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ITALIA ON THE ROAD

Il cambio di velocità nei motori Ducati

di Stefano Ferrigno

 

E' senz’altro lo strumento di maggior godimento del ducatista e del motociclista in generale: parliamo di quella piccola leva posta sotto al piede sinistro, il cui uso permette di scatenare la coppia del bicilindrico Desmo. Il cambio di velocità è un dispositivo che per molti fa parte dell’uso comune, ma che per alcuni è ancora avvolto da un po' di mistero, per la sua complessità e al contempo delicatezza. In realtà, forse non tutti sanno il perché della sua presenza, anzi, della sua necessità. Il punto è che il nostro bicilindrico, e più in generale qualsiasi motore a combustione interna, è una macchina imperfetta, poiché le sue prestazioni variano in maniera sensibile al mutare del regime di rotazione. Ciò avviene nell’intervallo compreso tra il regime di minimo e quello di potenza massima. Il primo è appunto il minimo numero di giri necessario per mantenere il motore in funzione, superando tutte le resistenze interne. La potenza massima, invece, è corrispondente al massimo regime di rotazione nel quale viene erogata una coppia utile: in sostanza, risulta sconveniente prolungare oltre tale punto l’erogazione di carburante, perché il rendimento globale cala vertiginosamente. In parole povere, ogni motore a combustione interna ha solo un determinato arco di utilizzo e questo si riduce quanto più sono alte le prestazioni del propulsore, motivo per cui i veicoli da competizione hanno un’erogazione ristretta nell’arco di pochissimi giri (ovviamente in prossimità della potenza massima). In particolare, come molti sanno, possono essere individuati tre regimi caratteristici nell’erogazione, spesso facilmente identificabili nei relativi diagrammi, sufficienti a valutare le prestazioni di un propulsore: sono i regimi cosiddetti di coppia massima, potenza massima e minimo consumo specifico. I primi due sono sempre riportati tra le caratteristiche tecniche di un veicolo, mentre l’ultimo è spesso trascurato, in quanto ritenuto meno importante dai più, pur essendo altrettanto significativo. Fissati questi tre capisaldi, le migliori prestazioni si raggiungono qualora il propulsore venga adoperato in un intervallo di giri compreso tra il regime di coppia massima e quello di potenza massima. Il numero di giri ottimale di utilizzo è poi prossimo a quello di minimo consumo specifico (in tali condizioni il propulsore realizza il massimo rendimento). Con tali premesse è chiaro come, volendo sfruttare al massimo le potenzialità del motore, occorra adeguare la velocità di avanzamento del veicolo alla diversa entità delle resistenze incontrate sulla strada. Il che vuol dire che, qualunque sia la velocità con cui procede il mezzo, sia che si trovi in salita piuttosto che in discesa, a 30 Km/h come a 130 Km/h, è necessario mantenere il regime di rotazione del motore entro quella banda di giri prestabilita. Se il propulsore fosse collegato direttamente all’asse motore come avveniva nei vecchi ciclomotori monomarcia (dove una volta innestata la frizione automatica la ruota seguiva, con adeguata demoltiplica, né più né meno le vicende del piccolo motore), a patto di scegliere un conveniente rapporto di trasmissione, il mezzo potrebbe raggiungere una velocità molto limitata con grande accelerazione, oppure una velocità più elevata con minor accelerazione. Poiché ogni buon motociclista aspira a ottenere entrambe le cose, si rende indispensabile interporre tra il propulsore e l’asse motore un cambio di velocità. In buona sostanza, si tratta di avere una serie di diversi rapporti di trasmissione da adottare in funzione delle diverse condizioni del percorso e delle prestazioni richieste. I diversi rapporti devono poi essere ovviamente spaziati tra loro in modo da non far scendere il motore al di sotto del regime di utilizzo ottimale in seguito ai cambi marcia (manovra che, ovviamente, dipenderà dalla bravura del pilota). Come ben sappiamo, la riduzione della velocità del motore viene attuata mediante ingranaggi di diverso diametro a seconda del rapporto di trasmissione desiderato: ciò poiché trasmettere il moto da una ruota più piccola a una più grande permette di ridurre la velocità di rotazione e viceversa. Il cambio contempla quindi una serie di ruote dentate la cui combinazione permette di ottenere, solitamente, da un minimo di quattro a un massimo di sette rapporti. Nell’ultimo trentennio, sui bicilindrici Ducati è sempre stato adottato un cambio a cinque rapporti sui motori di minori prestazioni (eccezion fatta per i “piccoli” 350 e 400) e a sei rapporti su quelli di cilindrata maggiore. Accoppiando tra loro ruote dentate di differente diametro è allora possibile ottenere vari rapporti di trasmissione, demoltiplicando o, in casi particolari, moltiplicando addirittura la velocità di rotazione del motore. Al riguardo, occorre notare che, il più delle volte, la velocità finale della ruota motrice è sempre inferiore a quella dell’albero motore, dal momento che quest’ultima viene ridotta attraverso la cosiddetta trasmissione primaria, interna al motore, e dalla trasmissione finale, costituita dal gruppo pignone-catena-corona o dalla coppia conica del giunto cardanico. Ogni coppia di ruote dentate ingranante fra loro è caratterizzata da un parametro detto rapporto di trasmissione. Tale numero è univocamente determinato dal rapporto tra i diametri delle due ruote, ovvero del numero di denti: si dice ruota conduttrice quella che riceve il moto da monte e lo trasmette all'altra, detta ruota condotta. Un ingranaggio costituito da due ruote, una col doppio di denti dell’altra, avrà pertanto un rapporto di trasmissione pari a 2:1. Al riguardo, non tutti sanno che per quanto riguarda la trasmissione della coppia, laddove la velocità viene ridotta da un ingranaggio secondo un determinato rapporto di trasmissione, la coppia viene aumentata in maniera proporzionale. Dunque, un ingranaggio demoltiplicatore della velocità assume anche la funzione complementare di moltiplicatore di coppia. Dal momento che, come si è detto, nel trasmettere il moto alle ruote la velocità del propulsore viene sempre ridotta sensibilmente, è evidente che la coppia trasmessa sarà elevata, e andrà riducendosi durante la marcia con l’inserimento dei rapporti superiori, in grado però di sviluppare progressivamente maggiori velocità. Ecco perché le cosiddette “marce basse” permettono di superare salite assai ripide, di effettuare brusche accelerazioni e (talvolta) di impennare la moto stessa sollevando la ruota anteriore.

 



Nella sua forma più semplice, il cambio è composto da due alberi affiancati che supportano i diversi ingranaggi, denominati albero primario e albero secondario, in ragione della loro sequenza nella catena cinematica dal motore alla ruota motrice. Nella maggioranza dei casi è il secondario ad avere calettato direttamente a una sua estremità il pignone della finale (su cui si avvolge la catena). La tipologia quasi universalmente adottata sulle motociclette che ci interessano è del tipo con cascata di ingranaggi. Questi ultimi sono cioè sempre in presa, ma non vincolati in modo fisso all’albero loro coassiale. In particolare, gli ingranaggi sul secondario sono tutti folli e sono resi solidali all’albero tramite degli elementi scorrevoli a innesti frontali. Questi sono comunemente detti manicotti e sono liberi di scorrere longitudinalmente sull’albero, ma a questo rigidamente connessi nel moto di rotazione. Anche gli ingranaggi delle varie marce sono muniti di dentatura frontale, complementare a quella dei manicotti e, spostando longitudinalmente questi ultimi, è possibile collegare rigidamente all’albero gli ingranaggi altrimenti folli. La dentatura frontale, per evitare lo sgranamento conseguente all’inevitabile differente velocità dell’ingranaggio e del manicotto all’innesto, può talvolta essere dotata di una superficie di attrito tronco conica in grado di eliminare gradualmente la differenza di velocità tra gli elementi in rotazione. Se l’obiettivo è la massima compattezza e leggerezza, tutti gli elementi di cui sopra possono essere eliminati e, come sulle bicilindriche bolognesi di ultima generazione, le dentature frontali sono ricavate direttamente sulle ruote dentate, che possono essere quindi accoppiate direttamente tra loro scorrendo sugli alberi. Come saprà chi ha avuto modo di aprire il basamento della propria Ducati, il movimento di questi ingranaggi è affidato a delle “forchette” opportunamente azionate attraverso un tamburo scanalato collegato a sua volta alla leva del cambio tramite un arpionismo. Sempre al tamburo è collegato un sensore deputato a segnalare la presenza del “folle” (posto tra la prima e la seconda marcia) sul quadro strumenti. Sui motori Ducati meno recenti, il sensore del folle era di tipo elettromeccanico e avvertiva la presenza di un chiodo ribadito sul tamburo selettore delle marce. Da diversi anni a questa parte è stato implementato un moderno ed efficiente sensore a contatto elettrico capace di percepire la presenza sul tamburo di un anello aperto in resina (isolante). Il passaggio di corrente è percepito solo nel punto in cui l'anello è aperto e il contatto avviene con il metallo che compone il tamburo selettore (evidentemente fatto corrispondere al folle). Per quanto concerne l’aspetto progettuale, nonostante l’epoca cui esso risale, il gruppo cambio del bicilindrico di Borgo Panigale ha un’architettura piuttosto moderna, infatti, mentre su alcune motociclette (Harley-Davidson, Moto Guzzi e Bmw) il cambio è un componente separato dal propulsore (come sulle auto), sui motori più sportivi come sui moderni propulsori Ducati il dispositivo è integrato nel blocco motore, con il quale condivide la struttura portante e il sistema di lubrificazione. In sede di progettazione, le problematiche principali sono essenzialmente legate al dimensionamento e alla verifica di due sezioni separate: gli alberi (il primario, il secondario e il tamburo con le relative forchette) e le diverse coppie d’ingranaggi, generalmente costituite da ruote dentate di diametri differenti, ma con le medesime caratteristiche geometriche. Il movimento delle forchette e del tamburo è molto limitato, ma caratterizzato da carichi assai elevati, motivo per cui anche questi particolari sono soggetti a un'usura critica. Per quanto concerne i due alberi rotanti, i carichi cui sono sottoposti variano ovviamente a seconda del rapporto inserito, dato che le diverse coppie di ingranaggi sono disposte lungo il loro asse e ne occupano l'intera lunghezza. Molto delicata è la questione del loro supporto, tramite cuscinetti volventi innestati nelle due metà del carter motore. Le sollecitazioni sono composite e dovute a flessione rotante, oltre che ovviamente a torsione conseguente alla trasmissione della coppia motrice. L’unico accorgimento da adottare in fase di progetto è quello di non trascurare i carichi indotti dal cambio di velocità sulle strutture portanti: è dunque richiesta la determinazione più accurata possibile dell’entità delle spinte sui relativi vincoli, in modo da dimensionare e irrobustire adeguatamente il carter motore nella zona che supporta i due alberi del cambio. In particolare, l’estremità del primario che fuoriesce dal carter e reca il pignone della trasmissione finale deve fare i conti con l’entità e la variabilità del tiro catena, che si somma alle spinte interne. Per tutti questi motivi, a partire dai propulsori Testastretta l'albero secondario è supportato in maniera assai più rigida mediante l'utilizzo di un cuscinetto cilindrico a doppia corona di sfere. La parte più delicata della progettazione, però, riguarda sicuramente i diversi ingranaggi: la geometria caratteristica delle ruote dentate è decisamente complessa e certamente non sarebbe conveniente approfondire in questa sede le diverse problematiche. Per quanto ci riguarda, dunque, basterà ricordare come tutta la coppia erogata dal nostro bicilindrico si trasmetterà in termini di forza tra due denti a contatto, con grande sollecitazione degli ingranaggi. La periodicità dei carichi e la particolare geometria del dente ne rendono critico il dimensionamento a causa dell’insorgere di inevitabili fenomeni di fatica a lungo termine, mentre la lubrificazione, assai critica, può facilmente risultare temporaneamente insufficiente e provocare fenomeni di danneggiamento dei denti anche perché, come si è detto, il cambio è per lo più in blocco con il motore e, pertanto, sfrutta il medesimo lubrificante della parte termica. E' evidente, allora, come sia indispensabile garantire una portata costante e abbondante di olio e una filtrazione efficace dello stesso, oltre ovviamente a un lubrificante di ottima qualità. Ragione per cui gli oli per uso motociclistico devono rispondere a requisiti qualitativi ben superiori rispetto agli equivalenti per l’autotrazione in generale.

 

 



 

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