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Durante lo spostamento, i veicoli sono influenzati da diverse forze di resistenza, come la forza di attrito derivante dall'interazione con la superficie stradale. Pertanto, i veicoli devono accumulare la potenza necessaria per superare le forze di resistenza per partire da fermi e accelerare. La resistenza stradale è chiamata resistenza di trazione e la trazione, che supera questa resistenza, crea l'effetto di trazione. Oltre alla resistenza stradale, i veicoli devono resistere alla resistenza dell’aria. Per i camion è particolarmente importante, poiché la resistenza dell'aria è proporzionale all'area della proiezione frontale del veicolo e alla sua velocità elevata alla terza potenza (s^3). Pertanto, i produttori di autocarri devono prestare molta attenzione non solo al cambio e ai parametri del rapporto di trasmissione (min e max), ma anche correlare questi parametri con la potenza, il peso proprio del veicolo, il peso lordo del veicolo, ecc. Quando si sceglie il cambio per un veicolo, gli specialisti tengono conto del rapporto peso/potenza, ovvero il rapporto tra la potenza massima del motore e il suo peso lordo.
Le caratteristiche del cambio hanno un effetto significativo sull'efficienza del carburante. Aziende rinomate come Eaton, Allison, ZF sviluppano continuamente nuove soluzioni di cambio che offrono vantaggi significativi ai proprietari di camion commerciali. Va notato che le prestazioni della trasmissione dipendono dalle condizioni stradali, dal ciclo di funzionamento del motore (lunghi periodi di guida a velocità costante o da frequenti fermate e partenze), dalla velocità media del veicolo, ecc.
I camion variano notevolmente in termini di dimensioni, potenza e configurazione; le varietà più piccole possono essere meccanicamente simili ad alcune automobili passeggeri. Questi veicoli possono essere molto grandi e potenti e possono essere configurati per adattare attrezzature specializzate, come nel caso dei camion dei pompieri, delle betoniere e degli escavatori a risucchio. I camion moderni sono in gran parte alimentati da motori diesel, sebbene negli Stati Uniti, in Canada e in Messico esistano camion di piccole e medie dimensioni con motori a benzina. I camion moderni sono progettati per percorrere lunghe distanze. Pertanto, questi veicoli dovrebbero essere dotati di cambi molto affidabili e durevoli.
La trasmissione del camion è una combinazione di unità interconnesse, che aiutano a trasmettere la coppia del motore alle ruote motrici. Inoltre, il valore della coppia e la sua direzione possono essere modificati in base ad altri fattori. Le trasmissioni di diverse marche e modelli di camion hanno le loro peculiarità, che sono determinate da fattori quali il numero di assi motori, le caratteristiche di progettazione individuali del veicolo, ecc. Le trasmissioni manuali standard per camion includono necessariamente componenti come frizione, cambio, albero di trasmissione, trasferimento caso.
Per quanto riguarda la coppia, che viene trasmessa con l'ausilio della trasmissione alle ruote anteriori del camion, è direttamente proporzionale ai rapporti di trasmissione. I rapporti del cambio sono determinati dagli ingegneri per ciascun particolare veicolo durante il processo di sviluppo. Il valore della coppia è determinato dalle caratteristiche tecniche e dinamiche, che dovrebbero essere implementate nel modello in fase di sviluppo.
Strisciare attraverso strette aree urbane nel traffico con frequenti stop and go, muoversi attraverso le tracce di pneumatici di un cantiere edile fangoso o rotolare attraverso i rifiuti residenziali: l'applicazione mirata di camion o veicoli commerciali di Classe 6 - 8 può stabilire requisiti specifici per i cambi rispetto ai loro omologhi autostradali. Tuttavia, ciò non ha fermato la tendenza generale all’automazione dei camion e dei veicoli commerciali, che ha interessato soprattutto i cambi.
Il cambio manuale è testato da decenni da milioni di camionisti commerciali, che considerano questa soluzione la più adatta per gli autocarri: i cambi manuali sono semplici, relativamente economici sia nella produzione che nella manutenzione, e garantiscono un ridotto consumo di carburante. Tuttavia, i cambi manuali presentano uno svantaggio significativo, che può oscurare tutti i meriti sopra menzionati e suscitare il dispiacere degli automobilisti: il cambio manuale delle marce e la manipolazione simultanea dei pedali possono essere piuttosto fastidiosi, soprattutto nel traffico cittadino. Non c'è da stupirsi che oggigiorno i produttori di camion, con le ultime tecnologie a loro disposizione, cerchino di soddisfare le esigenze dei conducenti e di rendere il processo di cambio marcia più comodo e sicuro. Secondo numerosi lavori di ricerca, Il Nord America sta seguendo l’Europa nella tendenza “shiftless” poiché i cambi manuali automatici e automatizzati continuano a guadagnare popolarità nel segmento dei camion commerciali. Le ragioni includono una maggiore efficienza del carburante, una più facile selezione e produttività dei conducenti rispetto ai manuali, oltre a una maggiore sicurezza.
Sui piccoli camion potresti trovare cambi manuali che ricordano le soluzioni di cambio applicate nelle autovetture. Spesso hanno circa sei marce e comunemente hanno un sincronizzatore. Per questi camion il semplice schema ad H è facile da usare. Tuttavia, la situazione diventa un po’ più complicata quando si ha a che fare con camion più grandi e veicoli commerciali con più marce. Su questi camion più grandi sono solitamente presenti controlli aggiuntivi per aiutare a gestire il controllo delle diverse marce. Nei camion più vecchi, il controllo è spesso una leva separata montata sul pavimento o, più recentemente, un interruttore pneumatico montato sulla leva "H"; nei camion più recenti il controllo è spesso un interruttore elettrico montato sulla leva "H". I cambi multicontrollo sono costruiti con potenze molto più elevate, ma raramente utilizzano il cambio sincronizzato. Esistono diverse alternative comuni per lo schema di cambio: Range, Splitter, Range-Splitter. I cambi manuali dei camion di oggi sono più comunemente "splitter di gamma".
Le moderne trasmissioni automatiche presentano differenze significative rispetto ai loro predecessori, utilizzati nei camion commerciali. La differenza principale risiede nella quantità di gamme di marce e nel principio stesso di controllo della trasmissione del camion. Il numero di marce nei vecchi cambi automatici era limitato a 5 e il controllo veniva effettuato con l'aiuto dell'idraulica. Oggigiorno i produttori di cambi offrono cambi automatici con più di 5 marce, controllati tramite elettronica. Inoltre, i moderni cambi automatici sono dotati del blocco del convertitore di coppia.
L'elenco dei vantaggi dei moderni cambi automatici per camion commerciali comprende un processo di cambio marcia fluido. Il consumo di carburante sulle strade extraurbane è paragonabile al livello di consumo quando si utilizza il cambio manuale. La trasmissione automatica consente agli autisti di guidare il camion in modo più semplice e sicuro, prestando maggiore attenzione alla strada e non essendo distratti dal cambio marcia manuale. I principali svantaggi competitivi dei cambi automatici per camion commerciali sono l’aumento del consumo di carburante, la manutenzione e i problemi della trasmissione automatica che comportano costosi servizi di riparazione.
La trasmissione manuale automatizzata (AMT) è considerata un'altra promettente soluzione di trasmissione per camion e veicoli commerciali. Gli AMT sono simili alle trasmissioni manuali in termini di capacità funzionali e principi operativi. Si può dire che l'AMT è quasi uguale al cambio manuale, ma include azionamenti servo e idraulici, che controllano il funzionamento della frizione e il processo di cambio marcia. Gli AMT sono notevoli per la loro efficienza. Inoltre, le trasmissioni automatizzate non sono così costose in termini di manutenzione e riparazione come le trasmissioni automatiche, e il consumo di carburante delle trasmissioni automatizzate è compatibile con il livello dei cambi manuali (a volte gli AMT possono comportare un risparmio di carburante ancora maggiore). Se i camion con cambio automatico sono facili da usare, ma richiedono spese considerevoli per carburante e servizi, i camion con AMT risultano non solo convenienti ma anche economicamente sostenibili.
Tuttavia, va notato che quando si cambia cambio manuale o AMT e si innesta la frizione, la coppia del motore viene interrotta e la potenza non viene trasferita dalla trasmissione alle ruote. In una trasmissione completamente automatica, il convertitore di coppia consente di cambiare marcia senza interrompere la coppia trasmessa dal motore alle ruote.
Poiché i cambi automatici e le soluzioni AMT stanno gradualmente eliminando le opzioni di cambio manuale dal mercato delle trasmissioni per camion e veicoli commerciali, esamineremo questi tipi di cambi in modo più dettagliato.
La trasmissione automatica comune comprende il convertitore di coppia, la parte meccanica, il sistema di controllo e i meccanismi ausiliari. Il convertitore di coppia funge da meccanismo di trasmissione idraulico, in cui la potenza viene trasferita dal flusso di ATF. Il convertitore di coppia è costituito dalla girante della pompa, dal girante della turbina e dal motorino di avviamento. Il meccanismo di bloccaggio garantisce un migliore risparmio di carburante. Il convertitore di coppia fornisce il collegamento tra motore e cambio, riduce i carichi dinamici, impedisce l'arresto del motore in caso di sovraccarico e aumenta la coppia del motore quando si parte da fermo e in condizioni stradali difficili.
Le trasmissioni automatiche hanno 3 ingranaggi planetari e frizioni a frizione, che assicurano il processo di cambio marcia. Il valore del rapporto di trasmissione cambia gradualmente senza interrompere il flusso di potenza. Il cambio di marcia viene eseguito dal sistema di controllo in modalità automatica. Molti modelli di cambio automatico sono dotati di rallentatore idrodinamico, che serve a rallentare il veicolo e ridurre l'usura delle pastiglie dei freni. Il rallentatore viene solitamente installato nelle trasmissioni automatiche degli autobus e nei macchinari e veicoli che operano in zone montane. Le avanzate unità di controllo elettronico (ECU) delle trasmissioni automatiche garantiscono un'elevata adattabilità alle condizioni stradali e allo stile di guida e consentono l'implementazione di funzioni aggiuntive. Su richiesta del cliente, il cambio automatico può essere equipaggiato con il cambio automatico a pulsante o a leva.
Allison Transmission, uno dei maggiori produttori mondiali di trasmissioni automatiche per camion e veicoli commerciali, equipaggia le sue soluzioni di trasmissione con il sistema di diagnostica delle trasmissioni per camion denominato Prognostics, che consente al conducente di monitorare lo stato dei principali componenti del veicolo. La funzione Oil Life Filter controlla il consumo di carburante, risparmiando carburante durante la guida e durante il funzionamento al minimo del motore. La funzione Filter Life Monitor informa il conducente della necessità di sostituire il filtro della trasmissione. La funzione Transmission Health Monitor monitora lo stato dei circuiti di trasmissione e avverte il conducente della necessità di una manutenzione e una regolazione tempestive.
Oggi Allison Transmission offre un'ampia gamma di soluzioni di trasmissione per camion e veicoli commerciali (modelli di trasmissione delle Serie 1000, 2000, 3000 e 4000). Un'altra soluzione di trasmissione automatica TC10 è stata progettata da Allison per i veicoli di trazione. Le trasmissioni Allison della serie Torqmatic sono utilizzate per gli autobus. Gli autocarri pesanti, utilizzati nell'industria mineraria e nell'edilizia, sono spesso dotati di trasmissioni Allison serie 5000, 6000, 8000 e 9000.
Volvo, un noto produttore di autocarri, fornisce anche soluzioni efficienti di trasmissione automatica, come Powertronic. IL Powertronic è un cambio completamente automatico a 6 velocità con controllo elettronico, progettato per movimenti con frequenti operazioni di stop-start. La trasmissione del camion Powertronic è dotata di convertitore di coppia per garantire un'elevata forza propulsiva nelle partenze da fermo senza alcuna interruzione della coppia trasmessa alle ruote motrici. Pertanto, questa trasmissione è un'opzione ideale per i camion Volvo che operano nei cantieri edili e nel traffico urbano.
L'azienda Voith offre la famiglia di cambi automatici denominata DIWA, destinata agli autobus urbani ed extraurbani. La caratteristica principale di queste trasmissioni automatiche è che la coppia del motore viene trasmessa sia meccanicamente che idraulicamente. La partenza da fermo avviene idraulicamente e man mano che la velocità di movimento aumenta l'intervento idraulico viene gradualmente sostituito dalla parte meccanica. Va notato che la potenza del motore viene divisa prima dell'inserimento del convertitore di coppia e combinata successivamente. Pertanto, il convertitore di coppia e due ingranaggi planetari formano il primo ingranaggio idromeccanico. Pertanto, la trasmissione DIWA funziona con elevata efficienza in un'ampia gamma di velocità, garantendo partenze fluide da fermo e accelerazione costante. Quindi, il sistema di trasmissione attiva il trasferimento della coppia puramente meccanico, che funziona con minori perdite. Il convertitore di coppia funziona contemporaneamente come rallentatore idraulico, garantendo l'attivazione immediata del freno idraulico indipendentemente dalla marcia inserita.
L'elevata efficienza di questa trasmissione è ottenuta grazie alla combinazione "convertitore di coppia differenziale". Mentre le comuni trasmissioni automatiche cambiano marcia 2-3 volte all'inizio, Voith DIWA continua a utilizzare la 1a marcia, innestando contemporaneamente il convertitore di coppia e le parti meccaniche della trasmissione del camion. Pertanto un minor numero di turni rende il movimento dell'autobus più fluido e riduce l'usura dei dischi di attrito. Il convertitore di coppia nel DIWA si trova al centro del cambio, tale posizionamento ha contribuito a eliminare tubi e tubi di collegamento eccessivi.
L'azienda tedesca ZF offre anche straordinarie soluzioni di trasmissione per camion e veicoli commerciali. Ad esempio, il cambio automatico a 6 marce ZF EcoLife è destinato a camion e autobus. Questa trasmissione è dotata di un efficiente sistema di raffreddamento, che consente di operare in condizioni di temperatura più severe quando la temperatura dell'olio della trasmissione nello scambiatore di calore raggiunge i 120°C. Inoltre, gli ingegneri ZF hanno utilizzato qui il convertitore di coppia con tassi di accelerazione più elevati quando il parametro RPM del motore è basso. Lo smorzatore di vibrazioni di coppia integrato riduce il consumo di carburante nelle partenze da fermo disattivando rapidamente il blocco del convertitore di coppia.
Un altro cambio automatico a 6 velocità ZF-PowerLine, destinato ai veicoli commerciali leggeri, si distingue per il risparmio di carburante grazie ad un convertitore di coppia avanzato. Da notare che il convertitore di coppia del cambio automatico nei cambi ZF viene utilizzato all'inizio del movimento e smette di funzionare quando l'auto accelera fino alla velocità di 10-15 km/h. in questo caso non è necessario utilizzare la 1a marcia “prolungata”. La famiglia di trasmissioni ZF Ecomat è stata specificatamente progettata per autobus urbani e veicoli speciali.
Oggi l'elettronica gioca un ruolo importante nel controllo dei diversi sistemi implementati nei camion. Attualmente il microprocessore regola il funzionamento non solo dell'accensione del motore, ma anche della frizione e del cambio. Il vantaggio principale del controllo elettronico rispetto alle opzioni meccaniche, idrauliche o pneumatiche è una migliore reattività e la possibilità di combinare un gran numero di parametri. È possibile modificare diverse modalità operative riconfigurando il software, anziché apportare modifiche al progetto della trasmissione. Pertanto, l’elettronica garantisce un funzionamento più economico del veicolo e un’esperienza di guida più sicura. Pertanto, sempre più autocarri (soprattutto autocarri pesanti) sono dotati di trasmissioni manuali automatizzate. Molte persone confondono questo tipo di trasmissione con la soluzione di cambio automatico, ma le trasmissioni automatiche, a differenza dell'AMT, sono dotate di convertitori di coppia.
La progettazione della trasmissione automatizzata può includere un azionamento elettromeccanico, elettropneumatico o elettroidraulico, che converte i segnali ricevuti dall'unità di controllo elettronico (ECU) in uno spostamento angolare della forcella della frizione. L'AMT stesso è dotato di motore elettrico con servoazionamento, che muove la forcella della frizione. Questa soluzione tecnica apparentemente semplice è controllata da un complicato software che elabora i segnali provenienti dalla leva del joystick, situata nella cabina del camion, quando il conducente cambia marcia. Pertanto, nella cabina del camion dotato di AMT ci sono solo due pedali: gas e freno. Questa trasmissione per autocarri è apparsa alla fine degli anni '90 e inizialmente questa tecnologia veniva percepita con diffidenza dagli autisti. Inoltre, a quei tempi, le trasmissioni automatizzate erano notevolmente più costose delle trasmissioni manuali. Ma oggigiorno, con lo sviluppo di tecnologie più avanzate ed efficienti in termini di costi, sempre più camion sono dotati di trasmissioni automatizzate. Eaton è stata la prima azienda sul mercato delle trasmissioni automatizzate con la trasmissione AutoShift lanciata negli anni '90. Da allora, il portafoglio di prodotti Eaton è stato integrato con l'UltraShift di gamma media a 6 velocità e con gli UltraShift Plus pesanti a 10, 11, 13 e 18 velocità.
La trasmissione meccanica automatizzata (AMT) sta guadagnando popolarità nell'industria automobilistica, grazie alla combinazione dei vantaggi delle trasmissioni meccaniche e delle trasmissioni automatiche in termini di consumo di carburante, basso costo, migliore comfort di guida e qualità del cambio. Al giorno d'oggi, le trasmissioni manuali automatizzate per autocarri sono prodotte da una vasta gamma di aziende: ZF, Volvo, Daimler AG, Eaton, Mack, Detroit Diesel, Mercedes, Man, ecc. Diamo ora uno sguardo più da vicino alle straordinarie soluzioni AMT offerte da queste aziende.
Volvo Trucks offre il cambio manuale automatizzato a 6 velocità I-Sync, destinato ai camion Volvo FL. Questa trasmissione per camion è appositamente progettata per il motore D7 e per la circolazione su strade urbane e aree suburbane. La trasmissione elettroidraulica garantisce cambi di marcia fluidi durante la guida nel traffico cittadino intenso con fermate frequenti . La trasmissione I-Sync è disponibile in due versioni: per motore D5K e per motore D8K. La leva, montata dietro il volante, permette al conducente di selezionare la modalità di cambio marcia manuale o automatica. Nei camion con trasmissione I-Sync non è presente il pedale della frizione: il cambio marcia manuale viene effettuato con l'aiuto della leva sopra menzionata. Nella modalità automatica, la trasmissione I-Sync cambia marcia in modo indipendente nel momento scelto. La capacità di coppia di questa trasmissione può raggiungere fino a 1.050 Nm, rendendo la trasmissione I-Sync un'opzione ideale per i camion che operano nelle aree urbane.
Un'altra nota soluzione AMT sviluppata da Volvo Trucks è la trasmissione I-Shift. Questa trasmissione si basa su un cambio manuale a presa costante. Il componente principale di questa trasmissione "intelligente" è l'unità di controllo elettronico (ECU), che controlla il funzionamento della frizione della trasmissione e il processo di cambio marcia. L'ECU cambia marcia in modo molto accurato grazie all'analisi dei dati su velocità del camion, peso, coppia richiesta, pendenza della strada e altri parametri. Il sistema scambia inoltre dati con il motore che, a sua volta, regola il regime di giri e il freno motore per la massima efficienza. Questa soluzione di trasmissione è progettata per risparmiare fino al 5% di carburante. Questa trasmissione automatizzata può avere una o due marce di riduzione della velocità, nonché l'opzione con retromarce aggiuntive. I riduttori di velocità migliorano significativamente la capacità di avviamento da fermo, riducono il carico sulla frizione al 75% e aiutano ad evitare ulteriori interventi di riparazione.
Mack Trucks offre trasmissioni automatizzate mDrive (12 velocità) e mDrive HD (varianti a 13 e 14 velocità) destinate a diversi modelli di camion Mack.
Le trasmissioni per autocarri Mack sono sviluppate per funzionare senza problemi con i motori e gli assali Mack MP, quindi non ci sono problemi di compatibilità o prestazioni. Con materiali durevoli, funzionamento semplice e produzione americana, queste soluzioni di trasmissione garantiscono non solo un cambio di marcia efficiente, ma anche un risparmio di carburante, un'usura ridotta e un'esperienza di guida confortevole.
Detroit Diesel Corporation, una filiale di Daimler Trucks North America (a sua volta interamente controllata dalla tedesca Daimler AG), offre il cambio manuale automatizzato DT12 destinato agli autocarri pesanti. Questa trasmissione per camion garantisce prestazioni di cambio marcia fluide, durata e facilità d'uso.
La trasmissione DT12 collega il motore agli assali e comunica con DD13 e DD15 su una rete elettronica integrata per condividere dati che riducono i danni come il sovraccarico della frizione della trasmissione e la protezione della trasmissione. Il DT12 utilizza le informazioni provenienti da una mappa topografica per manipolare le funzioni del motore e del cambio, sfruttando l'ambiente circostante il camion.
La famiglia di trasmissioni automatizzate Mercedes-Benz PowerShift comprende diversi modelli di trasmissioni. Il processo di cambio marcia nei camion dotati di PowerShift a 12 velocità viene implementato in modo rapido e fluido. Questa trasmissione ha una modalità di "manovra" e marce per il traffico della linea principale ad alte velocità e un basso numero di giri. I camion di linea Mercedes-Benz Actros sono dotati della versione aggiornata PowerShift 2. Grazie all'uso del sistema di sensori avanzato, le marce vengono cambiate più rapidamente e senza intoppi. I camion da costruzione Mercedes-Benz Actros sono equipaggiati con il cambio AMT PowerShift Off-road a 12 velocità, che offre diverse modalità di funzionamento e 4 retromarce. Il design di questo cambio comprende anche un sensore di inclinazione e un avanzato sistema di partenza dolce da fermo. Il cambio AMT PowerShift GO 240-8 a 8 velocità è installato sugli autobus turistici Mercedes-Benz Travego e Tourismo.
MAN Nutzfahrzeuge Gruppe produce trasmissioni automatizzate TipMatic, che creano una perfetta sintesi di comfort ed efficienza. La trasmissione TipMatic a 12 velocità con modalità “fuoristrada” e 2 retromarce è stata progettata per gli autocarri pesanti TGX e TGS.
Questa trasmissione automatizzata può avere una marcia diretta o una marcia overdrive. Le modalità di funzionamento vengono selezionate con l'aiuto del commutatore sulla console centrale, mentre le marce vengono cambiate tramite la leva del cambio sottosterzo. La trasmissione TipMatic può essere equipaggiata con il rallentatore MAN PriTarder o con l'intarder ZF. Su richiesta, TipMatic può essere equipaggiato con programmi di controllo speciali: Profi (modalità di cambio manuale kick-down), Fleet (per guidatori inesperti).
Nonostante siano sempre più numerosi i produttori di autocarri che preferiscono installare nei loro prodotti trasmissioni automatiche o automatizzate, le trasmissioni manuali detengono ancora una quota significativa nel segmento dei camion commerciali. Ci sono ancora molti estimatori di soluzioni di trasmissione manuale affidabili e a prezzi ragionevoli, a cui piace essere responsabile del processo di cambio marcia con l'aiuto del cambio manuale del camion. Le trasmissioni a dieci velocità rimangono il tipo manuale più comune per i camion pesanti autostradali, sebbene le trasmissioni a 13 e 18 velocità siano popolari tra i camionisti a lunga percorrenza e siano comunemente applicate con motori ad alta potenza. I camion utilizzati nell'edilizia e in altre attività tendono ad avere cambi "ridotti-ridotti" a 11 velocità con tre gamme di rapporti invece dei due delle trasmissioni autostradali. Aziende rinomate come Eaton, ZF e Volvo non rinunciano alle opzioni di cambio manuale per camion e veicoli commerciali. L'adozione di trasmissioni completamente automatiche e AMT nei camion è stata guidata in gran parte dalle richieste di comfort e praticità da parte dei conducenti, nonché da problemi di sicurezza. Pertanto, è difficile fare previsioni accurate per un settore così hi-tech, in cui le aziende investono grandi sforzi e ingenti risorse finanziarie per sviluppare soluzioni tecniche estremamente complicate che 10 o 15 anni fa sembravano incredibili. Chissà, forse in un futuro non troppo lontano tutte le operazioni commerciali saranno effettuate da camion a guida autonoma.