Tutti gli altri cambi visti finora in questa serie — manuale, automatico con convertitore di coppia — lavorano con un set fisso di rapporti che si percorrono uno alla volta. Il CVT (Continuously Variable Transmission, trasmissione a variazione continua) ribalta l’idea alla base: niente marce da innestare, nessun rapporto discreto. Al loro posto una cinghia o una catena scorre tra due pulegge coniche il cui diametro effettivo cambia in continuo, il che significa che la trasmissione può, in teoria, scegliere letteralmente qualsiasi rapporto tra il minimo e il massimo e mantenerlo esattamente dove il motore rende meglio. Sulla carta sembra più semplice di un cambio a ingranaggi. Farlo sopravvivere alla coppia reale di un motore senza slittare o distruggere la cinghia è stata la parte difficile.
Due coni e una cinghia che non può allungarsi
Il cuore di quasi ogni CVT automobilistico è il variatore: due pulegge, ciascuna formata da due semiconi che possono essere avvicinati o allontanati idraulicamente, collegate da una cinghia o catena che scorre nella gola a V tra loro. Se si avvicinano i semiconi della puleggia in ingresso, la cinghia è costretta a salire più in alto sul cono, aumentando il diametro effettivo su cui si avvolge; facendo l’opposto sulla puleggia in uscita nello stesso momento, il rapporto cambia in modo continuo, senza nessuno scalino. Allargando la puleggia in ingresso e stringendo quella in uscita il rapporto si inverte — così lo stesso meccanismo copre tutto, dal rapporto corto per partire da fermo fino al rapporto lungo e parco in autostrada, senza un singolo punto di cambiata discreto.
Perché una cinghia di gomma non basta
Una normale cinghia trapezoidale in gomma si distruggerebbe quasi istantaneamente sotto la forza di serraggio e la coppia richieste da un cambio d’auto, quindi i CVT stradali usano una cinghia push-belt in acciaio: centinaia di sottili nastri d’acciaio ad alta resistenza impilati a formare un anello, che tengono insieme decine di elementi trapezoidali d’acciaio che effettivamente si spingono l’uno contro l’altro intorno alle pulegge in compressione, invece di essere tirati in trazione come una cinghia normale. Il progetto fu sviluppato dall’ingegnere olandese Hub van Doorne ed è ancora oggi prodotto dalla divisione trasmissioni di Bosch con il marchio Van Doorne, dato in licenza alla maggior parte dei costruttori che usano il CVT. Alcuni CVT, soprattutto nelle applicazioni a coppia più alta, usano una catena metallica al posto della push-belt: più stretta e capace di gestire più coppia a parità di larghezza, al prezzo di una perdita d’attrito leggermente maggiore. In entrambi i casi la forza di serraggio deve essere enorme e gestita costantemente per via idraulica: stringere troppo poco e la cinghia slitta e si brucia in pochi secondi; stringere più del necessario e si spreca potenza motore e carburante in attrito non necessario.
L’unica cosa che un variatore non può fare: partire da fermo
Un variatore a cinghia e pulegge non può moltiplicare la coppia come fa la prima marcia di un cambio a ingranaggi, e non può fare nulla di utile a velocità di uscita zero — quindi ogni CVT ha bisogno di qualcos’altro per gestire la partenza da fermo. La maggior parte usa un convertitore di coppia, esattamente come un automatico tradizionale, ma dimensionato più piccolo perché deve coprire solo l’estremità bassa della gamma di velocità prima che subentri il variatore. Altri usano invece una frizione multidisco a bagno d’olio, più leggera e con una sensazione di guida più diretta, meno “gommosa”, ma che richiede un controllo elettronico più preciso per evitare partenze a scatti o slittamenti. Entrambe le soluzioni esistono proprio per coprire l’unico compito che il variatore stesso non è strutturalmente in grado di svolgere.
L'”effetto elastico” e perché i costruttori giapponesi l’hanno adottato lo stesso
Poiché un CVT può mantenere qualsiasi rapporto preferisca, il trucco preferito del software di controllo in accelerazione decisa è portare subito il motore al regime di massima potenza e mantenerlo lì mentre la velocità sale — il che è esattamente ciò che rende un CVT così efficiente nell’erogare l’accelerazione, ed è esattamente il motivo per cui si è guadagnato il soprannome di “effetto elastico”: il regime del motore sale di colpo e resta piatto e ronzante mentre l’auto continua a guadagnare velocità sotto di esso, senza il ritmo di salita e discesa tipico di un cambio a rapporti fissi. Chi è abituato a cambi a ingranaggi spesso legge questo comportamento come lentezza dell’auto o slittamento della trasmissione, anche quando in realtà sta facendo la cosa meccanicamente ottimale. È il motivo principale per cui il CVT ha un problema di immagine nei mercati abituati a cambi manuali e doppia frizione, anche se la tecnologia in sé è solida; Toyota, Honda, Nissan e Subaru, tutti grandi utilizzatori di CVT, hanno passato due decenni a mettere a punto software che simulano “cambiate” a scalini proprio per rendere la sensazione più familiare, a un piccolo costo in efficienza.
Perché funziona così bene proprio con l’ibrido
Un variatore CVT si abbina in modo insolitamente efficace a una motorizzazione ibrida, motivo per cui l’Hybrid Synergy Drive di Toyota e la maggior parte degli altri sistemi ibridi usano una sua variante: invece di un variatore a cinghia e pulegge, usano tipicamente un rotismo epicicloidale a ripartizione di potenza — a variazione continua elettronica anziché meccanica — che permette al software di controllo di miscelare la coppia del motore termico e di quello elettrico e mantenere il motore endotermico al suo unico regime di massima efficienza indipendentemente dalla velocità dell’auto, esattamente la stessa logica di efficienza di un CVT a cinghia ma realizzata elettronicamente invece che idraulicamente. È un meccanismo diverso che raggiunge lo stesso obiettivo di fondo: disaccoppiare completamente il regime motore dalla velocità della vettura.
La ricerca UE per portare più coppia sul CVT
I CVT a cinghia e pulegge sono stati storicamente limitati a motori più piccoli e a coppia minore perché la push-belt in acciaio può trasmettere solo una certa forza prima di slittare; è esattamente questo limite che il progetto europeo TRUFUS (“MAZARO’s innovative transmissions for unrivalled electricity and fuel savings in transport”, Horizon 2020, SME Instrument Fase 2, coordinato da MAZARO NV in Belgio, €2,08M, 2017-2020) si è proposto di alzare. L’approccio di MAZARO usa una geometria di variatore toroidale a dischi, invece di un tradizionale disegno a cinghia e pulegge, puntando a un salto netto nella densità di coppia e potenza che un CVT può gestire senza la penalità di ingombro e peso che comporterebbe semplicemente scalare in grande un’unità a push-belt — aprendo la strada a CVT su veicoli più grandi e a coppia più alta, dove oggi dominano cambi automatici a rapporti fissi e doppia frizione.
Ma il CVT è davvero più efficiente?
In linea di principio sì: mantenendo sempre il motore nel suo punto di funzionamento più efficiente invece che al regime imposto dalla marcia innestata al momento, un CVT ben calibrato può battere un automatico a rapporti fissi in consumi, in particolare nella guida cittadina a strappi e nella marcia a bassa andatura e apertura gas leggera che domina i cicli di test in stile WLTP — motivo per cui il CVT è così diffuso su ibridi orientati all’efficienza e city car. Il compromesso si vede all’altro estremo della mappa motore: in accelerazione decisa, il ronzio prolungato ad alto regime e la piccola perdita d’attrito in più intrinseca a un disegno a cinghia e pulegge fanno sì che un CVT raramente vinca un confronto di prestazioni pure contro un cambio a doppia frizione ben calibrato — motivo per cui il CVT domina i segmenti orientati all’efficienza e i cambi a rapporti fissi dominano ancora quelli orientati alle prestazioni.
Foto: © Car-Shooters
