alla scoperta delle cvt

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
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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.
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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
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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).
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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).
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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