A partire dal 1995, anno in cui Fendt presentò alla fiera tedesca Agritechnica il suo Favorit 926 Vario da 260 cavalli di potenza, i trattori con trasmissione a variazione continua cvt hanno iniziato a diffondersi nel settore fino a diventare oggi un must tecnologico
Se è vero che “quando il gioco si fa duro i duri scendono in gioco”, è altrettanto vero che nel 1995 Fendt dimostrò concretamente di esser tale reagendo a un momento difficile per l’intera industria tedesca del trattore. Fu proprio in quell’anno che la Casa lanciò infatti Favorit 926 Vario. Il primo trattore agricolo di alta potenza, 260 cavalli, mosso da una trasmissione continua e prodotto in grande serie. Una soluzione che inizialmente venne guardata con scetticismo dalla maggior parte degli addetti ai lavori ma che il mercato dimostrò rapidamente di apprezzare. Fino a farla diventare un contenuto tecnico irrinunciabile per tutti i Costruttori.
La presentazione del 1995 segnò quindi un momento di svolta per l’intero comparto. Inquadrò Fendt quale leader tecnologico del comparto e sancì la conquista di una supremazia europea e tedesca. In particolare, nel settore delle trasmissioni per i trattori dopo che per anni i costruttori europei avevano progressivamente migliorato le trasmissioni meccaniche senza mai perseguire ricerche avanzate e lasciando così ai costruttori statunitensi leadership innovativa.
I variatori meccanici a cinghia, a catena e ad attrito
Le trasmissioni a variazione continua hanno origini remote riportando agli albori del settore automotive. Gli studi effettuati per definire soluzioni idonee all’auto si resero disponibili diverse tipologie di variatori. A partire da quelli a cinghia e pulegge il cui principio di funzionamento consisteva nel variare il raggio delle due pulegge su cui si avvolge la cinghia. Quella conduttrice collegata al motore e quella condotta collegata alle ruote. Lo schema più diffuso, con interasse fisso tra le pulegge, è costituito da una cinghia trapezoidale che ruota attorno a pulegge realizzate mediante dischi di lamiera affiancati fra loro.
Avvicinando o allontanando i dischi si modificano i diametri di calettamento della cinghia e di conseguenza varia il rapporto di trasmissione fra la puleggia conduttrice e quella condotta. Entrambe le pulegge sono regolabili, con quella conduttrice pilotata da un attuatore meccanico, idraulico o elettrico e quella condotta gestita da una molla che reagisce automaticamente al diametro di lavoro impostato sulla puleggia conduttrice. In tali contesti la cinghia, inizialmente di cuoio, poi sintetica e oggi realizzata con kevlar, funge da elemento traente dando luogo a sistemi che nelle loro versioni più semplici, quelle prettamente meccaniche, hanno trovato larga applicazione nel settore delle due ruote, in particolare degli scooter.
Nel settore delle macchine agricole sono stati installati sulle mietitrebbie fino agli Anni 80 e ancora lo sono su macchine di media dimensione prodotte in Cina. Le potenze trasmissibili dai variatori a cinghia sono però vincolate dai limiti prestazionali della cinghia. Motivo per cui in campo auto sono stati sostituiti da variatori a catena. Così chiamati in quanto al posto della cinghia usano una catena metallica costituita da maglie collegate tra di loro attraverso una serie di lamelle trasversali le cui estremità vanno in contatto con le pulegge. Operante in bagno d’olio, la catena lavora quale elemento spingente assicurando sempre una durata superiore a quella di una cinghia.
Ciò nonostante tali gruppi nel campo dei trattori non uscirono mai dalle fasi di studio prototipali. Esattamente come accadde per i variatori ad attrito di tipo “ToroTrak”, costituiti da due coppie di dischi le cui geometrie danno luogo a una camera toroidale all’interno della quale sono presenti tre rulli cilindrici con assi orientabili. Ogni rullo si impegna con i dischi collocati ai suoi lati fungendo da “galoppino” e trasmettendo il movimento dal primo al secondo disco. Al variare dell’inclinazione del proprio asse di rotazione, cambiano i diametri sui quali avviene il contatto tra il rullo e i dischi e, di conseguenza, il rapporto di trasmissione. I dischi centrali sono quelli condotti, mentre quelli esterni lavorano come conduttori e il tutto opera in bagno d’olio. Il sistema si dimostrò efficace da un punto di vista operativo, ma foriero di dissipazioni energetiche non accettabili. Problema che assillò anche i cosiddetti variatori idrodinamici spingendo gli studi di settore verso i variatori idrostatici.
Cvt transmission, i variatori di velocità idrostatici
Il variatore idrostatico è costituito da una pompa idraulica a cilindrata variabile, mossa dal motore endotermico, che alimenta con olio in pressione un motore idraulico, a cilindrata fissa o variabile. L’impianto è a circuito chiuso e, nel caso delle versioni con motore a cilindrata fissa, la regolazione del rapporto di trasmissione si ottiene variando la cilindrata della pompa. Parametro che a sua volta determina la variazione della portata dell’olio e quindi la velocità di rotazione del motore, direttamente proporzionale proprio alla portata dell’olio. La variazione della cilindrata si ottiene modificando l’inclinazione del disco rotante che muove i pistoni assiali il cui posizionamento, se perpendicolare all’asse di rotazione ferma i pistoni e blocca la portata idraulica facendo invece raggiungere a quest’ultima la sua massima intensità quando il disco raggiunge la sua massima inclinazione dando luogo alle massime corse dei pistoni.
La conversione di energia
In alternativa, è possibile orientare l’intero corpo della pompa o del motore, ma da un punto di vista concettuale il funzionamento è equivalente. Il disco rotante che muove i pistoni, chiamato anche piattello, è orientabile attraverso un comando meccanico e può essere inclinato in entrambi i versi. Funzionalità che permette l’inversione del flusso idraulico al motore e di conseguenza l’inversione del senso di rotazione dello stesso. Da notare che nelle trasmissioni idrostatiche si ha una doppia conversione di energia. Nella pompa la potenza erogata dal motore termico viene convertita in energia idraulica, mentre nel motore si ha il passaggio inverso, da idraulica a meccanica.
Ne deriva un rendimento inferiore a quello proposto dalle trasmissioni meccaniche, complici anche le perdite idrauliche che si presentano nella pompa e nel motore. Ciò è bilanciato dai vantaggi operativi offerti dal sistema e anche dalla sua semplicità di installazione sul trattore. La pompa è infatti collegata direttamente al motore termico mediante un giunto parastrappi e il motore idraulico è collegato al gruppo gamme della trasmissione. Il comando è realizzato o con una leva che dalla posizione di neutro viene mossa con continuità nelle due direzioni per fare, rispettivamente, la marcia avanti o la retromarcia o con due pedali, uno per il movimento in avanti e l’altro per la retro, e la velocità di avanzamento è univocamente correlata alla posizione della leva o del pedale.
Gli studi per l’applicazione delle trasmissioni idrostatiche vanno molto indietro nel tempo. Anche se i primi esercizi più concreti si sono realizzati negli Anni 50, quando le pompe e i motori idrostatici cominciavano ad essere utilizzati nelle macchine per il movimento terra. International Harvester fu una delle aziende più attive in materia. Tant’è che già all’inizio degli Anni 60 presentò il prototipo di un trattore con motore a turbina e trasmissione idrostatica.
Nel 1967 avviò poi la produzione in serie del modello 656 con trasmissione idrostatica e circa 80 cavalli di potenza la cui pompa e il cui motore idrostatico erano entrambi a cilindrata variabile e del tipo a corpo oscillante. Con l’inclinazione dei corpi attuata per mezzo di due cilindri idraulici. La trasmissione integrava due gamme meccaniche e si proponeva con un rendimento compreso tra il 73 e il 75 per cento contro i valori compresi tra l’85 e l’87 per cento di una equivalente trasmissione meccanica. I vantaggi della variazione continua e della facilità d’uso del trattore erano quindi in parte neutralizzati dalla penalizzazione nei consumi. La macchina dimostrò comunque che la trasmissione idrostatica era una ottima soluzione per la trasmissione di potenze contenute.
Studi e tecnologia
Per questo motivo gli studi in tal senso proseguirono dando origine nel tempo ad almeno tre importanti applicazioni della trasmissione idrostatica in campo agricolo. Tutte caratterizzate dalla necessità di una regolazione continua della velocità di avanzamento anche in fase di manovra. Sui trattori compatti per giardinaggio e “hobby farming” di potenze inferiori ai 50 cavalli diventò un must. Causa la sua semplicità d’uso, abbinandosi spesso a un riduttore di gamme a tre velocità. Lo stesso accadde nel settore delle grandi raccoglitrici, tra le quali le mietitrebbia, in quanto la potenza necessaria all’avanzamento in pianura rappresenta una percentuale modesta della potenza installata per cui un rendimento non ottimale può essere tollerato.
Su tali macchine è stata poi la flessibilità di installazione a fare la differenza permettendo di posizionare il motore idraulico sull’assale anteriore, a monte di un cambio meccanico a 3-4 rapporti, collegandolo a una pompa direttamente azionata dal motore termico con dei semplici tubi idraulici. Altre macchine che molto legano le proprie funzionalità alle trasmissioni idrostatiche sono poi i sollevatori telescopici, in particolare quelli compatti. In questo caso il più grande vantaggio della trasmissione idrostatica è dato dalla facilità di regolazione della velocità nelle manovre di posizionamento o di presa del carico.
I Cvt, continuous variable transmission
I sistemi “Cvt”, “Continuous Variable Transmission”, nascono con l’obiettivo di attuare il principio del “power split” alle trasmissioni dei trattori superando le limitazioni relative ai rendimenti e alle potenze trasmissibili dai variatori. A tale scopo il Cvt prevede la trasmissione della potenza attraverso due sistemi operanti in parallelo fra loro, un variatore e un cambio meccanico, così che solo una quota parte dell’energia viene gestita dal variatore. Un ruotismo epicicloidale distribuisce i flussi di potenza tra variatore e cambio meccanico e può essere realizzato con un sistema di controllo “in entrata” o “in uscita”, modalità che danno origine a due diverse categorie di power split. Nel sistema controllato in ingresso, che potrebbe essere definito come divisore di coppia, la coppia motrice erogata dal motore termico si suddivide in due rami che muovono, rispettivamente, una macchina idraulica e il solare del gruppo epicicloidale.
Il rendimento
La seconda macchina idraulica, attraverso una coppia di ingranaggi, muove invece la corona del gruppo epicicloidale lasciando l’uscita del moto al porta-satelliti dello stesso gruppo planetario. Si utilizza il termine generico di “macchina idraulica” perché, a seconda delle condizioni di lavoro, ciascuna delle due può funzionare come pompa o come motore. Così congeniato il Cvt vede il suo rendimento tanto più basso quanto più bassa è la velocità, ma lo stesso rendimento sale poi rapidamente al crescere della velocità fino a raggiungere il cosiddetto punto di “lockup point”, quando la corona del gruppo epicicloidale è ferma e il flusso di potenza avviene esclusivamente per via meccanica. In tali condizioni il rendimento del sistema è massimo.
Nel funzionamento inverso, quindi in retromarcia, il rendimento è sempre crescente e i valori massimi del rendimento complessivo dipendono dal rendimento intrinseco del gruppo idrostatico e dalla percentuale di potenza trasmessa per via idrostatica. Il sistema controllato in ingresso è in grado di raggiungere un rendimento maggiore di quello intrinseco del gruppo idrostatico, ma rimane penalizzato alle basse velocità. Nel sistema controllato in uscita, che potrebbe essere definito come divisore di velocità, il motore termico muove il solare del gruppo epicicloidale e la corona dello stesso e, attraverso una coppia di ingranaggi, anche una delle due macchine idrauliche. L’albero di uscita è solidale al porta-satelliti del gruppo planetario e, attraverso una coppia di ingranaggi, alla seconda macchina idraulica. La definizione di divisore di velocità deriva dal fatto che la potenza trasmessa per via idrostatica è proporzionale alla velocità della prima macchina idraulica e in questo sistema si presentano due lockup point.
Trasmissione cvt: il funzionamento
Il rendimento della trasmissione è minimo alla massima velocità in retromarcia e cresce in maniera quasi lineare fino al punto di massimo ottenuto in corrispondenza del primo lockup point. Da qui decresce, sempre con legge lineare fino alla massima velocità con l’eccezione del punto intorno al secondo lockup, dove il rendimento si azzera, situazione che però non costituisce una condizione di lavoro. Anche il sistema controllato in uscita è in grado di realizzare un rendimento superiore a quello di un variatore puramente idrostatico e si può affermare che non esista un sistema migliore dell’altro.
Entrambi sono adatti alla realizzazione di trasmissioni Cvt per trattori e la migliore efficienza si ottiene quando l’intera trasmissione viene concepita per far lavorare il sistema nel campo di velocità dove raggiunge i più alti valori di rendimento. Per questo motivo un gruppo power split non può coprire l’intera gamma di velocità del trattore e deve essere accoppiato a un riduttore di gamme. Quanto più piccola è la quota di potenza trasmessa dal variatore tanto più elevati sono l’efficienza e il numero di rapporti richiesti per le gamme. Il lockup point è un punto cruciale nel funzionamento e la trasmissione deve essere realizzata in modo che le velocità corrispondenti a tale punto siano nell’intorno di quelle più utilizzate per quelle condizioni di impiego del trattore che richiedono le più alte potenze di trazione. Infine il rendimento di una trasmissione Cvt è molto sensibile anche ai rendimenti della parte meccanica della trasmissione per cui una particolare cura deve essere rivolta, in fase di progettazione, anche all’ottimizzazione di tutta la catena cinematica.
Cvt transmission: Fendt Vario ML 200
La trasmissione “Vario Ml 200” è quella che venne installata sul modello “Favorit 936 Vario” del 1995, gruppo che di fatto ha lanciato il sistema “Vario” oggi ulteriormente evolutosi e presente in varie configurazioni su tutti i trattori Fendt. Il cuore della trasmissione era costituito da un sistema elettronico di controllo che rendeva il trattore molto facile da usare offrendo, allo stesso tempo, funzionalità del tutto nuove. Il comando era effettuato con la leva multifunzione; per avviare il trattore da fermo era sufficiente muovere la leva in avanti e mantenerla premuta fino al raggiungimento della velocità desiderata mentre per rallentare la velocità bisognava muovere la leva indietro e per invertire il senso di marcia la leva doveva essere mossa da destra a sinistra.
Da un punto di vista concettuale “Vario Ml 200” operava e opera ancora oggi, sulla base del power split controllato in uscita con potenza trasmessa per via idrostatica pari al cento per cento in fase di avviamento e a velocità prossima a zero. La stessa potenza idrostatica si annulla invece alle velocità massime di ciascuna delle due gamme, con la “L” che raggiunge una velocità di 32 chilometri/ora e la “H” i 50 chilometri/ora, velocità sempre corrispondenti al lockup point. In campo il trattore lavora in gamma “L” e non si presentano necessità di cambio gamma, mentre su strada il trattore lavora con la gamma “H”. In condizioni particolari quali, per esempio, una ripida salita da affrontare con un rimorchio pesante al seguito, viene richiesto il passaggio alla gamma “L”.
Per questo motivo è presente la funzione “Automatic shift on the go” che permette il cambio gamma in movimento alla velocità prossima ai 20 chilometri/ora. Le velocità in retromarcia sono ottenute sfruttando la funzionalità del variatore in entrambi i sensi senza ricorrere a un inversore e dato che la potenza trasmessa per via idrostatica alle basse velocità è molto elevata, la cilindrata richiesta per la pompa e per il motore è maggiore di quelle utilizzate in altre trasmissioni Cvt. Questo problema spinse la Casa a sviluppare componenti specifiche.
Ciò portò alla realizzazione di una pompa e di un motore a corpo orientabile che raggiungono l’angolo di 45 gradi e alla installazione di due motori idraulici operanti in parallelo. Come accennato, dopo “Vario Ml 200” Fendt realizzò altre trasmissioni per trattori di potenza inferiore a partire dalla famiglia” 700” per scendere fino agli specialistici della serie “200”. Il sistema della pompa e del motore a corpo orientabile è stato però utilizzato per tutte le trasmissioni, fermo restando che per i trattori di media o bassa potenza è stato previsto un motore singolo.
Nel complesso, si può affermare che lo schema meccanico della trasmissione Fendt trova il suo momento di complessità nella pompa e nei due motori idrostatici risultando invece estremamente semplice e razionale a livello costruttivo in quanto realizzato con un numero minimo di componenti. La curva del rendimento della trasmissione emersa a seguito di test condotti da Dlg evidenzia inoltre valori poco inferiori all’85 per cento nel campo di velocità compreso tra i cinque e i 20 chilometri/ora tendendo a essere penalizzato alle basse e alle alte velocità causa l’elevata quota di potenza trasmessa per via idrostatica.
Steyr S-Matic
Nel corso degli Anni 90 molte altre aziende portarono avanti progetti di trasmissione a variazione continua, con l’austriaca Steyr che presentò un concept nel 1994 poi trasformatosi nella trasmissione “S-Matic” dopo che l’attuale gruppo Cnh acquisì la divisione trattori e il gruppo Zf la divisione trasmissioni. Obiettivo dei progettisti austriaci fu quello di mantenere quanto più elevata possibile la percentuale di potenza trasmessa per via meccanica e ciò con un sistema power split con controllo in ingresso atto a limitare la potenza trasmessa per via idrostatica a un massimo del 50 per cento. All’uopo sono previste quattro gamme, un gruppo idrostatico convenzionale, del tipo a piattello con pompa e motore “back to back”, cioè in corpo unico, e un inversore realizzato con un gruppo planetario installato in coda alle gamme.
Lo schema della trasmissione mostra un gruppo epicicloidale a cinque alberi seguito da due epicicloidali standard con le gamme innestate per via meccanica mediante uno specifico manicotto che entra in azione quando i due elementi da innestare ruotano alla stessa velocità. Il sistema non dà origine a discontinuità di potenza nel passaggio di gamma né a sovrapposizioni di velocità tra due gamme contigue e l’intero gruppo del variatore, definito “cartridge”, che può essere rimosso dal lato destro della trasmissione senza la necessità di dover separare il motore dalla trasmissione.
Ciò in quanto il cartridge è staffato su una sorta di grossa flangia che funge da coperchio laterale della scatola cambio. La curva del rendimento si presenta come successione di quattro curve, ciascuna corrispondente a una singola gamma ed è superiore all’80 per cento per tutto lo spettro delle velocità superiori ai quattro chilometri/ora.
La trasmissione, montata sia su modelli a marchio Steyr sia a marchio Case Ih, vanta tra le sue funzionalità più interessanti il sistema “Active Hold Technology” che permette di mantenere fermo il trattore in salita o in discesa senza intervenire sui freni mediante un controllo elettronico che interviene sul variatore per generare una coppia motrice uguale a quella necessaria per trattenere ferma la macchina.
Cvt transmission: Zf Eccom 1.5
Prima di acquisire la divisione trasmissioni di Steyr il gruppo Zf aveva portato avanti il progetto di una famiglia di cambi a variazione continua per trattori di potenze diverse, tutti basati sugli stessi principi. Il cvt “Eccom 1.5” copriva potenze fino a 150 cavalli, “Eccom 1.8” fino a 180 cavalli e “Eccom 3.0” fino a 300 cavalli. Il primo gruppo montato su un trattore prodotto in serie fu “Eccom 1.5” installato sul trattore Deutz-Fahr “Agrotron Ttv” accoppiato a un assale posteriore sviluppato e prodotto dalla stessa Deutz-Fahr, un gruppo adattato al Cvt dando particolare attenzione alle riduzioni delle perdite energetiche, soprattutto quelle generate dai freni e dal gruppo pignone/corona.
Eccom 1.5 é concettualmente vicino al progetto Steyr “S-Matic” ma innesta le quattro gamme mediante frizioni multidisco a bagno d’olio, la potenza trasmessa per via idrostatica é inferiore al 40 per cento nel punto di massimo e l’inversore è montato a valle del gruppo gamme con due frizioni multidisco a bagno d’olio. La trasmissione offre inoltre tre diverse strategie di funzionamento selezionabili dall’operatore con quella automatica che vede la velocità di avanzamento regolata attraverso il pedale dell’acceleratore o mediante il comando acceleratore a mano e mantenuta costante. Il sistema elettronico adegua il regime motore e il variatore del Cvt in funzione del carico per ottenere la velocità di avanzamento impostata.
È la modalità di lavoro ideale per l’utilizzo in trasporto, a differenza della modalità “Pto” che interviene invece in automatico quando si inserisce la presa di forza per operare con attrezzature che richiedono un regime costante del motore. A chiudere la modalità manuale, utilizzo tradizionale in cui il regime motore è impostato con l’acceleratore, a pedale o a mano, e il rapporto di trasmissione è impostato con un manipolatore. In aggiunta é disponibile la funzione “Stop&Drive” che permette di mantenere fermo il trattore in pendenza, anche con carico, senza azionare i freni. Zf rese disponibile sul mercato la trasmissione quasi in contemporanea con il lancio di “Agrotron ttv” tant’è che di lì a poco anche John Deere fece esordire i suoi primi Cvt, i modelli “6000 AutoPowr”, ma dotati di cambio Zf “Eccom 1.8”. Da quel momento molti altri Costruttori iniziarono a offrire trattori di alta potenza equipaggiati con trasmissioni continue Zf opportunamente personalizzate in alternativa a quelle power shift, trend che ha portato i gruppi Cvt a diventare protagonisti assoluti sui trattori di alta potenza, dai 200 cavalli in su, e a fungere da opzioni di alta gamma sulle macchine di potenze inferiori.
Trasmissione cvt : storia, funzione, tecnologia
Autore: Mario Mazzini
