Overdrive (meccanica) - Overdrive (mechanics)
L'overdrive è il funzionamento di un'automobile che viaggia a velocità sostenuta con giri del motore ridotti al minuto (RPM), portando a un migliore consumo di carburante, a una minore rumorosità e a una minore usura. Il termine è ambiguo. Il significato più fondamentale è quello di un rapporto di trasmissione complessivo tra motore e ruote, tale per cui l'auto è sovraccaricata , e non può raggiungere la sua potenziale velocità massima, cioè l'auto potrebbe viaggiare più veloce se avesse una marcia più bassa, con il motore girando a giri più alti.
La potenza prodotta da un motore aumenta con il numero di giri del motore al massimo, quindi diminuisce. Il punto di massima potenza è leggermente inferiore al regime massimo assoluto a cui è limitato il motore, il regime " linea rossa ". La velocità di un'auto è limitata dalla potenza richiesta per guidarla contro la resistenza dell'aria, che aumenta con la velocità. Alla massima velocità possibile, il motore funziona al suo punto di massima potenza, o picco di potenza , e l'auto sta viaggiando alla velocità in cui la resistenza dell'aria è uguale a quella potenza massima. Esiste quindi un rapporto di trasmissione specifico al quale l'auto può raggiungere la sua velocità massima: quello che abbina quel regime motore a quella velocità di marcia. A velocità di marcia inferiori a questo massimo, esiste una gamma di rapporti di trasmissione che possono abbinare la potenza del motore alla resistenza dell'aria e il più efficiente in termini di consumo di carburante è quello che si traduce nella velocità del motore più bassa. Pertanto, un'auto ha bisogno di un cambio per raggiungere la massima velocità, ma un altro per raggiungere la massima efficienza del carburante a una velocità inferiore.
Con lo sviluppo iniziale delle auto e il layout della trazione posteriore quasi universale , il rapporto di trasmissione finale (cioè l'asse posteriore ) per le auto veloci è stato scelto per fornire il rapporto per la velocità massima. Il cambio è stato progettato in modo che, per l'efficienza, il rapporto più veloce sarebbe un rapporto 1:1 "diretto" o "diretto", evitando perdite per attrito negli ingranaggi. Raggiungere un rapporto overdrive per la crociera richiedeva quindi un rapporto del cambio ancora più alto di questo, ovvero l'albero di uscita del cambio ruotava più velocemente del motore. L' albero dell'elica che collega il cambio e l'asse posteriore è quindi sovraccaricato e una trasmissione in grado di farlo è stata definita una trasmissione "overdrive".
Il dispositivo per ottenere una trasmissione overdrive era solitamente un piccolo cambio separato, attaccato alla parte posteriore del cambio principale e controllato dalla propria leva del cambio. Questi erano spesso opzionali su alcuni modelli della stessa auto.
Poiché le auto popolari sono diventate più veloci rispetto ai limiti legali e i costi del carburante sono diventati più importanti, in particolare dopo la crisi petrolifera del 1973 , l'uso di cambi a cinque velocità è diventato più comune nelle auto del mercato di massa. Questi avevano una quarta marcia diretta (1:1) con una quinta marcia overdrive, sostituendo la necessità del cambio overdrive separato.
Con la popolarità delle auto a trazione anteriore , il cambio separato e la trasmissione finale si sono fusi in un unico transaxle . Non c'è più un albero di trasmissione e quindi un significato di "overdrive" non può più essere applicato. Resta comunque valido il significato fondamentale, quello di un rapporto complessivo superiore al rapporto per la velocità massima: le marce più alte, con rapporti maggiori di 1:1, sono descritte come "marce overdrive".
Descrizione
Sfondo
La potenza necessaria per spingere un'auto in qualsiasi data serie di condizioni e velocità è semplice da calcolare, basandosi principalmente sul peso totale e sulla velocità del veicolo. Questi producono due forze primarie che rallentano l'auto: la resistenza al rotolamento e la resistenza aerodinamica . Il primo varia grosso modo con la velocità del veicolo, mentre il secondo varia con il quadrato della velocità. Il calcolo di questi dai primi principi è generalmente difficile a causa di una varietà di fattori del mondo reale, quindi questo viene spesso misurato direttamente nelle gallerie del vento e in sistemi simili.
La potenza prodotta da un motore aumenta con il numero di giri del motore al massimo, quindi diminuisce. Questo è noto come il punto di massima potenza . Data una curva che descrive la resistenza complessiva del veicolo, è semplice trovare la velocità alla quale le forze di resistenza totali sono uguali alla potenza massima del motore. Definisce la velocità massima che il veicolo è in grado di raggiungere. La velocità di rotazione delle ruote per quella data velocità di avanzamento è semplice da calcolare, essendo la circonferenza del pneumatico moltiplicata per il numero di giri. Poiché il regime del pneumatico alla massima velocità non è lo stesso del regime del motore a quella potenza, viene utilizzata una trasmissione con un rapporto di trasmissione per convertire l'uno nell'altro.
A velocità anche leggermente inferiori a quella massima, la resistenza totale sul veicolo è notevolmente inferiore e il motore deve fornire questa quantità di potenza notevolmente ridotta. In questo caso i giri del motore sono cambiati notevolmente mentre i giri delle ruote sono cambiati pochissimo. Chiaramente questa condizione richiede un diverso rapporto di trasmissione. Se uno non viene fornito, il motore è costretto a girare a un regime superiore a quello ottimale. Poiché il motore richiede più potenza per superare l'attrito interno a regimi più elevati, ciò significa che viene utilizzato più carburante semplicemente per mantenere il motore in funzione a questa velocità. Ogni ciclo del motore porta all'usura, quindi anche mantenere il motore a un numero di giri più elevato è sfavorevole per la vita del motore. Inoltre, il suono di un motore è fortemente correlato al regime, quindi il funzionamento a un regime inferiore è generalmente più silenzioso.
Se si esegue lo stesso esercizio di trasmissione RPM descritto sopra per la velocità massima, ma si imposta invece la "velocità massima" su quella della crociera in autostrada, l'uscita è un rapporto di trasmissione più alto che fornisce un consumo di carburante ideale. In un'epoca in cui le auto non erano in grado di viaggiare molto velocemente, il punto di massima potenza poteva essere abbastanza vicino alla velocità desiderata da non rendere necessarie marce aggiuntive. Ma quando apparvero automobili più potenti, specialmente durante gli anni '60, questa disparità tra il punto di massima potenza e la velocità desiderata crebbe considerevolmente. Ciò significava che le auto spesso operavano lontano dal loro punto più efficiente. Man mano che cresceva il desiderio di una migliore economia di carburante , soprattutto dopo la crisi petrolifera del 1973 , la necessità di una "marcia da crociera" diventava più pressante.
Cambio vs. trasmissione finale
L'ovvia soluzione a questo problema sarebbe aggiungere più marce alla trasmissione. In effetti, nei veicoli moderni questo è comune. Tuttavia, a causa di particolarità storiche, questo non era sempre pratico.
Nella configurazione a trazione posteriore convenzionale , il sistema di trasmissione normalmente conteneva due sezioni, il "cambio" o "trasmissione" montato dietro il motore e la "trasmissione finale" montata nell'asse posteriore nella parte posteriore dell'auto. La ragione di questa separazione dei compiti tra la parte anteriore e quella posteriore della vettura era quella di consentire all'albero di trasmissione di funzionare a una coppia inferiore, utilizzando un numero di giri più elevato. Poiché la potenza è il prodotto di RPM e coppia , l'esecuzione dell'albero a un numero di giri più elevato ha consentito di trasferire più potenza a una coppia inferiore. In questo modo si riduceva la coppia che l'albero di trasmissione doveva sopportare, e quindi la forza e il peso richiesti.
Sebbene il progettista fosse teoricamente libero di scegliere qualsiasi rapporto per il cambio e la trasmissione finale, c'è un'ulteriore considerazione che significava che la marcia più alta della maggior parte dei cambi era 1:1 o "trasmissione diretta". Questo è scelto per l'efficienza, in quanto non richiede alcun ingranaggio per trasmettere potenza e quindi riduce la potenza persa da essi. Ciò era particolarmente importante nei primi giorni delle auto, poiché i loro ingranaggi dritti erano mal rifiniti, rumorosi e inefficienti. L'unità finale ha quindi preso questa uscita e l'ha regolata in una disposizione di trasmissione a rapporto fisso che era molto più semplice da costruire. I rapporti di trasmissione finale di 4: 1 erano comuni, il che significa che le ruote avrebbero girato a un quarto della velocità che avrebbero se collegate direttamente al motore.
Overdrive
In un'epoca in cui diversi modelli di auto con ruote di dimensioni diverse potevano essere adattati semplicemente cambiando il rapporto di trasmissione finale, aveva senso per tutte le trasmissioni utilizzare la trasmissione diretta come marcia più alta. Come notato in precedenza, tuttavia, ciò farebbe funzionare il motore a un regime troppo elevato per una navigazione efficiente. Sebbene fosse possibile aggiungere la marcia da crociera al cambio principale, era generalmente più semplice aggiungere un sistema di overdrive a due marce separato al cambio esistente. Ciò non solo significava che poteva essere sintonizzato per veicoli diversi, ma aveva l'ulteriore vantaggio di poter essere offerto come opzione facilmente installabile.
Con l'uso di layout a trazione anteriore, il cambio e la trasmissione finale sono combinati in un unico transaxle. Non c'è più un albero di trasmissione tra di loro e quindi la nozione di "azionamento diretto" non è applicabile. Sebbene si faccia ancora riferimento a "overdrive", questo è ora principalmente un termine di marketing per riferirsi a qualsiasi rapporto extra-alto per una crociera efficiente, sia che sia ottenuto attraverso i rapporti del cambio o da una trasmissione finale insolitamente alta.
Utilizzo
In generale, l'overdrive è la marcia più alta nella trasmissione. L'overdrive consente al motore di funzionare a un regime inferiore per una determinata velocità su strada. Ciò consente al veicolo di ottenere una migliore efficienza del carburante e un funzionamento spesso più silenzioso in autostrada. Quando è acceso, un cambio automatico può passare alla modalità overdrive dopo aver raggiunto una certa velocità (di solito 70+ km/h [40-45 mph o più] a seconda del carico). Quando è disinserito, il cambio automatico è limitato alle marce inferiori. L'overdrive dovrebbe essere generalmente selezionato quando la velocità media è superiore a 70 km/h (40-45 mph).
La trasmissione automatica passa automaticamente da OD a trasmissione diretta quando è presente più carico. Quando è presente un carico inferiore, torna a OD. In determinate condizioni, ad esempio la guida in salita o il traino di un rimorchio, la trasmissione può "cacciare" tra il diametro esterno e la marcia successiva più alta, spostandosi avanti e indietro. In questo caso, spegnerlo può aiutare la trasmissione a "decidere". Può anche essere vantaggioso disattivarlo se si desidera il freno motore , ad esempio durante la guida in discesa. Il manuale del proprietario del veicolo conterrà spesso informazioni e procedure adeguate relative a tali situazioni, per ogni dato veicolo.
Praticamente tutti i veicoli (auto e camion) hanno oggi l'overdrive, sia con cambio manuale che automatico. Nell'aftermarket automobilistico puoi anche adattare l'overdrive alle prime trasmissioni esistenti. L'overdrive è stato ampiamente utilizzato nelle automobili europee con cambio manuale negli anni '60 e '70 per migliorare il chilometraggio e la guida sportiva come opzione imbullonata, ma è diventato sempre più comune per le trasmissioni successive avere questa marcia integrata. Se un veicolo è dotato di un overdrive imbullonato (es: GKN o Gear Vendors) invece di avere un overdrive integrato in uno avrà in genere la possibilità di utilizzare l'overdrive in più marce rispetto alla sola marcia più alta. In questo caso il cambio marcia è ancora possibile in tutte le marce, anche con overdrive scollegato. L'overdrive aggiunge semplicemente le gamme effettive alle marce, quindi la terza e la quarta overdrive diventano in effetti "terza e mezza" e una quinta marcia. In pratica questo dà al guidatore più rapporti che sono più vicini tra loro fornendo una maggiore flessibilità in particolare nelle auto ad alte prestazioni.
Come funziona un'unità overdrive
Un overdrive è costituito da un treno di ingranaggi epicicloidali ad azionamento elettrico o idraulico imbullonato dietro l' unità di trasmissione . Può accoppiare l' albero di trasmissione di ingresso direttamente all'albero di uscita (o albero di trasmissione ) (1:1) o aumentare la velocità di uscita in modo che ruoti più velocemente dell'albero di ingresso (1:1 + n ). Pertanto l'albero di uscita può essere "overdrive" rispetto all'albero di ingresso. Nelle trasmissioni più recenti, le velocità di overdrive sono tipicamente il risultato di combinazioni di ingranaggi epicicloidali/epicicloidali integrati nella trasmissione. Ad esempio, la trasmissione ZF 8HP ha 8 marce avanti, di cui due overdrive (< 1:1). Nei veicoli più vecchi, a volte è azionato da una manopola o da un pulsante, spesso incorporato nel pomello del cambio, e non richiede l'azionamento della frizione . I veicoli più recenti hanno un overdrive elettronico in cui il computer si adatta automaticamente alle condizioni di fabbisogno e carico di energia.
In Europa
La stragrande maggioranza degli overdrive nelle auto europee è stata inventata e sviluppata dal capitano Edgar J de Normanville (1882–1968) e prodotta dalla società inglese Laycock Engineering (in seguito GKN Laycock), nel suo sito di Little London Road a Sheffield. Il sistema ideato da de Normanville è stato adottato e prodotto da Laycock dopo il suo incontro casuale con un Laycock Products Engineer. Gli overdrive De Normanville sono stati trovati nei veicoli prodotti da Standard-Triumph , che sono stati i primi, seguiti da Ford , BMC e British Leyland , Jaguar , Rootes Group e Volvo per citarne solo alcuni. Un'altra società britannica, l'ex costruttore di aerei Fairey , costruì un'unità completamente meccanica di successo per la Land Rover , che è ancora oggi in produzione in America.
Il primo veicolo di serie a presentare il sistema Laycock fu lo Standard Vanguard Saloon del 1948. La prima unità ad essere creata fu l'overdrive di tipo A, che fu montato su molte auto sportive negli anni '50 e alla fine degli anni '60. Diversi marchi famosi utilizzavano overdrive di tipo A, tra cui Jaguar, Aston Martin, Ferrari, Austin-Healey, Jensen, Bristol, AC, Armstrong Siddeley e la gamma di auto sportive TR di Triumph, dalla TR2 fino alla fine dell'anno modello 1972 della TR6.
Nel 1959, la Laycock Engineering Company ha introdotto l'overdrive di tipo D, che è stato montato su una varietà di autovetture tra cui Volvo 120 e 1800 , Sunbeam Alpine e Rapiers , Triumph Spitfire e anche 1962-1967 MGB (quelle con trasmissioni 3-synchro ).
Dal 1967 fu introdotto l'overdrive di tipo LH, presente in una varietà di modelli, tra cui MGB 1968-1980 , MGC , Ford Zephyr , primi Reliant Scimitars , TVR e Gilbern .
L'overdrive di tipo J è stato introdotto alla fine degli anni '60 ed è stato adattato per adattarsi alle autovetture Volvo, Triumph, Vauxhall/Opel, American Motors e Chrysler e ai furgoni Ford Transit .
L'overdrive di tipo P ha segnato gli ultimi aggiornamenti e includeva sia una versione USA di Gear Vendors che una versione Volvo. La versione Volvo ha mantenuto le stesse dimensioni del pacchetto del tipo J ma con la ruota libera aggiornata a 18 elementi e scanalature più forti attraverso il portasatelliti. La versione USA di Gear Vendors utilizza un albero di uscita di diametro esterno 1.375 più grande per una maggiore capacità e un case posteriore più lungo.
In un periodo di 40 anni, Laycock Engineering ha prodotto oltre tre milioni e mezzo di unità overdrive, e oltre un milione di queste sono state montate su autovetture Volvo.
Nel 2008 la società statunitense Gear Vendors, Inc. di El Cajon, California, ha acquistato tutti gli asset overdrive di GKN per continuare la produzione della versione statunitense e di tutti i ricambi per i tipi J e P in tutto il mondo.
Il sistema è dotato di un dispositivo azionato dalla pressione dell'olio fissato sul retro del cambio standard che agisce sull'albero di uscita del cambio. Attraverso un sistema di pressione dell'olio, solenoidi e pistoni, l'overdrive abbasserebbe i giri su qualsiasi marcia su cui fosse utilizzato del 22% (.778). Ad esempio, il sistema overdrive applicato a una Triumph TR5 opera in 2a, 3a e massima marcia. Quando è attivato, l'overdrive diminuirà i giri da 3000 a 666 RPM, o da 3500 il calo sarebbe da 777 RPM a 2723 netti. I vantaggi che questo regime ridotto ha avuto sul consumo di carburante sono stati spesso una riduzione del 22% durante la guida in autostrada.
In Nord America
Nei giorni prima che le trasmissioni automatiche fossero comuni, specialmente negli anni '50, molte auto americane a trazione posteriore erano disponibili con un'opzione overdrive. Con miglioramenti sostanziali sviluppati a Muncie, nell'Indiana , da William B. Barnes per la produzione dalla sua Warner Gear Division, BorgWarner ha fornito la scatola che è stata installata in fabbrica tra la trasmissione e un albero di trasmissione scorciato. Poiché la funzione overdrive, se abilitata, poteva essere cambiata semplicemente accelerando senza premere il pedale della frizione , l'azione era molto simile a quella di un semiautomatico. Inoltre, un solenoide ad azionamento elettrico disattiverebbe l'unità tramite un interruttore sotto il pedale dell'acceleratore fornendo l'equivalente del kickdown dell'automatico. È stata inoltre fornita una manopola collegata a un cavo bowden , simile ad alcune applicazioni del freno di emergenza, per bloccare meccanicamente l'unità. L'uso dell'overdrive con la trasmissione principale a 3 velocità in 2a marcia era simile nel rapporto alla 3a marcia, e con la trasmissione principale in terza, il rapporto complessivo era frazionario (cioè, "vero overdrive"). Questo era importante per ridurre l'usura, la rottura, il rumore e la difficoltà di controllo.
Tali scatole overdrive aggiuntive erano disponibili dagli anni '30 agli anni '70 per auto e camion leggeri.
Oggi, la maggior parte delle auto e dei camion a benzina e diesel è dotata di una trasmissione overdrive a causa del vantaggio in termini di risparmio di carburante. L'overdrive è incluso in entrambe le trasmissioni automatiche e manuali come marcia extra (o due in alcuni casi).
Risparmio di carburante e usura della trasmissione
Quando si utilizza il cambio overdrive, la velocità del motore dell'auto diminuisce, riducendo l'usura e risparmiando normalmente carburante. Dal 1981 la legislazione sul risparmio medio di carburante aziendale (CAFE) degli Stati Uniti , praticamente tutti i veicoli domestici hanno incluso l'overdrive per risparmiare carburante. Si dovrebbe fare riferimento al manuale del proprietario dell'auto per la velocità corretta per funzionare in overdrive. Tutti i motori hanno una gamma di massima efficienza ed è possibile per l'uso dell'overdrive mantenere il motore fuori da questa gamma per tutto o parte del tempo del suo utilizzo se usato a velocità inadeguate, tagliando così in qualsiasi risparmio di carburante dal basso velocità del motore.
La riduzione complessiva della trasmissione si riduce a tre fattori fondamentali: ingranaggi della trasmissione (incluso l'overdrive), ingranaggi differenziali (nell'asse) e dimensioni dei pneumatici. Il problema della velocità di rotazione si verifica quando il cambio differenziale è un rapporto alto e viene utilizzato un overdrive per compensare. Ciò può creare vibrazioni sgradevoli alle alte velocità e possibile distruzione dell'albero di trasmissione a causa delle forze centripete o dell'equilibrio irregolare.
L'albero di trasmissione è solitamente un tubo metallico cavo che richiede il bilanciamento per ridurre le vibrazioni e non contiene rinforzi interni.
Le velocità più elevate sull'albero di trasmissione e sulle parti correlate possono causare problemi di calore e usura se si combinano un overdrive e un cambio differenziale elevato (o anche pneumatici molto piccoli) e creano attrito non necessario. Ciò è particolarmente importante perché gli ingranaggi differenziali sono immersi in olio pesante e raramente sono dotati di raffreddamento oltre all'aria che soffia sull'alloggiamento.
L'impulso è quello di ridurre al minimo l'uso dell'overdrive e fornire una prima marcia con un rapporto più elevato, il che significa più marce tra la prima e l'ultima per mantenere il motore alla sua velocità più efficiente. Questo è uno dei motivi per cui le automobili moderne tendono ad avere un numero maggiore di ingranaggi nelle trasmissioni. È anche il motivo per cui più di una marcia overdrive è raramente vista in un veicolo, tranne in circostanze speciali, ad esempio dove è richiesto un differenziale (numerico) elevato per far muovere il veicolo come nei camion o nelle auto ad alte prestazioni, sebbene le trasmissioni a doppio overdrive siano comuni in altri veicoli, spesso con un piccolo numero sulla riduzione dell'ingranaggio dell'asse, ma di solito si innestano solo a velocità superiori a 100 chilometri all'ora (62 mph).