattori della casa te desca sono passati più di 10 anni. Su tutti i trattori di potenza medioalta sono presenti trasmissioni a va riazione continua, fino a coprire da quest’anno tut ta la gamma di trattori fino ai 50 kW del 209 vigneto. n Fig. 1 Principio di funzionamento di una Cvt. Il motore fornisce potenza sia alla parte meccanica sia a quella idrostatica della trasmissione. Le due potenze si sovrappongono in uscita, in modo da ottenere la variazione continua di velocità. Rimanendo nel gruppo Agco, il modulo utilizzato da Massey Ferguson è derivato da Fendt, mentre Valtra da poco ha intro dotto sul mercato la tra smissione “Direct” pro gettata internamente. John Deere utilizza il cam bio Eccom della tedesca ZF sulla produzione euro pea (modelli dal 6130 al 7530), mentre sul 7930 e sulla serie 8030 utilizza un cambio progettato inter namente, l’Ivt. Claas ricor re a ZF per lo Xerion e l’Axion, mentre Jcb monta il Fendt Vario sul Fastrac. Il gruppo Same DeutzFahr utilizza l’Eccom ZF per po tenze elevate, ma da que st’anno ha sviluppato una sua Cvt per i trattori di po tenza mediobassa. Infi ne, il gruppo Cnh, che fi nora ha sfruttato per i suoi prodotti il cambio SMatic m&ma - n. 3 - 2010 TECNICA dell’austriaca Steyr, ha da poco messo a punto una trasmissione di progetta zione italiana per equi paggiare le nuove serie T7000 Autocommand e Puma Cvt. Nonostante dal punto di vista dell’operatore la co sa più importante sia il si stema di gestione del cambio in cabina, la prati cità dei comandi e le logi che di funzionamento, centrale è l’accoppia mento tra la potenza idraulica e quella mecca nica. È qui che i costruttori hanno effettuato scelte radicalmente differenti tra di loro. Nelle pagine se guenti vengono analizza te le soluzioni costruttive di alcune delle principali trasmissioni Cvt, eviden ziandone i principi di fun zionamento. Fendt Vario Lo schema del Vario è ri portato in Fig. 2. La poten za erogata dal motore vie ne ripartita nel riduttore epicicloidale tra la compo nente meccanica e quella idraulica. Il motore è colle gato al portasatelliti del riduttore, mentre la coro na e il solare alimentano rispettivamente la parte idraulica e quella mecca nica. I due flussi di poten za si sommano nell’albero di accumulo. La parte meccanica è costituita da 2 sole gamme, lenta (I) e veloce (II). La prima è uti lizzata in campo e copre velocità fino a circa 30 km/ h, mentre la seconda arri va a 50 km/h e viene utiliz zata per le operazioni di trasporto su strada. Il cambio di gamma, poco frequente, viene gestito elettronicamente e può essere effettuato median te apposito pulsante sul bracciolo di comando. La parte idraulica è compo sta da una pompa a pisto ni a cilindrata variabile e piattello oscillante con an goli da 30° a +45°, da un motore idraulico con angolo di in clinazione da 0 a 45°. Nella serie 900 i motori idraulici sono 2, montati in paralle lo. In partenza la potenza è trasmessa quasi tutta per via idraulica; al cre scere della velocità cre sce la percentuale tra smessa per via meccani ca (Fig. 3), fino ad arrivare al 100% in corrispondenza della velocità massima di gamma. In marcia avanti l’angolo del piattello varia da 0 a 45° sia il per motore che per la pompa, il flusso di olio è monodirezionale n Fig. 3 Percentuale di potenza idraulica in funzione della velocità di avanzamento del veicolo. Tale componente è pari al 100% a trattore fermo e si annulla alla massima velocità di gamma. m&ma - n. 3 - 2010 Tab. 1 - Schema della Ivt nel John Deere 8530 Gamma avanti Frizione innestata Posizione sincronizzatore Velocità massima (km/h) F1 KL C1 7,8 F2 KL C2 17,9 F3 KH C2 38,4 F4 KH C1 50 n Fig. 4 Spaccato della trasmissione Ivt montata sul John Deere 7930. nelle unità idrostatiche e non vi sono ricircoli di po tenza nel cambio. L’inver sione di marcia viene ef fettuata semplicemente inclinando il piattello della pompa dalla parte oppo sta (da 0 a 30°). Il princi pio di funzionamento del Vario e il fatto che tutte le lavorazioni pesanti a bas sa velocità vengano effet tuate con un’elevata com ponente idraulica, impon gono unità idrostatiche di grossa cilindrata (233 cm3 per la serie 900) in grado di fornire la potenza idrau lica richiesta. Per questo motivo vengono installati motori e pompe a elevato rendimento progettate proprio per questo cam bio da Fendt e SauerDan foss. L’utilizzo di tali com ponenti, accoppiati a una meccanica semplice, ha portato a una buona effi cienza sotto carico della trasmissione, intesa co me rapporto tra la poten za disponibile in uscita alle ruote e quella in ingresso. John Deere Ivt La trasmissione “Auto power” Ivt del John Deere 7930, analo ga a quella delle serie 7010 e 7020, è diversa dal Fendt Vario. Le Figg. 4 e 5 mo strano rispettivamente lo spaccato della trasmis sione e lo schema di fun zionamento dell’Ivt. La parte idraulica è costituita da 2 unità SauerDanfoss da 160 cm3, una a cilindra ta fissa e una a cilindrata variabile con angolo di in clinazione del piattello va riabile da 45° a +45°. La parte meccanica è costi tuita da 3 gamme (2 in avanti più una retro) inne stabili mediante frizioni multidisco elettroidrauli che. Le 2 parti si sovrap pongono nel riduttore epi cicloidale. Il motore azio na sia la pompa a cilindrata variabile sia il so lare in ingresso (colore rosso in Fig. 5) del ridutto re, mentre sulla corona agisce il motore idraulico a cilindrata fissa. Il porta satelliti guida la gamma lenta (frizione KL), che ha una velocità massima di 15 km/h. Il solare in uscita guida, invece, la gamma veloce (frizione KH), per una velocità massima di 62 km/h. Il cambio di gam ma viene effettuato scam biando le frizioni KL e KH in condizione di sincroni smo, ovvero quando il portasatelliti e l’albero del solare in uscita hanno la stessa velocità. La re tromarcia si aziona attra verso la frizione KR che, sfruttando il portasatelliti e appositi rotismi, trasferi sce il flusso di potenza su 43 TECNICA lo da 45° a +45°, mentre l’altra, collega ta alla corona, va da 15° a +45°. In questo caso la tra smissione controlla con temporanea mente il piat tello di en trambe le unità per variare con continuità n Fig. 5 Schema della trasmissione Ivt. Sono visibili le due unità idrostatiche, la velocità in il riduttore epicicloidale e le tre gamme KL, KH, KR (lenta, veloce, retro), uscita. La Tab. oltre al dispositivo “Park Brake” e alla presa di moto della doppia trazione. 1 riporta, per ciascuna delle un secondo solare in usci piche per le lavorazioni in 4 gamme in avanti, la fri ta posto a destra. In Fig. 5 campo sono nell’ordine zione in presa, la posizio sono visibili anche il dispo dei 250 bar. ne del sincronizzatore e la sitivo “Park brake”, che Negli ultimi anni John Dee massima velocità rag aziona il freno di staziona re ha sviluppato anche giungibile. Le velocità di mento, la frizione della una versione modificata passaggio F1 – F2 (7,8 km/ doppia trazione e in giallo dell’Ivt, attualmente mon h) e F3 – F4 (38,4 km/h) l’albero della Pto. Quando tata sul modello 8530. Es sono quelle in cui l’unità il trattore è fermo, l’unità a sa sfrutta il gruppo del ri CU ha il piattello in posizio cilindrata variabile ha il duttore epicicloidale con ne 0°. Qui la potenza è al piattello a 45° e la corona le tre frizioni KL (lenta), KH 100% meccanica e quindi il del riduttore ruota in sen (veloce) e KR (retro) della rendimento di trasmissio so opposto all’albero mo serie 7000, ma aggiunge ne è massimo. tore; questo ricircolo di un sincronizzatore (C1 – potenza fa sì che la veloci C2) che raddoppia il nu Steyr S-Matic tà in uscita sia nulla. Al cre mero delle gamme mec scere della velocità di caniche disponibili in Il cambio SMatic dell’au avanzamento del veicolo, avanti. Inoltre, le unità striaca Steyr, utilizzato fi il piattello della pompa si idrostatiche sono entram no all’anno scorso da tut sposta da 45° a + 45° e be a cilindrata variabile: to il gruppo Cnh, ha un’ar per angoli positivi la coro una collegata al sincroniz chitettura na ruota nello stesso ver zatore, ha angoli di piattel completamente diversa so del motore endo termico, incremen tando così la velocità in uscita. Circa a me tà della prima gam ma (7,5 km/h) il piat tello della pompa è a 0°, il motore idraulico è fermo e la corona fissa; la potenza è meccanica e l’effi cienza raggiunge il suo massimo valore. Condizione analoga si verifica anche a metà delle altre 2 gamme (KH e KR). La pressione massi ma del gruppo idro n Fig. 6 Schema cinematico dell’SMatic. Sono visibili il gruppo statico è pari a 550 idrostatico, le 4 gamme meccaniche (K1, K2, K3, K4), con l’opzione bar, ma pressioni ti marcia avanti (KV) o indietro (KR). 44 da Fendt e John Deere. Lo schema cinematico è ri portato in Fig. 6. Sono pre senti 4 gamme meccani che in avanti che consen tono di tenere basso il livello di potenza idraulica all’interno della trasmis sione. Tale potenza può arrivare al massimo al 50% e questo spiega per ché l’SMatic abbia unità idrostatiche da soli 55 cm3, contro i 233 cm3 di Fendt e i 160 cm3 di John Deere. Il motore idraulico è a cilindrata fissa, mentre la pompa ha cilindrata va riabile con angolo di piat tello da 20° a +20°. Il cam bio di gamma avviene in condizioni di sincronismo attraverso le 4 frizioni “dog clutch”, ovvero con innesto a denti frontali (K1, K2, K3, K4). L’operazione di innestodisinnesto dura solo una frazione di se condo e l’interruzione di potenza è praticamente impercettibile. La sovrap posizione di potenza av viene nel primo riduttore epicicloidale a 2 planetari (P1P2). Il motore endo termico aziona la corona del primo planetario e la pompa a portata variabile, mentre il motore idraulico agisce sul solare in ingres so. Le uscite sono: la corona del plane tario P2 più il porta satelliti di P3P4 per la prima gamma (K1); il solare del plane tario P2 più il porta satelliti di P3P4 per la seconda gamma (K2); il portasatelliti di P1P2 per la terza gamma (K3); il solare di P2 e P4 per la quarta gamma (K4). L’SMatic è inoltre dotato di altre 2 fri zioni per la selezione della marcia avanti (KV) o indietro (KR). m&ma - n. 3 - 2010 TECNICA n Fig. 7 Cartuccia estraibile dell’SMatic. In evidenza l’ingresso del circuito di lubrificazione. Con trattore fermo la pompa si porta a 20°, il motore idraulico consente la rotazione del l’ingranaggio condotto verde in senso opposto alla corona rossa e l’albe ro in uscita resta fermo, poiché la componente idraulica e meccanica si annullano a vicenda. A metà di ogni gamma, quando il piattello della pompa è a 0° (ingranaggio verde fermo), la potenza è al 100% meccanica e il rendimento massimo. In Fig. 6 sono inoltre riportati i range di velocità per ogni gamma. In caso di proble mi si può sfilare dal lato destro della trasmissione una cartuccia contenente la maggior parte degli ele menti del cambio (Fig. 7). New Holland Autocommand La nuova trasmissione progettata da New Hol land (Fig. 8) prende il no me di Autocommand. La parte meccanica si com pone di 4 gamme in avanti più 2 retromarce, mentre la parte idrostatica è co stituita da una pompa Bo sch a portata variabile da 110 cm3 e un motore idrau lico a cilindrata fissa. La potenza idraulica e quella meccanica si sovrappon gono nel grande riduttore epicicloidale a 2 stadi po sto in testa al cambio. In m&ma - n. 3 - 2010 Fig. 9 sono inoltre visibili l’albero primario e quello secondario, l’albero delle retromarce, i 3 sincroniz zatori e, in coda al secon dario, le 2 frizioni idrauli che. Il riduttore ha 2 in gressi e 2 uscite: il motore endotermico aziona il pri mo solare, mentre il moto re idraulico lavora sulla corona; le marce dispari trasmettono potenza al portasatelliti, quelle pari al secondo solare. Il cam bio di gamma avviene con doppia frizione e sincro nizzatori. In pratica le mar ce pari vengono azionate attraverso una frizione, le dispari dall’altra; il sincro nizzatore viene preinne stato e, raggiunta la con dizione di sincronismo tra gli ingranaggi, si ha lo scambio di frizione senza interruzione del flusso di potenza (principio del “twin clutch”). L’Auto command consente una regolazione n Fig. 9 Principio di funzionamento del cambio Autocommand. Il motore endotermico aziona il gruppo idrostatico ed il primo solare del riduttore epicicloidale. Questi ha due uscite, il secondo solare per le marce pari e il portasatelliti per le dispari. precisa della velocità di avanzamento e può rag giungere i 50 km/h con un regime motore di soli 1.600 giri/min. La trasmis sione ha la sua efficienza massima quando la po tenza è al 100% meccani ca, ovvero a metà di ogni gamma, con il piattello della pompa a 0°. Questo garantisce buoni rendi menti sia nelle lavorazioni pesanti in campo (67 km/ h), sia nel trasporto su strada (50 km/h). Ridurre le perdite di potenza Tante soluzioni dunque, scelte progettuali diffe renti tra le varie case co struttrici, ma anche assonanze. Le n Fig. 8 Componenti del cambio Autocommand. Il riduttore epicicloidale si trova in testa all’albero primario, le due frizioni idrauliche sono in coda al secondario; davanti l’albero delle retromarce e dietro il gruppo idrostatico. trasmissioni Cvt sono di ti po meccanico–idraulico, la potenza meccanica e quella idrostatica si so vrappongono in un ridut tore epicicloidale. Il nume ro di gamme meccaniche varia da caso a caso (2, 3, 6, 4 con inversore ecc.), così come il cambio di marcia (sincronizzatore, frizione multidisco idrauli ca, innesto a denti fronta li). Le dimensioni dei grup pi idrostatici dipendono dalla massima percentua le di potenza idraulica e, quindi, dalla coppia che essi devono erogare. Tutti i costruttori hanno cerca to soluzioni per ridurre le perdite di potenza e au mentare così i rendimenti. Nel progettare la trasmis sione, è fondamentale che i punti di massima effi cienza corrispondano alle più importanti condizioni di utilizzo del trattore. L’elettronica gestisce il motore e il cambio in mo do che la macchina lavori il più possibile in punti di ele vato rendimento, elevata resa e basso consumo specifico. *Deiagra, Università di Bologna [email protected] n 45