Il convertitore di coppia – Breve nota tecnica sul convertitore di coppia utilizzato nei cambi automatici tradizionali. Questo componente importantissimo è alla base di alcune modifiche strategiche per chi vuole utilizzare la propria vettura per gare di accelerazione o anche solo per avere migliori performance in partenza. Ecco alcuni chiarimenti di base e qualche veloce consiglio pratico.
La trasmissione automatica è spesso legata alla storia dell’automobilismo americano, e non a torto. Nei leggendari anni ’50, noti come i fabulous fifty, o meglio ancora quelli delle fifty fins (le note pinne delle auto costruite tra il 1950 e il 1960), si videro già le prime applicazioni in serie di questa tecnologia che gli americani hanno migliorato nel corso degli anni.
Nelle pagine seguenti farò chiaro riferimento, per quanto riguarda i dati forniti, alle vetture americane, ma è evidente che i concetti si applicano interamente alle trasmissioni automatiche utilizzate su altri veicoli, non necessariamente di produzione statunitense. La complessa struttura di un cambio automatico si compone di numerosissimi elementi ma in questo caso mi limito a fornire alcune note tecniche sul convertitore di coppia. Gli elementi che lo compongono, nella sua conformazione più semplice, sono principalmente quattro: la cassa o copertura, la turbina, lo statore e la pompa. La copertura o cassa (in americano cover) è un componente strutturale che ha il compito di contenere il fluido di lavoro e di resistere alle sollecitazioni, talvolta molto elevate, che si generano all’interno del convertitore (in americano torque converter). La copertura è, tra l’altro, la parte che viene fissata al motore in prossimità del volano. La turbina (turbine in americano), invece, ruota all’interno della cassa ed è vincolata meccanicamente all’albero di ingresso del cambio. Il vincolo viene ottenuto generalmente tramite un albero dotato di estremità scanalata, quella che gli americani chiamano una spline. Se la turbina si muove l’auto è in movimento, a patto naturalmente che non vi siano impedimenti esterni. Lo statore (stator in americano) è il cuore di tutto il processo di lavorazione del fluido. Grazie ad esso, infatti, il legame tra pompa e turbina non è un semplice accoppiamento idraulico ma qualcosa di più. E’ grazie allo statore e alla sua palettatura, infatti, che si ottiene l’effetto di moltiplicazione della coppia. La pompa (impeller in americano) è il terzo elemento. Si tratta di un componente saldato direttamente alla cassa del convertitore (quella che, come già anticipato, è vincolata al volano motore). Quando il motore aumenta il proprio regime, la pompa, grazie alla particolare alettatura di cui è dotata, mette in moto la turbina attraverso lo statore. La geometria delle alette della pompa, e la loro consistenza, sono elementi fondamentali per garantire il flusso corretto e la necessaria affidabilità della girante stessa sul lungo periodo.
Il funzionamento del convertitore prevede una fase iniziale in cui la differenza di velocità tra pompa e turbina è molto bassa. In questo momento lo statore deve essere tenuto perfettamente immobile, nella posizione che gli americani definiscono stall mode. Successivamente la velocità della pompa aumenta sensibilmente mentre la turbina continua a mantenere una velocità relativamente bassa. E’ in questo frangente che la trasmissione a valle del convertitore riceve molta più coppia di quella che il motore sarebbe in grado di generare. Quando il veicolo inizia ad accelerare la moltiplicazione di coppia diminuisce perché pompa e turbina tendono a portarsi alla medesima velocità di rotazione. Quando il rapporto tra le velocità è di 1:1, il convertitore si comporta come un giunto idraulico. Quando il rapporto è pari a 1:1 è evidente che non vi è più moltiplicazione della coppia e, quindi, il momento a valle del convertitore è esattamente quello in arrivo dal motore. A regime, lo statore si trova a ruotare alla stessa velocità di tutti gli altri elementi del convertitore. I cambi automatici delle vetture americane generalmente lavorano con un rapporto di moltiplicazione della coppia nell’intorno di 2.5:1, con una velocità di rotazione di stallo compresa tra i 2.000 giri/min e i 3.000 giri/min. Tanto per fare un esempio, se un motore genera una coppia massima di 200 Nm a 3.000 giri/min, e viene utilizzato un convertitore con un rapporto di 2.0:1, a valle dello stesso avremo, con pedale premuto a fondo (corpo farfallato completamente aperto), una coppia massima di 400 Nm sempre a 3.000 giri/min. In generale, vale la regola per cui una vettura più pesante necessita di un convertitore capace di generare una moltiplicazione della coppia superiore.
La velocità di stallo, invece, può essere definita, in modo un po’ improprio, come il regime di giri del motore in corrispondenza del quale il convertitore (sarebbe meglio dire la pompa) è in grado di mettere in moto la turbina e quindi il veicolo. Come è facile immaginare, in condizioni di traffico normale, e con motori e trasmissioni di serie, le velocità di stallo sono generalmente basse (si pensi a quando si percorrono le file in cui prevalgono le condizioni di stop-and-go). In questo caso la risposta del convertitore deve essere abbastanza rapida. Se adesso pensate di voler fare una partenza decisa, un po’ come accade con il cambio manuale quando tirate su di giri il motore prima di lasciare la frizione, la velocità di stallo deve crescere in modo tale che il convertitore inizi a trasmettere potenza al resto della trasmissione quando il motore dispone di sufficiente coppia. La spiegazione è sicuramente impropria ma dovrebbe rendere l’idea. Per effettuare una partenza violenta bisogna lavorare con una valore elevato di moltiplicazione della coppia e cercare di sfruttare il motore in modo tal da accoppiare la velocità di stallo del convertitore con un regime prossimo a quello di massima coppia del motore. Ecco perché quando si utilizzano alberi a camme con durata elevata (ossia con diagramma di fase molto spinto) è necessario prevedere convertitori di coppia con velocità di stallo più alte: semplicemente perché quando si aumenta la duration, ossia l’angolo di manovella durante il quale le valvole rimangono aperte, la coppia viene spostata più in alto. Se con albero a camme con durata elevata lasciassimo il convertitore originale accadrebbe che la velocità di stallo troppo bassa non consentirebbe al motore di salire sufficientemente di giri per poter raggiungere valori di coppia adeguati a muovere la vettura con decisione. La velocità di stallo è, quindi, il regime massimo di giri al quale il convertitore deve ruotare prima di riuscire a trasmettere alla turbina un valore sufficientemente elevato di coppia al resto della trasmissione. La velocità di stallo può anche essere vista come il massimo regime di giri del motore oltre il quale il convertitore non consentirà più slittamento relativo tra pompa e turbina del convertitore. O ancora. La velocità di stallo di un convertitore è nient’altro che la velocità di rotazione che la pompa deve raggiungere per vincere tutte le resistenze che servono a mettere in moto la turbina e quindi il veicolo. Bisogna dire che molto dipende anche dal rapporto che esiste tra la coppia che è in grado di generare il motore e l’insieme delle resistenze offerte dal veicolo. La scelta di un convertitore di coppia per applicazioni sportive non è cosa certo semplice. Tra tutti i parametri in gioco è quindi fondamentale conoscere l’arco di giri all’interno del quale il motore endotermico è in grado di funzionare in maniera ottimale. Quando i convertitori vengono selezionati per applicazioni heavy-duty come ad esempio le gare di accelerazione bisogna puntare molto anche sulla qualità dei materiali. Tutte le superfici di scorrimento devono, ad esempio, presentare eccezionale resistenza all’usura. Se così non fosse, infatti, particelle contaminanti si staccherebbero dalla superficie per finire nel fluido di lavoro del convertitore, alterandone le proprie capacità di esercizio. Le stesse alettature con cui sono realizzati pompa, statore e turbina devono presentare elevata resistenza nei confronti delle sollecitazioni che si generano all’interno del convertitore. Spesso il potenziamento di un motore, quando non accompagnato da una rivisitazione del cambio, e quindi anche del convertitore, può portare a danni irreversibili a carico di quest’ultimo. Le alette si flettono e se la sollecitazione raggiunge valori eccessivi possono giungere a rottura.
Vengo quindi ai numeri che più frequentemente ricorrono sull’argomento. I valori che vi fornisco qui di seguito sono strettamente legati al mondo americano e quindi ai V8 con cilindrata relativamente grande. Naturalmente i valori sono però indicativi per capire l’ordine delle grandezze in gioco. Per una vettura stradale con un’elaborazione soft o anche leggermente superiore si può considerare valida una velocità di stallo compresa tra i 2.200 giri/min e i 2.600 giri/min. Si faccia attenzione al fatto che approssimandosi al limite superiore dell’intervallo appena indicato sarà bene prevedere un sistema di raffreddamento per il fluido del convertitore, soprattutto se il veicolo viene utilizzato in pista per gare di accelerazione. Le temperature di esercizio nel caso di utilizzo gravoso salgono parecchio. Un convertitore con velocità di stallo intorno ai 5.000 giri/min identifica una meccanica realizzata appositamente per le gare di accelerazione. Adottando sempre i termini americani di riferimento possiamo dire di aver a che fare con una pure drag car. Valgono infine alcune considerazioni interessanti sul diametro del convertitore. Valori più elevati per quest’ultimo possono significare una maggiore efficienza e un minor slittamento. Al contrario i convertitori con diametro inferiore possono essere indirizzati a velocità di stallo più elevate e maggiore slittamento. Tutto quanto detto in questo articolo ha valore qualitativo. La scelta del giusto convertitore di coppia è una delle imprese più complicate perché i parametri in gioco sono molteplici. Bisogna infine dire che mentre per i veicoli prodotti in grande serie l’esperienza è notevole, i numeri magici per applicazioni sportive sono molto più complessi da determinare.
