storia di paul van valkenburgh – foto come accreditato
A volte la domanda più semplice e innocua richiede una spiegazione complessa e impegnativa. Oppure no. Per esempio, diciamo che un bambino di 7 anni chiede: “Papà, da dove vengo?”. E dopo aver sopportato una lunga e tesa spiegazione sugli uccelli e le api, il bambino risponde: “No, voglio dire da quale paese! Recentemente, la domanda di un corridore sulla scelta dei rapporti di trasmissione ha portato a questa analisi delle considerazioni ingegneristiche. La risposta varia davvero molto, a seconda delle esigenze e delle risorse specifiche di ogni individuo, dall’autocrosser amatoriale occasionale ai corridori professionisti su strada – o dalle berline a trazione anteriore di serie con poche opzioni di cambio alle auto da corsa con motore V8 e trasmissioni a cambio rapido.
Se si corre spesso sullo stesso percorso, e la macchina è proprio come l’avete comprata, probabilmente avete scoperto che le marce non corrispondono molto bene alle uscite di curva o ai rettilinei. Forse la seconda marcia è troppo bassa e devi passare subito alla terza, o forse quella marcia è troppo alta e non hai abbastanza coppia. O forse proprio alla fine del rettilineo devi sovraccaricare il motore o salire di marcia solo per un istante prima di frenare.
Hai tre opzioni per migliorare la situazione, anche se le tue strade possono essere limitate dal budget, dalle attrezzature disponibili, o dalle regole dettate dall’ente sanzionatore. Si può cambiare il diametro delle gomme, ma questo di solito ha un effetto minore sul rapporto di trasmissione e un effetto maggiore sulla maneggevolezza e l’altezza di marcia. (La vostra seconda opzione è quella di equipaggiare la vostra auto con una trasmissione a cambio rapido con molti rapporti disponibili in ogni marcia.
Come bonus, questo potrebbe rendere possibile per voi di andare avanti con un solo rapporto differenziale per la maggior parte delle piste. Infine, se ci sono poche o nessuna opzione per la trasmissione, si spera che almeno la trasmissione finale possa essere cambiata per adattarsi alle diverse piste. Tuttavia, questo cambierà il rapporto in ogni marcia dello stesso multiplo, che probabilmente vi sconvolgerà in un’altra curva. Come abbiamo detto, la realtà della situazione può limitare quali di queste scelte potete fare. Molti di noi possono essere limitati solo a un cambiamento della marcia finale o forse alla scelta tra alcuni pignoni di trasmissione diversi. Eppure, c’è sempre speranza.
Economia vs. Potenza
Il rapporto ideale del differenziale di produzione-quegli ingranaggi che si trovano sulle ruote motrici dell’auto-per la strada è il più alto possibile per il risparmio di carburante, con un numero crescente di rapporti di trasmissione per ottenere una buona accelerazione da fermo. Ecco perché alcune scatole manuali possono ora venire con fino a sei velocità, con possibilmente il rapporto superiore è un overdrive. Ma che tu sia un principiante o un professionista, la soluzione ottimale per la competizione sarà sempre la stessa:
In primo luogo, identificare i rapporti che creano la massima area sotto la curva di coppia del motore tra il minimo e il massimo dei giri in ogni segmento di accelerazione o rettilineo; e in secondo luogo, ridurre il carico di lavoro del cambio sul pilota. Il cambio è di solito l’ultima fase della messa a punto di un’auto da corsa, poiché dipende da tutte le velocità di uscita dalle curve e dalle velocità massime in rettilineo, che dipendono dallo sviluppo finale della potenza in curva, dalla frenata e dall’aerodinamica. Non solo il cambio ha poca influenza su questi fattori, ma è una cosa che è relativamente facile da regolare all’ultimo minuto nelle auto da corsa che hanno rapporti a cambio rapido.
È possibile risolvere la questione del cambio ottimale per ogni pista da corsa indovinando e testando – a meno che il corso sia nuovo o non possa essere pre-corsa, come nell’autocross, che considereremo in una barra laterale separata. Ma con molti rapporti disponibili in alcune delle trasmissioni da corsa che possono essere montate sulle grandi auto con motore anteriore e trazione posteriore, il numero di scelte e il costo del tempo in pista rendono importante l’uso di qualche metodo razionale. Diamo prima un’occhiata all’approccio professionale, e poi riduciamolo ad un livello pratico.
Approccio professionale
Figura 1
L’informazione ideale di partenza sarebbe una registrazione delle velocità su ogni specifica pista per un veicolo simile. Da queste, si possono trovare tutte le velocità minime in curva e le velocità massime in rettilineo. Questa è una delle giustificazioni più preziose per i sistemi di acquisizione elettronica dei dati, anche quelli più semplici con pochi canali.
Altrimenti, il pilota deve osservare tutti questi punti di giri in rettilineo, possibilmente con un registratore vocale o video. Gli intervalli minimi e massimi di accelerazione per ogni rettilineo possono quindi essere tracciati come un grafico a barre, come mostrato in fondo alla figura 1. Supponendo che non ci siano partenze da fermo, queste barre permettono di calcolare l’intervallo totale di giri del motore che deve essere considerato. A volte ci possono essere solo due opzioni, con le scelte limitate a una trasmissione a rapporto stretto o a rapporto largo.
La differenza fondamentale nelle applicazioni è tra le gare di accelerazione, con le sue partenze da fermo, e le gare su strada, dove le velocità minime sono possibilmente intorno ai 40 mph. Per buoni lanci di resistenza, spesso si desidera il più basso rapporto possibile di prima marcia e passi accuratamente distanziati da lì. Ma per le corse su strada, se non ci sono partenze in piedi o pit stop, si può essere meno preoccupato con una bassa prima marcia e invece renderlo più alto e possibilmente utilizzabile sul corso. Quindi si desidera che i rapporti siano scalati dalla curva più lenta alla massima velocità in rettilineo. In entrambi i casi, la fabbrica avrà probabilmente già fatto queste selezioni di rapporti, basate sulla loro conoscenza della curva di coppia del motore. Tuttavia, quando i rapporti devono essere selezionati per adattarsi alla coppia di un motore modificato, o per soddisfare i requisiti delle velocità di svolta di un particolare percorso stradale, allora aiuta ad avere una selezione più ampia.
Per esempio, la nota trasmissione a quattro velocità BorgWarner T10 è stata acquistata da Richmond Gear ed è disponibile attraverso (http://www.texracing.com/). Ha otto possibili combinazioni di rapporti di trasmissione. (http://www.richmondgear.com/) ha anche comprato i diritti per le vecchie trasmissioni Doug Nash a cinque e sei velocità, che hanno almeno otto possibilità di rapporto in ogni marcia per un numero quasi illimitato di combinazioni.
Tuttavia, sono molto più costose e quindi proibitive per tutti, tranne i piloti professionisti. A questo punto, il pilota serio potrebbe prendere la sua curva di coppia al dyno e usare un computer per convertirla in spinta alle ruote posteriori in ogni possibile rapporto di trasmissione, poi tracciarla contro la velocità insieme ai grafici a barre della velocità in pista. Questo può essere visto nella parte superiore della Figura 1. Le etichette numeriche su queste curve mostrano il rapporto differenziale moltiplicato per il rapporto di trasmissione in ogni possibile selezione del rapporto. Si inizia selezionando la marcia più bassa utilizzabile che non va oltre il limite di wheelspin (come ovviamente fa il 6.87), poi la si fa girare fino alla sua velocità massima in giri (o il punto in cui la sua spinta interseca la curva del rapporto successivo), e poi la si sposta in basso ad un altro rapporto più alto. Visivamente puoi vedere il problema sul grafico.
Se hai una scatola a cinque velocità, allora vuoi selezionare i cinque rapporti che ti darebbero la massima area sotto le loro curve nella zona ombreggiata. Se fosse possibile avere un numero illimitato di marce, o una trasmissione a variazione continua, allora i giri potrebbero rimanere al picco di coppia e la spinta disponibile sarebbe una curva liscia. Queste curve illustrano anche perché è così importante avere una curva di coppia del motore relativamente piatta su una gamma di giri più ampia possibile. Se la coppia del motore cade bruscamente, o ha cali notevoli dovuti alla selezione delle camme o agli effetti della messa a punto della ram di aspirazione o dello scarico, allora sarà più difficile evitare i cali nella curva di spinta usando le selezioni dei rapporti. Questo processo mostra anche come la pratica comune di valutare i motori in base ai cavalli di picco sia relativamente poco importante.
Un metodo più semplice
Ma c’è un modo più economico e semplice per selezionare i rapporti: usando l’esperienza e la sperimentazione, come mostrato nella nostra tabella del metodo più semplice. Il nostro esempio prenderà in considerazione solo tre opzioni di cambio, e diremo che la pista ha solo quattro rettilinei principali. Anche se questo è un esercizio limitato, possiamo ancora studiare i compromessi per sempre senza raggiungere la soluzione ottimale, che è il motivo per cui i professionisti vogliono un cambio rapido con molte opzioni in ogni marcia.
Subito, si può vedere che l’opzione a rapporto largo è “overgeared” per la velocità massima di questa pista e ha anche un grande calo di giri tra la seconda e la terza. (Più veloce si va, più vicino si desidera che i rapporti di cambio marcia siano, ma questa è un’altra storia più complessa). Il differenziale 3,07:1 con il cambio a rapporti ravvicinati alza la seconda marcia così tanto che il motore si “impantana” in uscita dalle curve più lente e non si vuole scalare in prima. Questo ci dà un’altra ragione per abbassare il rapporto differenziale 3.07:1. (Ricordate che abbassare il rapporto produce un numero più alto.)
Per trovare la selezione ideale, moltiplicate il rapporto di trasmissione finale per la velocità del redline in quarta marcia (152 mph) e dividetelo per la velocità massima della pista (140 mph). Questo produrrebbe un 3,33 teorico – che è abbastanza vicino al più vicino rapporto di trasmissione finale disponibile di 3,36:1. Combinando questo rapporto finale di 3,36:1 con la trasmissione a rapporti ravvicinati si otterrà un solo punto di cambio nei primi tre rettilinei e due nell’ultimo e più lungo. C’è un modo ancora più semplice per determinare i corretti rapporti di trasmissione: Semplicemente basate la vostra decisione solo sul feedback del guidatore. Diciamo che nella maggior parte dei rettilinei, o in quelli più importanti, si tende a essere in over-revving o a dover scalare appena prima della frenata. In questo caso, quello che potreste voler fare è installare un rapporto differenziale leggermente più alto (o un numero più basso – vedi la barra laterale semantica).
Si potrebbe anche calcolare quanto di un cambiamento sarebbe ideale, se si sapesse quanto si è in eccesso di giri. Diciamo che stavate andando 500 rpm oltre un limite raccomandato di 6000 rpm. Allora vorresti un rapporto differenziale più alto che fosse 6000 diviso 6500, moltiplicato per il tuo rapporto esistente. Non ha molta importanza se si va con un differenziale più alto come questo o con un differenziale più basso e poi si cambia prima – a meno che non si possa usare la marcia superiore, che sarà probabilmente diretta (o 1:1), e avrà una perdita di potenza della trasmissione leggermente inferiore. Ci sono un paio di ragioni per minimizzare la necessità di cambiare, tra cui ridurre il carico di lavoro sul conducente e minimizzare la possibilità di far saltare un cambio (e la marcia sbagliata che lo accompagna, l’usura delle parti, etc.).
Meno cambio evita anche il decimo di secondo o giù di lì di perdita di accelerazione dal cambio “downtime” tra le marce. Ma non lasciate che questo superi il valore di accelerazione di più marce per mantenere il motore nel suo picco di coppia. La risposta semplice per selezionare i migliori rapporti di trasmissione è trovare quelli che rendono felice il pilota, in parte minimizzando il numero di cambi, ma più importante minimizzando i tempi sul giro.
Simple Method Chart
Qui c’è un modo semplice per scegliere il miglior cambio per una particolare macchina da tre scelte: 3,07:1 con una trasmissione a rapporto largo, 3,07:1 con una trasmissione a rapporto stretto e 3,36:1 con una trasmissione a rapporto stretto. Il nostro esempio presuppone un limite di 6000 giri/min e pneumatici di 26 pollici di diametro. Per trovare le miglia orarie con le marce, usate questa formula: (.003) x (rpm) x (diametro dei pneumatici in pollici)/(rapporto differenziale) x (rapporto di trasmissione). Questa matematica produce la seguente equazione: 468/(rapporto differenziale) x (rapporto di trasmissione). (Il .003 converte solo i pollici e i minuti in mph.) Tracciando le barre di velocità al limite massimo in tutte e quattro le marce per i nostri diversi rapporti si ottiene questa diffusione.
Scelte di trasmissione: Sincronizzatori vs. “Cani”
Tutte le coppie di ingranaggi della trasmissione sono sempre in rete, ma sono solo intermittentemente impegnati con i loro alberi. Le trasmissioni delle autovetture effettuano questo collegamento con superfici di attrito che contattano per prime, per far corrispondere le velocità di rotazione in modo più regolare.
Nell’uso in gara, questi sincronizzatori si consumano rapidamente, o sono soggetti a guasti più istantanei. Nei cambi da corsa puri, gli ingranaggi sono collegati alternativamente all’albero principale da pignoni a gradini, noti anche come “cani”, che sono progettati per innestare o afferrare la marcia successiva molto rapidamente e saldamente, un’azione troppo dura per la guida quotidiana. L’angolo di sottosquadro e i raggi d’angolo di questi cani sono accuratamente progettati per agganciarsi senza consumarsi e per bloccarsi insieme saldamente finché la coppia viene trasmessa.
Molti piloti che hanno questo tipo di scatole o cambiano senza lasciare l’acceleratore, o usano la frizione solo per le partenze da fermo. E a meno che non siano molto bravi, i cani si arrotondano, e come risultato o non vanno in, o rimanere in, marcia.
Entrambi i tipi di sincronizzazione è aiutato molto se il conducente impara a corrispondere velocità tra le marce modulando il pedale dell’acceleratore da una frazione di secondo letup durante il upshift, o un leggero blip durante il downshift. Altrimenti, i sincronizzatori o le alette possono essere rapidamente consumati o rotti, richiedendo al guidatore di far corrispondere le velocità ancora più strettamente – o forse anche di tenere la leva del cambio in marcia.
Scelte dei denti del cambio
Le trasmissioni delle autovetture usano denti di trasmissione con taglio ad angolo o “taglio elicoidale” per ridurre il rumore, mentre gli ingranaggi differenziali hanno denti con taglio “ipoide”. (Questi tipi di ingranaggi sono anche usati per abbassare la linea centrale dell’albero di trasmissione.) Per una maggiore forza ed efficienza, tuttavia, le auto da corsa usano solo ingranaggi “spur” a taglio dritto, che hanno principalmente un contatto di rotolamento sulle loro facce, invece di un contatto di scorrimento.
Macchina per Autocross
La selezione del rapporto di trasmissione è molto più facile quando la gamma di velocità è molto più stretta e bassa. La velocità minima in curva per un autocrosser probabilmente non è un criterio di selezione rilevante qui, perché con un sacco di eccesso di potenza a basse velocità, non è possibile utilizzare la piena potenza per gran parte della curva, e quindi il cambio è relativamente poco importante.
Se si dispone di un sistema di acquisizione dati per registrare la storia della velocità, allora è anche utile registrare la posizione della valvola a farfalla. Oppure, se avete anche un solo canale di dati, registrate semplicemente la vostra velocità mentre siete a gas spalancato. Il segnale di velocità potrebbe essere gestito attraverso un semplice interruttore on/off sul fermo dell’acceleratore. Diciamo che il tuo range di velocità totale a gas spalancato è da 35 a 60 mph – valori tipici per un autocross medio, non importa dove si svolge. Allora è possibile selezionare un rapporto differenziale che collocherebbe un singolo rapporto di trasmissione – non importa quale – per coprire quella gamma. Come risultato, non avrete un punto di cambio proprio nel mezzo di un rettilineo.
Esercizio pratico
È ora di mettere via i regoli calcolatori e vedere come i rapporti di trasmissione influenzano i tempi sul giro. I nostri soggetti saranno una coppia di Porsche GT3 Cup classe Rolex Grand American del Team Sahlen, e l’esercizio comporterà il confronto di due diversi cambi, una scatola a rapporto largo e una a rapporto stretto. La nostra aula è il Watkins Glen International, e il pilota del team Wayne Nonnamaker è il professore di oggi.
“La curva 5, il centro del grafico, rappresenta l’uscita dai lacci dello stivale a Watkins Glen e la direzione verso la punta dello stivale”, nota il nostro pilota. Le due linee superiori sul tabulato di acquisizione dati di Pi Research rappresentano i giri per le due auto. “La linea nera è il grafico dell’auto con le marce più strette, e la linea rossa è quella delle marce più lunghe”, spiega. “Si può vedere che il cambio più stretto deve eseguire due cambi sul rettilineo, mentre il cambio più lungo ha solo un cambio”. Le due linee centrali rappresentano la velocità in mph delle due auto, con il nero per la scatola più stretta e il rosa per le marce più lunghe. “La linea inferiore è il divario tra le due auto”, nota Wayne. “Si può vedere lungo il rettilineo che c’è un paio di decimi di secondo di guadagno una volta che la potenza è messa giù. Si può anche vedere che il cambio più lungo recupera drammaticamente quando l’altra scatola viene spostata, ma il guadagno indietro non è sufficiente a compensare la perdita per essere fuori dalla banda di potenza”. Su questa pista e con questa applicazione, la scatola a rapporti ravvicinati produce i giri più veloci, anche se è richiesto un po’ più di cambio.
“Tenete anche presente che la Porsche GT3 Cup è un motore un po’ picco,” aggiunge Wayne. “Questo significa che è essenziale mantenerlo nella fascia di potenza. Se avete una banda di potenza più ampia, questo non è così essenziale. Quindi, quando si guarda a quanto vicino si vogliono le marce, l’ampiezza della banda di potenza è molto importante”. Mentre i rapporti di trasmissione sono parte della storia, bisogna anche considerare quanto abuso queste unità possono sopportare. “Nelle nostre auto Rolex, la trasmissione può essere cambiata tanto velocemente quanto lo si può fare fisicamente”, spiega Wayne a proposito delle loro Porsche GT3 Cup. Le loro Porsche 996 della Grand-Am Cup, pur essendo esteriormente simili, richiedono una mano leggermente più delicata. “Nelle auto della Grand-Am Cup, devi aspettare un breve momento o macinerai la trasmissione e strapperai la scatola”. Wayne dice che guardare l’auto particolare è importante quando si parla di rapporti di trasmissione. “Quindi, se avete una Ford Mustang con un’ampia banda di potenza e una trasmissione che impiega un attimo a cambiare; probabilmente non vale la pena di stringere quei rapporti”, aggiunge. “Tuttavia, se si esegue un Integra Type R dove la trasmissione si sposta piuttosto rapidamente e la banda è molto peaky, allora sarà probabilmente vale la pena di stringere i rapporti.”
Visualizza i commenti sul forum GRM
7/16/18 1:16 p.m.
Grande articolo!
1/4/21 9:53 a.m.
Come viene calcolato il limite di spinta della ruota?
1/4/21 4:32 p.m.
Puoi anche guardare i dati puoi anche guardare l’accelerazione Gs. Se i G di accelerazione scendono devi regolare il tuo cambio.
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