Il convertitore di coppia [3° parte]

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Nella prima e nella seconda parte abbiano fatto un veloce excursus su cosa è il convertitore di coppia e su come esso trasmette il moto dal propulsore alle ruote; ma rimane ancora un grande dubbio, che probabilmente è il motivo che vi ha portato su queste pagine a leggere qualcosa in più su questo strano oggetto. Come fa l’auto a rimanere accesa se la macchina è ferma e non c’è una frizione meccanica che disaccoppia la trasmissione ed il motore? La risposta a questa domanda è in un fenomeno che si chiama “stallo“.

LO STALLO

Andiamo per gradi. La progettazione di un convertitore di coppia necessita di conoscenze di base di fluidodinamica che, per non complicare troppo il discorso in questa sede, non tratteremo. Invece, semplificheremo il discorso con questa frase: “È necessario che al fluido venga applicato un momento angolare minimo affinché la coppia possa venir efficacemente trasmessa dalla pompa alla turbina”. Ovvero, la capacità di un dato convertitore di coppia di trasferire la forza motrice è strettamente correlata alla velocità di rotazione della pompa (e quindi al regime del motore): questo perché tanto più è elevata la velocità di rotazione, e tanto più è elevata la forza centrifuga.

Quindi, con il motore al minimo dei giri, la pompa ruota troppo lentamente perché la coppia venga trasmessa e l’automobile rimane ferma: esattamente come se aveste un’auto a cambio manuale e vi fermaste con la marcia inserita e con il pedale della frizione premuto.

Per effetto sempre della relazione tra forza centrifuga e velocità di rotazione, mano a mano che il regime del motore sale, progressivamente una percentuale di coppia sempre maggiore viene trasmessa al cambio e alle ruote. Iniziate a vederci più chiaro?

E QUINDI?

Ma allora esisterà un regime di rotazione al quale tutta (o quasi, se vogliamo fare le pulci e tenere da conto tutte le perdite) la forza è trasferita al cambio. Qual è questo numero di giri al minuto?

È il cosiddetto regime di stallo: il regime di stallo può essere definito come quel numero di giri al quale (ed al di sopra del quale) il convertitore di coppia riesce a trasmettere tutta la forza alla trasmissione. Il regime di stallo è un parametro molto importante da tenere in conto durante il dimensionamento di una trasmissione; per due differenti motivazioni.

La prima è che al di sotto di questo regime il convertitore di coppia è libero di “slittare”, contribuendo a donare al cambio automatico la tipica morbidezza di funzionamento che lo ha reso famoso sin dagli albori. La seconda è che il regime di stallo è una caratteristica che deve essere necessariamente abbinata con le peculiarità di erogazione del motore. In soldoni, se il regime di stallo è troppo basso, lo spunto alla partenza non sarà ottimale e sarà come staccare la frizione ad un regime troppo basso in un’auto con il cambio manuale; in aggiunta, non si riuscirà a sfruttare al meglio l’effetto di moltiplicazione della forza motrice descritto nei paragrafi precedenti.

Ed è per questo, che esistono diversi convertitori di coppia caratterizzati da differenti regimi di stallo. Tendenzialmente, quelli montati su vetture stradali standard un regime di stallo che va dai 1500 ai 2500 giri. Quelli per le applicazioni su veicoli pesanti hanno un regime di stallo inferiore, che si posiziona intorno ai 1200 giri e meglio si adatta ai motori con tanta coppia motrice a basso regime. Di stampo totalmente opposto sono, invece, quelli utilizzati nelle competizioni: essendo i motori da gara dotati di una erogazione spostata “in alto” in virtù dell’utilizzo di camme dal profilo “spinto”, vengono in questo caso utilizzati convertitori di coppia il cui regime di stallo può anche essere superiore ai 5000 giri al minuto.

RICAPITOLIAMO

Avete una gran confusione nella testa? Vi capisco: pensavate di aprire l’articolo, leggerlo e capire finalmente in poche righe cosa è e a cosa serve questo benedetto convertitore di coppia. Invece siete qui; con le idee più confuse di prima. Con le turbine che girano, gli statori che stanno a volte fermi e a volte no, i flussi vorticosi, le pompe nelle camere. Ma non vi preoccupate: fermatevi un attimo, rileggete quello che abbiamo scritto finora, tenete a mente i punti salienti e poi andate avanti nella lettura, perché metteremo tutto insieme e il discorso apparirà molto più chiaro. Per facilitare la comprensione, vi pongo il caso di una vettura con convertitore di coppia che si ferma al casello autostradale per ritirare il biglietto di ingresso e che, dopo l’apertura della sbarra, deve accelerare fino a raggiungere i 130 chilometri orari di crociera.

FASE INIZIALE (detta anche “fase di stallo”): il motore è in moto, la marcia è inserita, il pedale del freno è premuto e l’auto è ferma al casello autostradale. Il motore gira al regime di minimo (ipotizziamo circa 700 giri), ben al di sotto del regime di stallo del convertitore di coppia. La pompa del convertitore di coppia gira alla stessa velocità del motore; la turbina invece è ferma. È comunque necessario mantenere frenata l’auto perché, sebbene al regime di minimo del motore l’efficacia del convertitore di coppia sia bassa, un minimo di coppia è ugualmente trasferita; ma è una quantità talmente piccola da riuscire a contrastarla semplicemente poggiando il piede sul pedale del freno.

FASE DI ACCELERAZIONE: ritiriamo il biglietto, finalmente la sbarra del casello si alza, rilasciamo il pedale del freno, ci spostiamo sul pedale del gas, il motore accelera e, aumentando la velocità di rotazione del motore, aumenta anche la velocità di rotazione della pompa. Il momento angolare del fluido adesso è abbastanza generoso da riuscire a trasferire la coppia sulla turbina: se potessimo guardare all’interno del convertitore di coppia vedremmo che c’è quindi un’ovvia differenza di rotazione tra la pompa (collegata al motore) e la turbina (collegata alle ruote tramite il cambio). All’interno della camera del convertitore di coppia si instaura, quindi, quel regime di flusso vorticoso di cui abbiamo parlato prima. Il flusso in uscita dalla turbina passa nei vani dello statore, ridirige il flusso in un verso più vantaggioso per la pompa e crea l’effetto di moltiplicazione della coppia che aiuta a far muovere il veicolo. Il ciclo si chiude, il fluido circola e l’auto accelera.

FASE DI ACCOPPIAMENTO: il regime del motore supera il regime di stallo del convertitore di coppia. Da questo regime in poi, la pompa e la turbina, sempre posto che venga mantenuto premuto il pedale dell’acceleratore, girano (quasi) alla stessa velocità creando una relazione diretta tra la velocità del motore e quella dell’albero di ingresso del cambio automatico: nella camera del convertitore si instaura un regime di flusso rotatorio. Lo statore in questa fase non serve più a nulla, non deve moltiplicare la coppia: anzi, la sua presenza farebbe resistenza al flusso rotatorio. Ecco che entra in gioco la ruota libera: essa fa girare lo statore assieme al flusso rotatorio evitando che esso ostacoli il ciclo dell’olio nella camera del convertitore di coppia.

Vi è tutto più chiaro, adesso? Speriamo di sì. Nell’attesa della quarta ed ultima parte, vi consiglio di prendervi il tempo di rileggere tutto l’articolo con calma così da poter rimettere assieme tutti i concetti che abbiamo espresso; e nel frattempo speriamo davvero di esservi riusciti a chiarire più di qualche dubbio sul funzionamento di questo oggetto.