50 anni di cambi automatici ZF. Nel corso del 2015 la ZF Friedrichshafen AG festeggia non solo il suo centesimo compleanno ma anche il cinquantesimo anniversario dalla nascita del suo primo cambio automatico per autovetture.
La nota multinazionale tedesca fu, infatti, fondata nel 1915 da Ferdinand von Zeppelin ma solo nel 1965 fece il suo ingresso nel mercato dei cambi automatici portando alla luce il 3HP12. Con questo cambio, inoltre, ZF pose una pietra miliare per lo sviluppo di una delle business unit più importanti del Gruppo e per molte innovazioni successive.
Alla base di tutto vi è la sigla “HP” che sta ad indicare i due componenti fondamentali di cui sono composti questi modelli di cambio: “H” sta per il convertitore di coppia idraulico come elemento d’avviamento, “P” per i rotismi epicicloidali. Un cambio automatico vero che si differenzia nettamente dai cambi automatici a doppia frizione.
1965 3HP: debutto del cambio a 3 marce
Partendo dalla base del cambio automatico ZF a 2 rapporti, prodotto nel 1958 e rimasto semplicemente un prototipo, gli ingegneri tedeschi portano alla luce, nel 1965, il primo cambio automatico a tre rapporti per autovetture prodotte in serie. Si trattava del 3HP12, un’unità caratterizzata da una struttura molto compatta, completamente priva di elettronica, corredata di frizioni a dischi e nella quale la selezione delle marce avveniva al variare della pressione in un circuito idraulico e a giri del motore prestabiliti.
Tale unità era stata inizialmente progettata per una coppia massima d’ingresso di 166 Nm ma, solo due anni dopo, il valore fu elevato fino a 235 Nm grazie all’avvento del modello 3HP20. Valore che vide un ulteriore aumento fino a 320 Nm con la messa in commercio, nel 1975, del 3HP22 che vide la fine del suo ciclo di vita solo nel 1982 quando ZF decise di mandare in pensione il cambio 3HP.
1982 4HP: l’efficienza acquista un’importanza sempre maggiore
La continua ricerca di una diminuzione dei consumi ha spinto l’azienda tedesca, nel 1982, a presentare il cambio automatico 4HP22, degno erede del 3HP22, che, come si evince dal nome, permetteva l’utilizzo di ben 4 rapportature distinte. La quarta marcia, in questo caso, consentiva rapporti di trasmissione più lunghi, senza compromettere la capacità di accelerazione del veicolo. Ma ciò che ha realmente permesso una netta riduzione dei consumi fu l’introduzione, da parte degli ingegneri, di una frizione di esclusione del convertitore di coppia. Utilizzata solo con l’ultima marcia, cioè la quarta, questa frizione chiudendosi permetteva di bypassare il convertitore di coppia e di arrivare agli ingranaggi del cambio in maniera diretta in modo da inviare l’intero quantitativo di coppia motrice.
Ulteriore obiettivo per ZF era quello di ridurre in modo significativo i tempi di innesto e cambiata. L’obiettivo viene raggiunto con l’introduzione di un sistema di controllo elettroidraulico in luogo dei classici attuatori meccanici-idraulici. I tempi di cambiata rimangono comunque alti (1,5 secondi) specie se paragonati con quelli dei cambi attuali ma, grazie all’elettronica, i momenti di cambiata ed il rapporto da inserire venivano decisi da una centralina in base al carico del motore, al numero di giri oltre che all’inclinazione della strada. Il 4HP22 era progettato per sopportare un flusso di coppia massima compreso tra i 100 Nm ed i 380 Nm. Inoltre, il 4HP fu l’ultimo cambio automatico di ZF, che si adattava sia al montaggio longitudinale nei veicoli dotati di trazione posteriore sia al montaggio anteriore trasversale.
1990 5HP: i cambi diventano intelligenti
Nel 1990 ZF porta alla luce il suo primo cambio automatico a 5 rapporti, il 5HP19. Si trattava di un cambio progettato per funzionare appositamente con l’elettronica. Infatti, non solo disponeva di una marcia in più rispetto al suo predecessore ma, grazie ad un’elettronica più sofisticata, si riuscì in primo luogo a ridurre il numero di ruote libere ed in secondo luogo a rinunciare di nuovo allo smorzatore torsionale. Nello specifico, se nel 4HP erano in uso ancora tre ruote libere per facilitare i cambi marcia, il 5HP proponeva una soluzione con solo una ruota libera per il passaggio dalla prima alla seconda marcia. Inoltre, la gestione elettronica della frizione di esclusione del convertitore di coppia riusciva a generare uno slittamento mirato capace di compensare le vibrazioni torsionali indesiderate.
I risultato di queste nuove soluzioni furono: la capacità di eseguire cambiate in base allo stile di guida del guidatore, l’introduzione della modalità manuale di cambiata permettendo quindi al conducente di selezionare lui stesso il rapporto desiderato e l’inserimento della funzione di doppietta che, tramite una leggera accelerazione del motore, consentiva di addolcire il passaggio al rapporto inferiore. La velocità di cambiata, invece, beneficiò in modo marginale dell’upgrade tecnologico riducendo le tempistiche da 1,5 secondi (4HP22) a 1,0 secondi netti (5HP19). Infine, ZF progettò il 5HP in modo che tutti i cambi automatici, prodotti da quel momento in avanti, sarebbero stati esenti dalla manutenzione riguardante l’olio che, fino a quel momento, andava cambiato dopo qualche decina di migliaia di chilometri.
2001 6HP: la vera novitÃ
Con il 6HP26 la ZF attua una vera svolta nel mondo dei cambi automatici. Non solo aggiunge un ulteriore rapporto, raggiungendo la cifra totale di sei, ma introduce il principio Lepellettier, secondo il quale il treno di ingranaggi si accontenta ora del 30% in meno di componenti. Il principio consiste nell’adottare ingranaggi di tipo epicicloidali e di utilizzare in molteplici modi i gruppi di treni di ingranaggi. Nonostante il rapporto aggiuntivo, il nuovo cambio automatico è più leggero e compatto del 15% con quasi 13 kg di peso in meno. Inoltre, è fino al 7% più parsimonioso nei consumi e considerevolmente più silenzioso rispetto ai predecessori a cinque marce. La riduzione di peso è stata ottenuta anche grazie all’impiego di materiali alternativi come l’alluminio al posto della ghisa grigia per la scatola del cambio oppure plastica anziché metallo per la coppa dell’olio.
Dal punto di vista prestazionale cresce la coppia massima supportata fino ad un valore record di 600 Nm e si riducono notevolmente i tempi di cambiata attestandosi intorno ai 4 o 5 decimi di secondo. Valori che permisero l’utilizzo del 6HP su numerose vetture sportive come valida alternativa al cambio manuale. Unico neo fu la gestione della frizione del convertitore di coppia che chiudeva completamente solo a partire dall’inserimento della seconda marcia, ma non interveniva sul rapporto primario concedendo quindi alcuni slittamenti nello scatto da fermo.
2009 8HP: non solo più marce
Nella continua ricerca di una migliore efficienza dal punto di vista dei consumi e delle emissioni, ZF introduce quello che per lei è il risultato finale, il cambio automatico 8HP. Questa unità , caratterizzata da 2 rapporti in più rispetto al precedente 6HP, doveva risolvere l’arcano problema di far funzionare i moderni motori a iniezione diretta (sia benzina che diesel) in un intervallo molto stretto della curva caratteristica in modo da garantirne un funzionamento ottimale ed un’efficienza massima. Gli ingegneri tedeschi riuscirono, inoltre, a mantenere le stesse dimensioni di ingombro e lo stesso numero complessivo di componenti del predecessore nonostante l’inserimento di due ulteriori rapporti. Ciò fu possibile grazie all’utilizzo di quattro treni di ingranaggi e cinque elementi di innesto ma anche grazie al sistema modulare flessibile che permise, nello specifico, una riduzione del peso, l’utilizzo del 50% di pezzi identici per tutte le varianti e l’inserimento di varianti ibride e per trazione integrale.
Dal punto di vista elettronico, l’8HP ha subito un’attenta calibrazione del software di gestione così da consentire punti di cambiata precisi e stabiliti in base alle diverse aree di mercato, agli stili di guida degli automobilisti del luogo ed ai cicli di omologazione. Le partenze avvengono nel più totale comfort mentre la frizione sul convertitore di coppia si chiude, a partire dai 15 km/h, per ridurre a zero possibili fastidiosi slittamenti. Sotto l’aspetto prestazionale il salto di qualità è enorme, infatti le tempistiche di cambiata calano fino a 4 decimi in modalità normale e addirittura fino a 2 decimi di secondo in modalità sport. Un valore che, ci spiegano i tecnici, non avrebbe senso ridurre perché l’uomo non riesce a percepire la differenza sotto questa soglia. Persino il regime di coppia massima ammessa cresce arrivando a gestire un range compreso tra i 300 Nm ed i 1.000 Nm.
2013 9HP: per motori anteriori trasversali
Nel caso dei motori disposti trasversalmente lo spazio nel cofano è limitato dalla larghezza dello stesso. Per superare questo ostacolo i progettisti ZF hanno dovuto costruire una unità estremamente compatta portando alla luce il nuovo cambio automatico 9HP. Si tratta di un’unità a 9 rapporti caratterizzata dall’utilizzo di quattro rotismi epicicloidali semplici e sei elementi d’innesto, dove i rotismi non sono sistemati uno dietro l’altro sull’asse longitudinale ma sono stati inseriti in modo intelligente l’uno all’interno dell’altro. Tale concetto rivoluzionario viene completato da innesti a denti frontali azionati idraulicamente, che presentano un rendimento elevato e non esercitano alcuna influenza rilevante sulla lunghezza del cambio. Gli innesti a denti frontali hanno sostituito gli elementi d’innesto a disco che tendevano a creare sensibili coppie di trascinamento e quindi a generare delle perdite. Infine, un lavoro certosino è stato eseguito pure sulle perdite idrauliche che sono state minimizzate grazie all’utilizzo di uno smorzatore torsionale a più stadi che permettesse una più rapida chiusura del convertitore già a bassi regimi.
Facendo un confronto rapido con la precedente generazione di cambi automatici per motori anteriori trasversali (tutti a 6 rapporti), il nuovo 9 marce di ZF consente un elevato potenziale di risparmio di CO2, poiché riduce il consumo di carburante fino al 16%. Il risultato è stato ottenuto per merito di una rapportatura totale estremamente ampia di 9,81 che consente al 9HP di viaggiare alla velocità di 120 km/h con un regime di rotazione di appena 2.170 giri/min rispetto ai 2.890 giri/min del precedente cambio 6HP. Le tempistiche di cambiata sono le stesse già viste sul cambio 8HP anche se su questo modello, per la prima volta, ZF ha deciso di progettare personalmente tutta l’elettronica mentre il range di coppia massima ammessa varia tra i 280 Nm ed i 480 Nm, un valore consistente ma non ancora adatto a motori estremamente prestazionali.
2014: 8HP di 2ª generazione
Con la seconda generazione di cambi automatici 8HP, ZF alza l’asticella sul rendimento e sul comfort di guida andando a ottimizzare tutti i punti di forza già visti sulla prima generazione e aggiungendo alcune nuove caratteristiche come minori coppie di trascinamento e una più ampia rapportatura che raggiunge ora il valore di 7,8. La funzione di veleggio, cioè il disaccoppiamento mirato del cambio combinato ad uno spegnimento temporaneo del motore, funziona ora fino ad una velocità di 160 km/h. Il sistema Start&Stop interviene in modo ancora più rapido ed impercettibile riducendo di un ulteriore 3% il consumo di carburante. Infine, la centralina elettronica consente ora scalate multiple concatenate permettendo reazioni più spontanee e dinamiche a tutto vantaggio della sportività .
2015: 8HP Ibrido Plug-In
Con la sempre più crescente diffusione dei veicoli ibridi plug-in un’azienda leader come ZF non poteva di certo rimanere indietro rispetto alla concorrenza. Per questo motivo i tecnici tedeschi hanno dato vita al cambio automatico 8HP specifico per i modelli ibridi plug-in. L’elemento chiave nella fase di progettazione di questo tipo di cambio è la sostituzione del convertitore di coppia con un dispositivo elettrico dotato di frizione che gli permette di disaccoppiarsi dal motore a combustione per assolvere da solo al compito della trasmissione del moto.
Uno dei punti chiave dello sviluppo del cambio ibrido plug-in è pertanto la mobilità puramente elettrica. Sotto questo punto di vista la coppia di trascinamento della frizione di disinnesto verso il motore di combustione deve essere più piccola possibile. Inoltre il motore elettrico, del tipo sincrono a eccitazione permanente, è completamente integrato nella scatola del cambio e viene raffreddato da una nebbia d’olio. L’attenta fase di progettazione ha permesso, infine, non solo di ottenere una coppa di spunto di ben 550 Nm da parte dell’elemento di avviamento, ma anche di ridurre le vibrazioni torsionali del motore di combustione tramite l’installazione di due smorzatori. In questo modo è possibile far girare ad alto carico tutti i moderni motori a combustione, già a partire dal minimo, senza fastidiosi rumori e vibrazioni.
