Partiamo da una questione molto semplice, ossia che il motore termico e le ruote non vogliono sempre fare la stessa cosa nello stesso momento.
Immagina un’auto ferma al semaforo, le ruote sono immobili, ma il motore a benzina deve continuare a girare, magari a 800 giri al minuto. Se motore e ruote fossero collegati rigidamente, il motore sarebbe costretto a fermarsi insieme alle ruote e si spegnerebbe. La frizione è quindi una sorta di “porta” tra i due: quando la premi, separi il motore dalla trasmissione; quando la rilasci, li rimetti in comunicazione.
Questa porta non si apre e chiude soltanto, ma può anche restare per un attimo socchiusa. Quando partiamo da fermi con un cambio manuale, infatti, rilasciamo la frizione gradualmente, i suoi dischi slittano uno sull’altro e permettono al motore, che già gira, di trascinare progressivamente ruote ancora ferme. È un piccolo sacrificio energetico, poiché durante quello slittamento una parte dell’energia diventa calore. Chi ha imparato a guidare con un motore a benzina e cambio manuale ricorda bene anche cosa succede quando questa mediazione viene meno: frizione rilasciata troppo bruscamente, sobbalzo e motore spento.
La frizione ha poi un secondo compito importante durante i cambi di marcia. Premendola si interrompe temporaneamente il flusso di coppia dal motore alle ruote, così il cambio può passare da un rapporto all’altro senza doverlo fare mentre il motore continua a spingere con tutta la sua forza. Nei cambi automatici questa funzione viene svolta in modi diversi: convertitori di coppia, frizioni multidisco, doppie frizioni e così via. Insomma, siamo talmente abituati alla presenza di qualche dispositivo che separi, accompagni e riconnetta motore e ruote che la sua assenza appare quasi controintuitiva.
Figura 1: Primo principio. Nella frizione classica i due dischi centrali slittano l’uno sull’altro: è quell’attrito a permettere al motore, già in rotazione, di trascinare gradualmente le ruote ferme, con una piccola perdita di energia sotto forma di calore.
E ora viene il bello. La Renault Clio full hybrid E-Tech 160 ha un cambio automatico senza una frizione tradizionale e non usa nemmeno i sincronizzatori che normalmente aiutano gli ingranaggi a innestarsi senza strappi. Al loro posto ci sono innesti frontali, i cosiddetti crabots, una soluzione che ricorda da vicino quella impiegata nelle competizioni.
Figura 2: Secondo principio. Il manicotto scorre lateralmente e i suoi denti si incastrano frontalmente in quelli dell’ingranaggio: un aggancio meccanico secco, non un attrito graduale. Per funzionare senza urti, però, richiede che le due parti girino già quasi alla stessa velocità, ed è qui che entra in gioco il terzo principio.
Figura 3: L’analogia del tapis roulant e la sincronizzare le velocità prima dell’aggancio. Salire su un nastro fermo dà uno strappo; salirci quando si muove già alla tua stessa velocità è naturale. L’HSG e il motore elettrico principale fanno esattamente questo con gli ingranaggi, prima che i denti dei crabots possano agganciarsi senza urti.
Il principio, in realtà, è più intuitivo di quanto possa sembrare. Gli ingranaggi del cambio ruotano e, quando serve selezionare un rapporto, uno speciale manicotto li blocca all’albero tramite denti che si incastrano frontalmente. Non c’è quindi un elemento che li accompagni gradualmente all’innesto sfruttando l’attrito, come accade nei cambi convenzionali. Il problema è che due pezzi meccanici che girano a velocità molto diverse non possono essere semplicemente agganciati tra loro. Prima bisogna fare in modo che viaggino quasi allo stesso ritmo.
È qui che entrano in gioco i motori elettrici del sistema E-Tech. Oltre a contribuire alla trazione, possono intervenire con grande rapidità sulle velocità di rotazione dei vari componenti del cambio, preparando il momento dell’innesto. L’idea è nata in Renault anche attraverso modelli realizzati con LEGO Technic, usati per verificare concretamente la logica della trasmissione. Un modo quasi artigianale di ragionare su una soluzione che poi sarebbe diventata uno degli elementi più sofisticati del sistema ibrido.
Prima di cambiare marcia bisogna far andare tutti alla stessa velocità
Immaginiamo due parti del cambio: una gira a 3.000 giri al minuto, l’altra a 2.000. Se provassimo a unirle immediatamente, una delle due dovrebbe accelerare e l’altra rallentare quasi di colpo. Il risultato sarebbe un urto tra i denti, con rumore, vibrazioni e sollecitazioni che alla lunga non farebbero certo bene alla trasmissione.
Nei normali cambi manuali questo problema viene risolto dai sincronizzatori. Sono piccoli dispositivi che, sfruttando l’attrito, avvicinano progressivamente le velocità delle parti da collegare. È un po’ come due ciclisti che si affiancano prima di passarsi un oggetto dall’uno all’altro. È molto più semplice se procedono quasi alla stessa velocità.
Sulla Clio E-Tech il lavoro viene svolto in buona parte elettricamente. L’HSG, High-Voltage Starter Generator, è una macchina elettrica da 15 kW che, oltre ad altre funzioni, interviene anche durante le cambiate. Insieme al motore elettrico principale aiuta a portare i componenti della trasmissione al regime giusto e soltanto a quel punto i denti dei crabots (i già citati denti di innesto frontale) possono agganciarsi.
L’esempio del tapis roulant rende bene l’idea. Salire su un nastro che si muove a 5 km/h è molto più semplice se stiamo già camminando a quella velocità. Farlo partendo completamente da fermi significa invece essere trascinati bruscamente in avanti. Nel cambio E-Tech succede qualcosa di simile: prima si cerca di far coincidere le velocità, poi avviene l’innesto.
Perché può permettersi di fare a meno della frizione
Come ho già detto, la frizione tradizionale serve soprattutto quando un’auto deve partire, per evitare che il motore si spenga ogni volta che la macchina si arresta. Quando iniziamo a muoverci, la frizione mette quindi in contatto gradualmente motore e ruote, facendo slittare per qualche istante due superfici una contro l’altra. Fondamentale è il famoso “punto di stacco”, perché se si lascia la frizione troppo in fretta, l’auto sobbalza e il motore può spegnersi, mentre se la si lascia slittare troppo, si produce calore e si consuma il materiale d’attrito.
La Clio E-Tech parte invece con il motore elettrico principale, che sviluppa 36 kW e 205 Nm. Per un motore elettrico mettere in movimento un’auto da ferma è naturale, perché può fornire molta coppia già ai bassissimi regimi. Non c’è quindi bisogno di prendere un motore termico già in rotazione e collegarlo delicatamente a ruote ferme.
Il motore 1.8 benzina da 80 kW, equivalenti a 109 CV, e 172 Nm può intervenire in un secondo momento, quando la vettura è già in movimento e il sistema può preparare il suo ingresso regolando opportunamente i regimi. La batteria da 1,4 kWh a 280 V alimenta questo continuo scambio di energia: accumula quella recuperata nelle decelerazioni e la restituisce quando serve alla trazione o alla gestione del sistema ibrido. Non deve garantire decine di chilometri in modalità elettrica, come la batteria di una plug-in, ma lavorare moltissime volte durante ogni viaggio.
La frizione, quindi diventa superflua, perché l’auto affronta in un altro modo proprio le situazioni nelle quali normalmente sarebbe indispensabile.
Figura 4: E-tech in breve
Il vantaggio del sistema E-Tech sta nell’aver integrato cambio e parte elettrica in un’unica architettura. L’assenza di frizione tradizionale e sincronizzatori riduce attriti, perdite e componenti soggetti a usura, mentre i motori elettrici regolano i regimi prima degli innesti. Ne deriva una trasmissione efficiente e fluida, capace di gestire con grande libertà l’interazione tra motore termico ed elettrico, soprattutto nella guida urbana.
Quindici combinazioni, ma nessuna da scegliere
Figura 5: Il motore elettrico principale muove l’auto da ferma, il termico entra in gioco solo a vettura già in movimento, e l’HSG sincronizza gli ingranaggi per i crabots. La batteria fa da polmone energetico tra tutti loro: è questa orchestrazione elettrica, non un componente meccanico, a rendere superflua la frizione.
La trasmissione E-Tech combina diversi rapporti meccanici con differenti modi di utilizzare il motore a benzina e le due macchine elettriche, fino ad arrivare a quindici configurazioni operative.
Chi guida non deve naturalmente preoccuparsi di quale sia in funzione. È il software a scegliere di volta in volta la soluzione più adatta tenendo conto della velocità, di quanto viene premuto l’acceleratore, della carica della batteria e dell’efficienza dei diversi motori. Nel traffico urbano può essere conveniente muoversi soprattutto in elettrico e, invece, quando si chiede maggiore accelerazione, possono lavorare insieme il motore a benzina e il motore elettrico. In altre situazioni il termico può trascinare la vettura mentre parte dell’energia viene trasformata in elettricità.
Renault dichiara per la Clio E-Tech 160 un consumo combinato di 3,9 l/100 km e 89 g/km di CO₂, oltre alla possibilità di viaggiare in elettrico fino all’80% del tempo negli spostamenti urbani e periurbani. Una parte di questa efficienza nasce proprio dal modo in cui è stata pensata la trasmissione che, invece di affidarsi a frizioni che slittano e sincronizzatori che lavorano per attrito, usa i motori elettrici anche per preparare gli innesti e coordinare le velocità degli ingranaggi.
