Cambio automatico Mercedes 9G-Tronic – Con il termine 9G-Tronic la Casa della Stella indica il suo cambio automatico. Si tratta nello specifico di un cambio a convertitore di coppia che, come dice il nome stesso, adotta nella sua ultima e più recente evoluzione ben 9 rapporti.

L’elemento principale di questo cambio, nonché quello da cui prende il nome, è il convertitore di coppia. Questo particolare elemento posizionato a valle del cambio o più precisamente tra motore e cambio, al posto della ben nota frizione nei classici cambi manuali, altro non è che un giunto idraulico evoluto o meglio un giunto idraulico al cui interno è stato posto uno statore esattamente in mezzo tra pompa e turbina.

Convertitore di coppia

La girante della pompa è collegata con il motore, mentre la girante della turbina è collegata con l’albero conduttore. Lo statore è collegato attraverso la ruota libera e l’albero dello statore con la scatola del cambio. Tramite le sue palette, la girante della pompa convoglia l’olio per effetto della forza centrifuga verso l’esterno sulla girante della turbina, la quale viene così azionata. Le palette della girante della turbina deviano l’olio sulle palette dello statore, le quali a loro volta convogliano l’olio alla girante della pompa. Per effetto di questa deviazione in corrispondenza dello statore, il quale tramite la ruota libera viene sostenuto contro la scatola del cambio, si ottiene un aumento di coppia. Nelle automobili la sua funzione principale è quella di disaccoppiare il motore dal cambio e quindi di permettere al motore di rimanere in moto quando il veicolo si ferma. Il convertitore ha inoltre la capacità di incrementare la coppia in uscita rispetto a quella ricevuta in ingresso seguendo la legge che a elevati giri fa corrispondere una bassa coppia motore mentre ai bassi giri, come in partenza, fa corrispondere una coppia molto più elevata.

Smorzatore torsionale, pendolo centrifugo e frizione a dischi multipli con molla di ritorno

Ma torniamo al cambio automatico, nel 9G-Tronic gli ingegneri di Stoccarda sono riusciti ad ottimizzare il circuito idraulico nel convertitore aumentandone il rendimento fino al 92%. Questo ha permesso una netta riduzione delle perdite riguardanti la trasmissione della coppia motrice all’albero di ingresso del cambio con un netto vantaggio per i consumi. Subito a valle del convertitore di coppia troviamo uno smorzatore torsionale a doppia turbina incaricato di ridurre a zero le vibrazioni torsionali provenienti dal motore, di incrementare il comfort di marcia e di ridurre i consumi di carburante. In aiuto dello smorzatore è stato installato anche un pendolo centrifugo che, spostando continuamente il baricentro delle proprie masse a seconda del numero di giri, accresce ancor di più il comfort e riduce ulteriormente il consumo di carburante. Infine troviamo la frizione a dischi multipli di esclusione del convertitore che, per risolvere il tanto odiato problema dei microslittamenti, adotta ora una molla di ritorno che entra in azione già dai regimi più bassi così da azzerare gli slittamenti e ridurre ulteriormente i consumi.

9 rapporti, 4 rotismi epicicloidali, 3 dischi multipli e 3 freni multidisco

Subito a valle della frizione troviamo la parte contenente i rapporti veri e propri. Mercedes, dopo attenti studi e varie simulazione, è giunta alla conclusione che il numero ideale di rapporti per questo tipo di cambio sia nove ma, per contenere dimensioni e pesi, è riuscita ad ottenere questi nove rapporti adottando solamente quattro semplici treni planetari e sei elementi di comando. I quattro treni planetari sono dei rotismi epicicloidali cioè un organo di trasmissione formato da un ingranaggio centrale di entrata, chiamato pignone o sole, due o più satelliti intermedi connessi insieme tramite un portasatelliti detto planetario e un anello esterno con dentatura interna, detto corona. Nel cambio 9G-TRONIC sono necessari però ben quattro satelliti affinché la coppia, che può raggiungere 1.000 Nm, possa essere trasmessa in modo affidabile. La peculiarità di questo sistema è la possibilità di scegliere di bloccare in modo alterno il sole, la corona o il planetario, così da ottenere diversi rapporti di riduzione addirittura con rotazione invertita adatta per la retromarcia.

Oltre ai quattro rotismi epicicloidali, come già detto, troviamo i sei elementi di comando composti da tre frizioni a dischi multipli e tre freni multidisco che, tramite degli attuatori elettro/idraulici comandati da una centralina, azionano o bloccano gli stessi rotismi epicicloidali ricreando l’esatto rapporto voluto ed innestandolo istantaneamente. Scopo delle tre frizioni a dischi multipli è il trasferimento della coppia motrice tra due componenti di un treno planetario o un elemento di due treni planetari mediante accoppiamento dinamico. In definitiva il rapporto di trasmissione corrisponde al rapporto del numero di denti della corona e del pignone. A seconda di quali ingranaggi planetari vengono collegati in serie, bloccati o separati, moltiplicando i singoli rapporti di trasmissione parziali si ottiene il rapporto totale di trasmissione per la rispettiva marcia con un ampia spaziatura tra la prima e la nona marcia di 9,15.

Pompa olio meccanica ed elettrica

Il 9G-TRONIC è dotato di due pompe di gestione dell’olio interno. La pompa principale meccanica, con struttura disassata, ridimensionata e ad azionamento tramite catena, è posta accanto all’albero primario e assicura l’alimentazione di olio quando il motore a combustione è in funzione. Tale pompa meccanica viene inoltre supportata da una pompa supplementare elettrica separata. Questa struttura permette di regolare attivamente la portata volumetrica di olio lubrificante e di raffreddamento in funzione del fabbisogno in tutte le possibili condizioni: start & stop, veleggiamento, ibrido, elettrico, ricarica ecc. Per poter mantenere però gli stessi ingombri e lo stesso peso della precedente unità a 7 rapporti, il 9G-Tronic adotta una scatola del convertitore composta da una lega di alluminio leggero e una scatola del cambio, con coppa dell’olio in poliuretano termoplastico, in una lega di magnesio ancora più leggera. L’albero di trasmissione primario, con i suoi 550,9 mm, è uno degli alberi più lunghi di tutta l’industria automobilistica.

Oltre a trasmettere la coppia motrice, sovraintende anche a funzioni di lubrificazione, raffreddamento e controllo. Tutto questo è reso possibile tramite un sistema interno di condotti e alcuni fori praticati dal lato trasmissione sempre sull’albero primario. Vengono praticati infatti ben tre fori paralleli ognuno del diametro di 6,1 mm nell’albero di trasmissione, che presenta un diametro interno di 16 millimetri, fino ad una profondità di 361,5 mm. Questi fori assicurano una portata volumetrica di olio prefissata per la lubrificazione e il raffreddamento dei rotismi epicicloidali e degli elementi di comando e, inoltre, svolgono un’importante funzione di controllo trasferendo la pressione di azionamento necessaria alla frizione a dischi multipli e freni multidisco. A questi fori trasversali si aggiunge un foro assiale del diametro di qualche centimetro sul lato motore che garantisce l’apporto di olio al rotismo epicicloidale anteriore.

Esempio pratico del funzionamento

Qui di seguito viene riportato un esempio del flusso della forza motrice in prima posizione. Nel sistema sono coinvolti i rotismi epicicloidali 1 / 2 / 3, i freni multidisco A / B e la frizione a dischi multipli E: la ruota solare interna del primo treno fa parte dell’albero motore a cui è quindi accoppiata dinamicamente; il planetario del primo treno viene collegato tramite la seconda frizione a dischi multipli alla corona esterna del secondo treno; il freno multidisco A frena la ruota solare interna del secondo treno. In questo modo la coppia aumenta riducendo al contempo il numero di giri; la corona esterna del secondo treno presenta un collegamento meccanico con la ruota solare interna della terza corona; i satelliti del terzo treno ruotano nella corona esterna frenata dal freno multidisco B e trasmettono l’aumento della coppia all’albero condotto riducendo nel contempo il numero di giri; l’albero di uscita ruota con un ridotto numero di giri in entrata e un significativo aumento di coppia nella direzione di rotazione del motore. Nella trasmissione della forza motrice valgono i seguenti principi: alle marce più basse viene ridotto il numero dei giri in uscita. Ne risultano velocità inferiori con un contemporaneo aumento della forza di trazione e della coppia sulle ruote motrici. Viceversa, alle marce più elevate il numero di giri in uscita è sensibilmente più elevato. Ne risultano velocità maggiori con una contemporanea diminuzione della coppia sulle ruote motrici.

9G-Tronic Plus for Plug-In Hybrid

L’ultima evoluzione del cambio automatico 9G-Tronic risiede nella versione riadattata appositamente per i veicoli ibridi ed ibridi plug-in. Questa versione, denominata 9G-Tronic Plus adotta un motore elettrico ed un pacco frizioni lamellare al posto del classico convertitore di coppia. Questa soluzione, sempre dislocata tra motore endotermico e cambio automatico, permette al 9G-Tronic Plus di disaccoppiarsi dal motore a scoppio e di trasferire il moto grazie al solo motore elettrico, del tipo sincrono a eccitazione permanente. Come dicevamo il propulsore elettrico è completamente integrato nella scatola del cambio e viene raffreddato da una nebbia d’olio.

Sviluppato in collaborazione con Bosch, come parte del EM Motive joint venture, il motore elettrico è stato appositamente progettato per la trasmissione 9G-Tronic Plus. Grazie poi alla nuova e più efficiente elettronica di potenza questo motore elettrico è stato potenziato rispetto alla precedente generazione arrivando ora ad erogare ben 65 kW e 440 Nm, un incremento di circa 5 kW e 100 Nm. La scelta, di dotare il cambio di un motore elettrico in posizione intermedia e di un pacco frizioni in grado di disaccoppiare il motore termico, permette di sfruttare un grosso quantitativo di coppia già da fermo, assicura una estrema agilità di marcia e caratteristiche di guida sportiva e regala al guidatore cambiate più dolci e veloci grazie all’intervento del motore elettrico che imprime una piccola coppia motrice ogni volta che viene attuato un passaggio di marcia.