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Macgest - Trattori e macchine agricole, con un click

2019

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Trasmissione del moto? Ci pensa la Dual Clutch

Ultima arrivata tra le soluzioni a rapporti finiti, la DCT è una trasmissione Semi Power-shift a doppia frizione che sfrutta due alberi secondari - uno con marce pari, l'altro con marce dispari - collegati a due frizioni per garantire una cambiata veloce e dolce

Fonte: Macgest

Autore: Serena Giulia Pala

Parlando di trattori, i motori sono un argomento molto trattato soprattutto in relazione alle ultime normative europee in materia di emissioni. Molto poco lo sono le loro trasmissioni, che pure risultano componenti fondamentali nel determinare l'efficienza delle trattrici. Gli organi di trasmissione collegano il propulsore alle ruote motrici (o ai cingoli), alla Pto e ai sistemi idraulici trasferendo la potenza all'albero motore.

I dispositivi meccanici che regolano la trasmissione del moto possono essere sistemi con flessibili - che prevedono l'uso di cinghie o catene per collegare puleggie o ruote dentate - e sono indicati per mietitrebbie, rotopresse, carri miscelatori e altri macchinari oppure sistemi con rotismi - ingranaggi a denti elicoidali o diritti direttamente ingranati tra loro - adottati sui trattori.

Oggi sulle trattrici si trovano quasi esclusivamente cambi con ingranaggi a denti elicoidali che offrono innesti più dolci. Il rapporto tra il numero di denti dell'ingranaggio motore (che trasmette il moto) e il numero di denti di quello condotto (che riceve il moto) genera il rapporto di trasmissione, cioè il rapporto tra le velocità angolari dei due ingranaggi. Se questo è inferiore a 1, si verifica una riduzione della velocità angolare del moto. In genere, sulle macchine agricole, è necessario ridurre il regime di rotazione del motore, spesso troppo elevato per le attività svolte.
 

Componenti chiave della trasmissione

Nonostante stiano prendendo piede le soluzioni miste, la trasmissione meccanica - talvolta munita di intermediari idraulici a comando elettrico - resta quella più usata sui trattori. Ogni trasmissione meccanica è composta dal cambio concepito per sfruttare l'intero intervallo utile del regime motore, dalla frizione che collega albero motore e cambio e dalla coppia di ingranaggi tronco-conici per la riduzione e derivazione del moto a due o quattro (nella trazione integrale) semiassi.
Oltre al differenziale, ai riduttori finali e all'eventuale gruppo di rinvio per la trasmissione del moto dall'albero motore alle ruote, le trattrici montano un apposito albero per il trasferimento del moto alla Pto.

La frizione è un innesto ad attrito che accoppia (o separa) l'albero motore e l'albero di trasmissione consentendo di trasmettere la coppia dal propulsore al cambio. Generalmente i trattori con potenze inferiori ai 50 chilowatt si servono di una frizione a dischi a secco, mentre quelli con potenze superiori si avvalgono di una frizione a dischi multipli - paralleli tra loro - in bagno d'olio.
Per attivare la Pto e quindi trasferire la coppia motrice agli organi lavoranti delle attrezzature, sono disponibili la frizione a doppio stadio, attualmente poco diffusa, o la frizione doppia, munita di un comando a pedale e uno a leva per l'azionamento rispettivamente della trasmissione e della Pto. Sui trattori di medio-alta potenza sono spesso presenti due frizioni indipendenti, azionabili da due comandi separati. In questo caso, la Pto è attivata mediante una frizione a dischi multipli in bagno d'olio.
 
Trasmissione Dual Clutch ActiveDrive 8 di Case IH
Trasmissione Dual Clutch ActiveDrive 8 di Case IH

A valle della frizione è installato il cambio, che permette di variare la velocità di avanzamento e di adeguare la coppia motrice alla coppia resistente alle ruote quando la trattrice è in movimento o lavora con macchine operatrici. Nel dettaglio, più coppie di ingranaggi sempre in presa producono un determinato numero di rapporti di demoltiplicazione tra il regime di rotazione dell'albero di entrata (albero motore) e quello di uscita destinato agli organi di propulsione.
Particolarmente diffuso, compatto e silenzioso, il cambio con ingranaggi a denti elicoidali sempre in presa è ora proposto con sincronizzatori, che facilitano il cambio delle marce, e inversori, che invertono il moto e riducono i tempi di manovra a bordo campo. Inoltre, un gruppo amplificatore di trazione genera un numero maggiore di rapporti di trasmissione e un preselettore consente l'azionamento di due o più gamme.
 

Trasmissioni, ce n'è per tutti i gusti

Negli ultimi 30 anni, per poter adattare la velocità di avanzamento ad ogni operazione e, nello stesso tempo, mantenere il regime di rotazione del motore in corrispondenza del punto di funzionamento ottimale, i costruttori hanno aumentato il numero di rapporti di trasmissione e ne hanno migliorato le prestazioni e il comfort d'impiego sviluppando i sistemi Full Power-shift - FPS, a variazione continua - CVT e Dual Clutch - DCT.

Nato dall'aggiornamento della trasmissione meccanica con l'aggiunta di servocomandi, il Power-shift consente il cambio marcia sotto carico, variando rapidamente il rapporto di trasmissione senza interrompere l'erogazione della potenza alle ruote e senza disinnestare la frizione principale. Di fatto, il trattore non si ferma e quindi anche le attrezzature continuano il lavoro durante la cambiata.
Esistono sistemi Power-shift semplici o Hi-lo per trasferire il moto dalla frizione principale al cambio o per ottenere un moto a regime ridotto grazie all'inserimento di una seconda frizione a marcia innestata, affiancati dai Semi Power­-shift per il cambio marce all'interno di una singola gamma senza ricorrere al pedale della frizione. In aggiunta, i sistemi Full Power-shift permettono di cambiare sotto carico sia le marce sia le gamme e adeguare in continuo la coppia motrice a quella resistente aumentando la capacità operativa dei trattori.

Dall'unione di un'unità idrostatica (costituita da un gruppo pompa-motori idraulici) con un cambio meccanico è invece nato il cambio a variazione continua, "che - spiega Michele Mattetti, ricercatore dell'Università di Bologna - permette di variare il rapporto di trasmissione tra un minimo e un massimo con continuità". In particolare, il CVT è in grado di sommare la potenza idraulica a quella meccanica incrementando la velocità del trattore o sottrarre l'una all'altra diminuendo la velocità del mezzo fino ad arrestarlo. 
In questo modo, la velocità di avanzamento si modifica in continuo e il propulsore lavora nel punto di massimo rendimento indipendentemente dalla velocità di marcia e dal carico applicato.
 
Direct Drive, DCT presente sui trattori John Deere Serie 6R
Direct Drive, DCT presente sui trattori John Deere Serie 6R (Fonte: Mattetti)

Pur essendo più complessa e costosa rispetto alle trasmissioni Power-shift, la variazione continua consente di aumentare l'efficienza complessiva dei macchinari e quindi è sempre più diffusa non solo sui trattori di potenza medio-alta - come i New Holland T5 AutoCommand™, i Case IH Maxxum CVX, nonché i McCormick X7 VT Drive - ma anche sulle basse potenze, come il Same Frutteto CVT.
L'avvento del CVT non ha comunque interrotto la ricerca sul Power-shift, da cui si è partiti per mettere a punto la trasmissione a doppia frizione o Dual Clutch.
 

Dual Clutch: farsi in due per il cambio marcia

Trasmissione Semi Power­-shift a rapporto variabile tra un valore minimo ed uno massimo per step, la Dual Clutch è costituita da un albero primario, collegato all'albero motore mediante la frizione principale, e da due alberi secondari - entrambi azionati da due frizioni collegate all'albero di trasmissione - su cui si trovano i set di ingranaggi delle marce.

"Su uno dei due alberi si trovano i rapporti dispari, mentre sull'altro i rapporti pari - specifica Mattetti. I due alberi ruotano contemporaneamente, ma solo uno dei due trasferisce il moto all'albero di trasmissione grazie alla frizione". Quando si inserisce una marcia in un albero, nell'altro viene preinserita una delle due marce adiacenti (superiore o inferiore) attraverso lo spostamento del corrispettivo manicotto.
A seconda del regime motore, la centralina del propulsore stabilisce se preinnestare la marcia adiacente superiore o inferiore. Al momento del cambio marcia, viene staccata la prima frizione e innestata la seconda.

Se il Power-shift assicura una minore dissipazione di potenza rispetto al CVT, quest'ultimo - ideale per trattori dediti ad operazioni leggere e trasferimenti stradali - offre vantaggi maggiori rispetto alle trasmissioni meccaniche in termini di controllo della velocità e del regime motore, comfort dell'operatore e consumi di carburante.
Diversamente, il DCT coniuga l'efficienza della trasmissione meccanica con la facilità d'uso della variazione continua, risultando meno costoso del CVT e rivelandosi vantaggioso sotto diversi punti di vista.
 
Trattore New Holland T6.175 con trasmissione Dual Clutch Dynamic Command
Trattore New Holland T6.175 con trasmissione Dual Clutch Dynamic Command

"Utilizzabile come un Full Power-Shift, la Dual Clutch permette di ridurre i tempi necessari per cambiare marcia sotto carico, assicurando una cambiata molto veloce e dolce - commenta Mattetti. Inoltre, consente di contenere i consumi grazie ad attuatori per gli innesti delle marce che presentano attriti inferiori rispetto a quelli usati nelle trasmissioni Power-shift". Infatti, l'impiego di pacchi di dischi frizione e freni sul Full Power-shift genera attrito e calore da dissipare con conseguente maggiore inefficienza della trasmissione.
"Con il DCT di New Holland si può saltare da una gamma all'altra senza passare da quelle intermedie, operazione non possibile utilizzando il Full Power-shift - prosegue Mattetti. D'altro canto, le trasmissioni Dual Clutch non permettono di combinare in modo perfetto motore e trasmissione come quelle a variazione continua".
 

DCT dalle origini ad oggi

Inizialmente montata sulle auto da corsa (in primis, sulla Porsche PDK) e su quelle commerciali di alta gamma, la Dual Clutch ha debuttato nel comparto agricolo ad Agritechnica 2009, quando Carraro DriveTech ha lanciato la trasmissione a doppia frizione per trattori DueT 15.0, contraddistinta da 8 marce powershift e 4 gamme per un totale di 32 velocità. In seguito, all'ultima edizione della rassegna tedesca, la casa ha presentato due ulteriori modelli DCT di derivazione automotive: Carraro Twin Shift™ T100 CTS e T120 CTS.
Il modulo delle trasmissioni Twin Shift™ - indicate per l'uso in ambito agricolo, in particolare su trattrici da 60-180 cavalli - prevede 8 marce Power-shift combinate con 3 o 4 gamme per un totale di 32 velocità. Tanto la T100 CTS quanto la T120 CTS permettono un cambio marcia senza perdite di coppia e garantiscono un'eccezionale produttività in ogni applicazione, risultando valide alternative alle soluzioni CVT.

I primi trattori con Dual Clutch sono stati i modelli John Deere Serie 6R che, a partire da Agritechnica 2011, dispongono del cambio Direct Drive. Quest'ultimo si avvale di 8 marce e 3 gamme per offrire 24 velocità e si serve di attuatori elettro­magnetici, che assicurano un cambio marcia più veloce rispetto a quelli elettroidraulici, oltre a risultare più semplici da gestire, più efficienti in presenza di basse temperature e più sicuri.
Secondo John Deere, Direct Drive - utilizabile in modalità manuale o automatica - permette di ridurre i consumi del 4% rispetto al CVT grazie al flusso di potenza totalmente meccanico.
 
Trattore Case IH Maxxum 145 con trasmissione Dual Clutch ActiveDrive 8
Trattore Case IH Maxxum 145 con trasmissione Dual Clutch ActiveDrive 8

CNH Industrial non è rimasta a guardare: risale al 2017 il lancio delle trasmissioni Dual Clutch realizzate nello stabilimento NH di Modena. La gamma New Holland T6 monta il Dynamic Command, mentre la linea Case IH Maxxum Multicontroller è dotata dell'ActiveDrive 8 e la serie Steyr Profi Multicontroller dispone dell'S-Control™ 8. Le tre innovative trasmissioni sono Semi Power-shift a doppia frizione che sfruttano 3 gamme meccaniche ad innesto robotizzato e 8 rapporti sotto carico per offrire 24 marce in avanti più 24 in retro.
 

Dynamic Command, la Dual Clutch secondo New Holland

Disponibile da gennaio 2018 in alternativa ad Auto Command ed Electro Command sui modelli a 4 cilindri T6.145-T6.155-T6.165-T6.175, la trasmissione a doppia frizione di New Holland unisce l'efficenza di una trasmissione powershift e i vantaggi di una a variazione continua, rivelandosi anche più economica rispetto al CVT grazie alla conservazione dei componenti meccanici. Plus della Dual Clutch sono il cambio gamme robotizzato e la pompa di lubrificazione a portata variabile per la riduzione della dissipazione di potenza.

In Dynamic Command - dotata di un albero per le 4 marce pari e uno per le 4 marce dispari - "una marcia è sempre inserita, mentre un'altra si trova inserita ma a frizione chiusa - spiega Davide Pirani, New Holland product specialist high power tractors. In questo modo, è possibile utilizzare la marcia più adatta alle lavorazioni in campo o alla marcia su strada grazie anche alla funzione Ground Speed Management - GSM II, consumare meno e cambiare marcia istantaneamente e senza vuoti di potenza".
Di fatto, la Dual Clutch NH offre un funzionamento simile alla variazione continua a un costo inferiore e permette ai clienti affezionati al Semi Power-shift di lavorare con trattori più versatili, performanti e caratterizzati da limitati assorbimenti di potenza, soprattutto nelle applicazioni specifiche.
 

Trasmissione a doppia frizione New Holland Dynamic Command (Fonte: New Holland Agriculture)

"Sebbene il funzionamento sia simile a quello della Direct Drive di John Deere, Dynamic Command presenta differenze importanti a livello meccanico che la rendono ideale per l'uso in condizioni di pendenza - continua Pirani. Inoltre, è stata messa a punto per adattarsi maggiormente a diversi tipi di lavorazione, poiché dispone di varie funzioni utili, tra cui Smooth shift per il settaggio della regolarità dei cambi marcia e GSM II per l'impostazione di una velocità bersaglio, mantenuta autonomamente dalle trattrici".
 

Quali prospettive per il DCT?

"Attualmente implementata sui trattori di media potenza, la Dual Clutch probabilmente verrà installata anche su altre categorie di trattrici se i numeri di vendita saranno buoni - sostiene Mattetti. Penso che quando le aziende otterranno ottimi risultati di mercato e avranno compreso pienamente la tecnologia, monteranno la Dual Clutch prima sui trattori di alta potenza e poi su quelli di bassa potenza, specializzati compresi".

Ad esempio, la trasmissione Dynamic Command è stata molto apprezzata dai clienti per le funzioni innovative e, a circa un anno dal lancio, ha già conquistato un terzo delle vendite della serie T6. "Sarebbe un peccato non sfruttare le caratteristiche uniche del nuovo cambio DCT anche su altre gamme - sostiene con convinzione Pirani. È la trasmissione powershift del futuro!".

"Un'ulteriore protagonista nei prossimi anni potrebbe essere la trasmissione elettrica" aggiunge Mattetti. Un prototipo di trattore con trasmissione elettrica - il Belarus 3023 con Electro-Mechanical Drive train (EMD) - è stato presentato ad Agritechnica 2009 e premiato con la medaglia d'argento da DLG.

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