Sebbene siano stati fatti diversi tentativi per progettare un cambio che selezioni automaticamente le marce, è stato solo nel 1939 che gli ingegneri della General Motors (GM) hanno sviluppato una soluzione soddisfacente: il dispositivo si chiamava Hydra-Matic ed è stato il primo cambio per auto prodotto in serie completamente automatico, montato su circa 25000 modelli Oldsmobile venduti.

Quasi 25 anni dopo, nel 1963, Earl A. Thompson, capo del gruppo di ingegneri della GM che ha realizzato la Hydra-Matic,è stato insignito del premio di Elmer A. Sperry -in riconoscimento di “un eccellente lavoro di ingegneria che, così come si è dimostrato nell’utilizzo, ha sviluppato i trasporti terresti, marittimi o aerei”. 

Nei successivi 75 anni il cambio automatico è stato ampliato a cinque (o addirittura sei) marce, regolato elettronicamente e rimpicciolito. Anche dopo tutti questi anni, però, la modalità di funzionamento del cambio automatico si basa ancora, come allora, sulla pressione all’interno del circuito idraulico. 

La pressione idraulica regola il comportamento del cambio automatico 

Il corpo valvole è il centro di controllo del cambio automatico. Contiene un labirinto di canali e passaggi attraverso i quali scorre il fluido idraulico verso le numerose valvole che poi azionano la rispettiva frizione a dischi multipli o servo nastro, al fine di inserire dolcemente la marcia giusta per ogni situazione di guida.

Ognuna delle valvole presenti ha una funzione precisa e porta il nome della funzione che svolge. Per esempio, la valvola di commutazione 2-3 fa passare dalla seconda alla terza; la valvola 3-2, invece, determina quando bisogna scalare di marcia.

La valvola più importante è la valvola regolata manualmente, che è collegata direttamente alla leva del cambio e apre o copre i passaggi a seconda di qual è la posizione in cui è inserita la leva del cambio. Nella posizione D(Drive), ad esempio, la valvola manuale convoglia il flusso verso i dischi della frizione che attivano la prima. Questa valvola ha anche il compito di controllare la velocità e la posizione dell’acceleratore così da determinare il punto ideale, in base al peso e alla velocità del veicolo, per cambiare la marcia dalla prima alla seconda.

Nelle trasmissioni computerizzate il corpo valvole è dotato di valvole magnetiche elettroniche che convogliano il fluido alla rispettiva frizione a dischi multipli o ai nastri freno, elettronicamente, per avere un controllo più preciso dei punti di cambio di marcia.

La pressione generata attraverso la pompa a olio viene diretta verso le valvole del regolatore di pressione del tubo principale e del regolatore centrifugo (governor), nonché verso la valvola di pressione a farfalla, per regolare e lubrificare la trasmissione. Alcuni di questi componenti sono stati sostituiti o funzionano con il controllo elettronico.

La pressione generata dal regolatore centrifugo aumenta con l’aumentare della velocità del veicolo. Per regolare questa pressione, le trasmissioni vecchie avevano un regolatore centrifugo meccanico composto da molle, pesi centrifughi e una valvola di controllo. La pressione del regolatore centrifugo determina il passaggio a una marcia superiore del cambio, mentre la pressione dell’acceleratore è responsabile per il passaggio a una marcia inferiore. Oggigiorno le trasmissioni utilizzano dei solenoidi per determinare il punto di cambio di marcia.

La pressione dell’acceleratore indica il carico del motore. Alcune trasmissioni utilizzano un modulatore di vuoto o una tirante aria dell’acceleratore per azionare la valvola a farfalla. Per ottenere gli stessi risultati, gli ultimi modelli di auto utilizzano solenoidi elettrici.

Le trasmissioni cambiano le marce azionando la valvola di commutazione. Questa valvola viene azionata a un’estremità dalla pressione del regolatore centrifugo e dall’altra, supportata da una molla, dalla pressione dell’acceleratore. Quando un veicolo accelera da fermo, la pressione dell’acceleratore è maggiore di quella del regolatore centrifugo, così l’auto resta in prima. Con l’aumentare della velocità del veicolo, aumenta la pressione del regolatore centrifugo (influenzato dalla velocità stessa), fino a quando questa supera la pressione dell’acceleratore e si passa così a una marcia superiore.

Si ha un passaggio a una marcia inferiore, quando la pressione dell’acceleratore supera quella del regolatore centrifugo. Ciò è dovuto a un aumento del carico del motore. Entrambe le pressioni regolano l’attivazione della valvola di commutazione. Le valvole di commutazione regolano gli attuatori (frizione e nastri freno) che,infine, azionano e bloccano le ruote di un ingranaggio planetario (ingranaggio epicicloidale).

Realizzare un cambio di marcia dolce e senza “scattare” eccessivamente non è una cosa facile: la pressione, che fa chiudere una serie di nastri freno e ne fa aprire altri, non deve solo essere applicata nel momento giusto, ma deve essere anche tale da far sì che avvenga un cambio di marcia senza che si avvertano degli strappi. Tutto questo è controllato dalla pressione idraulica del circuito.

Durante lo sviluppo di un cambio automatico viene misurata in tempo reale la pressione del circuito alle diverse aperture e confrontata con le specifiche di progetto per confermare che i parametri progettuali siano rispettati. Contemporaneamente vengono misurati i punti e la qualità del cambio marcia e questi vengono valutati soggettivamente per garantire che sia il comportamento di guida sicuro, che gli obiettivi prestazionali siano soddisfatti. Queste misurazioni richiedono dei trasmettitori di pressione di alta qualità e di estrema precisione, come quelli realizzati dalla STS.

I risultati delle misurazioni registrati durante la fase di sviluppo sono decisivi non solo per garantire cambi di marcia precisi, ma anche per lo sviluppo delle specifiche uniche di ogni trasmissione. Quest’ultime vengono utilizzate nelle officine per la diagnosi dei guasti.

Al passo con i tempi

A causa della grossa influenza che le normative sulle emissioni hanno sullo sviluppo dei veicoli moderni, i produttori continuano a mettere mano al design: l’obiettivo è aumentare l’efficienza, senza dover sacrificare le prestazioni. 

La KIA, casa automobilistica coreana, ha depositato 143 brevetti di nuove tecnologie nell’ambito di un programma di sviluppo di un cambio automatico compatto a 8 rapporti (8AT). Questo nuovo cambio permette un’accelerazione dolce da fermo, una maggiore efficienza dei consumi, migliorati livelli di NVH (Noise Vibration Harshness) perla riduzione di rumori e vibrazioni e, ad alti giri, un’accelerazione più decisa rispetto a un cambio automatico con meno marce. 

Per migliorare i consumi del cambio 8AT, gli ingegneri della KIA hanno ridotto notevolmente la grandezza della pompa dell’olio (la fonte principale delle perdite di potenza in un cambio automatico) e hanno semplificato la struttura del corpo valvole. Grazie alla pompa dell’olio più piccola, installata nella produzione di questa classe, il cambio 8AT può utilizzare l’olio idraulico in modo più efficiente, poiché questo viene sempre distribuito uniformemente per tutta l’unità. 

Il team di progettisti della KIA, inoltre, ha inserito un corpo valvole a comando diretto: questo permette di azionare direttamente la valvola magnetica della frizione, cosa che prima avveniva tramite più valvole di controllo. In questo modo è stato possibile ridurre le valvole di controllo da 20 a 12 e ciò non solo ha permesso un cambio di marcia più veloce e un collegamento meccanico diretto con il motore, ma ha portato come vantaggio anche un design più compatto. 

La sfida di questo approccio rivoluzionario era garantire che la pompa più piccola fosse in grado di fornire ai diversi componenti – necessari per il funzionamento del cambio automatico -una pressione fino a 20 bar con una quantità sufficiente di fluido idraulico. 

Durante i testi di sviluppo, l’unità è stata portata alla temperatura di funzionamento e si è proceduto a misurare la pressione del tubo principale sia col motore al minimo che con la valvola a farfalla completamente aperta, al fine di garantire che la pompa fosse all’altezza di questo compito. Va precisato ancora una volta che, per via dell’importanza fondamentale che rivestono i risultati dei test, sono stati utilizzati solamente trasmettitori di pressione di alta qualità dotati di certificazione di laboratorio.