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Tags: EmissioniZero, Emobility, Efficienza

In futuro, i motori a combustione continueranno a essere usati diffusamente. Con il cambio automatico a 8 marce di quarta generazione, ZF presenta una trasmissione che eroga prestazioni straordinarie, specialmente nei veicoli elettrici ibridi.
Johannes Winterhagen, settembre 10, 2019
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Johannes Winterhagen Quando le cose si fanno davvero difficili il giornalista che si occupa di temi dell'energia e della mobilità è nel suo elemento. Preferisce incontrare gli ingegneri in laboratorio.
Il cambio automatico a 8 marce di ZF per autovetture ha avuto una carriera da fiaba, con un numero di unità vendute, dal suo lancio sul mercato nel 2009, nell’ordine di molte decine di milioni. Dal suo lancio, gli ingegneri di ZF hanno rivisitato due volte questo cambio con convertitore di coppia, che ha ricevuto ampie lodi da conducenti e giornalisti, rendendolo adatto al montaggio longitudinale. A ogni revisione, il cambio è diventato ancor più facile da usare e allo stesso tempo ancor più efficiente. Il cambio a 8 marce di quarta generazione è pronto sui blocchi di partenza.

Straordinario: da subito come trasmissione ibrida

Straordinario: da subito come trasmissione ibrida

La produzione di questo cambio inizierà nel 2022. L’unica cosa che ha in comune con i modelli precedenti è che continua ad avere otto marce; a parte quest’aspetto, il nuovo modello presenta numerose funzioni nuove. “Per la prima volta abbiamo progettato ex novo un cambio automatico per il segmento superiore come trasmissione ibrida” ha affermato Stephan von Schuckmann, per poi aggiungere: “Ciò ha dato luogo a un sistema modulare che comprende a sua volta moduli elettrici, idraulici e meccanici ai quali il cliente può attingere e tra i quali può scegliere per creare la trazione ideale per il suo veicolo”. Von Schuckmann è a capo della divisione Sistemi di Trasmissione per Autovetture di ZF.
Il cambio automatico a 8 marce di quarta generazione di ZF è completamente idoneo all’uso in tutti i concept ibridi.

Nuova trasmissione in risposta ai nuovi requisiti

Nuova trasmissione in risposta ai nuovi requisiti

Perché è stato scelto un principio modulare? Il motivo consiste nei limiti di emissione di CO2 più severi imposti dai legislatori, che le case automobilistiche dovranno rispettare nei prossimi 10 anni. Poiché attualmente vengono prese in considerazione solo le emissioni generate dal veicolo stesso e non ad esempio quelle generate nella produzione del veicolo, quasi tutti i costruttori tentano di incrementare il fatturato con la vendita di veicoli elettrici a batteria. I veicoli elettrici, comunque, non sono adatti per ogni cliente e per ogni tipo di applicazione. “Per questo motivo ipotizziamo che circa il 70% delle nuove vetture nel 2030 continuerà ad avere un motore a combustione” ha spiegato von Schuckmann. Con l’obiettivo di ridurre il consumo di carburante e, conseguentemente, le emissioni in tali veicoli, nel prossimo decennio si affermeranno numerosi diversi tipi di ibridizzazione.

Equipaggiati per ogni applicazione ibrida

Equipaggiati per ogni applicazione ibrida

Il primo concept che merita di essere menzionato è la potente trazione ibrida plug-in. I veicoli equipaggiati con questa trazione possono raggiungere velocità fino a 130 km/h e hanno un’autonomia compresa tra 80 e 100 chilometri, alimentati unicamente a elettricità. In ZF, questo tipo di trazione viene denominato EVpus, una trazione elettrica supportata da un motore a combustione.
All’altra estremità della gamma di prestazioni vi sono sistemi ibridi “mild” da 48 volt. Con questa trazione, il motore elettrico viene utilizzato per offrire una potenza ulteriore in fase di partenza o di accelerazione e inoltre converte l’energia generata in frenata, che viene quindi immagazzinata nella batteria. Il nuovo cambio automatico a 8 marce è completamente adatto all’uso in tutti questi concept ibridi e può raggiungere prestazioni elettriche straordinarie, comprese tra 24 e 160 kilowatt.
Questo spiega perché la quantità di lavoro necessario da svolgere sulla nuova trasmissione era ben più di una semplice messa a punto tecnica. Per soddisfare i requisiti dei nuovi modelli di veicolo ibrido plug-in, un potente motore elettrico doveva essere integrato nello spazio di installazione limitato all’interno della scatola del cambio (scatola del convertitore di coppia).
“Per la prima volta abbiamo progettato ex novo un cambio automatico per il segmento superiore come trasmissione ibrida”.
— Stephan von Schuckmann è a capo della divisione Sistemi di Trasmissione per Autovetture di ZF

Nuovo motore elettrico efficiente in uso

Nuovo motore elettrico efficiente in uso

Questo motore elettrico è realizzato in un processo innovativo dalla divisione Mobilità elettrica di ZF. Le prestazioni di un motore elettrico dipendono dal “livello di riempimento di rame” del rotore, vale a dire dal rapporto tra materiale conduttivo e volume totale. Al fine di massimizzare questo rapporto, gli ingegneri di ZF non utilizzano più filo di rame in spire per le varianti ad alte prestazioni, bensì barre di rame che sono inserite e saldate assieme.

Elettronica di potenza, ora nella scatola cambio

Elettronica di potenza, ora nella scatola cambio

Un’altra nuova caratteristica è rappresentata dal luogo in cui l’elettronica di potenza è alloggiata.
In tutti i veicoli ibridi di serie, questa finora era installata in una scatola separata in un punto qualsiasi del veicolo, dal momento che lo spazio nel vano motore era molto ristretto. Ne consegue che cavi lunghi metri potevano spesso andare dall’elettronica di potenza alla trasmissione. Con la nuova trasmissione ciò non è più necessario, dal momento che l’intera elettronica di potenza è integrata nella scatola del cambio. Ciò ha rappresentato un’enorme sfida per il team di progettisti capeggiato dal dott. Michael Ebenhoch. “Da un lato, dovevamo liberare spazio nella scatola, mentre dall’altro dovevamo progettare l’elettronica di potenza in modo tale che fosse il più piccola possibile” ha spiegato il responsabile di sviluppo della divisione Sistemi di Trasmissione per Autovetture. Alla miniaturizzazione dell’elettronica di potenza sono stati comunque imposti dei limiti.

Nuovi approcci: raffr., cambio e circuito dell’olio

Nuovi approcci: raffr., cambio e circuito dell’olio

Benché il semiconduttore di potenza sia di dimensioni contenute, commuta correnti elevate. All’interno di questo processo, i semiconduttori generano molti kilowatt di potenza termica che devono essere scaricati. L’elettronica di potenza, anziché essere raffreddata dall’olio del cambio, è connessa al circuito di refrigerante nel sistema A/C del veicolo. Durante questi tentativi di trovare spazio sufficiente per l’elettronica di potenza nella scatola del cambio, il team di ingegneri di Ebenhoch ha analizzato tutti i componenti negli attuatori idraulici coinvolti nel processo di cambio marcia. Ora sono le valvole di comando diretto elettromagnetiche a svolgere questo lavoro. Diversamente dagli attuatori di pressione elettrici precedentemente utilizzati, queste valvole di comando diretto elettromagnetiche non richiedono pistoni e boccole ulteriori. Sostituendo questi attuatori, la quantità di spazio di installazione necessario per il dispositivo di comando idraulico è scesa da 3,1 e 1,8 litri.
Tutti gli altri componenti nel nuovo kit di costruzione del cambio sono stati intelligentemente progettati per il funzionamento ibrido. Ciò risulta particolarmente evidente nel circuito dell’olio. Prima venivano utilizzate due pompe dell’olio: una pompa rotativa a palette molto efficiente azionata direttamente dal motore a combustione e una seconda pompa elettrica o una memoria a impulsi per il funzionamento elettrico. Il nuovo cambio automatico a 8 marce viene fornito con una singola pompa split-case. Quando il motore a combustione è spento, la pompa viene azionata da un piccolo motore elettrico.

Meccanica migliorata per una maggiore efficienza

Meccanica migliorata per una maggiore efficienza

A prima vista non pare che siano state apportate modifiche alla meccanica del cambio di quarta generazione: due freni e tre frizioni continuano a commutare i quattro gruppi epicicloidali. “In ogni caso abbiamo controllato ogni dettaglio e soprattutto abbiamo ridotto considerevolmente la perdita di frizione” ha spiegato Ebenhoch. La ricompensa per tutta la fatica compiuta: ottimizzando la sola meccanica, la quantità di CO2 emessa per ogni chilometro percorso in cui il motore a combustione è in uso è scesa di un grammo.
I lavori sul cambio automatico a 8 marce di quarta generazione sono ora a uno stadio molto avanzato. BMW e Fiat Chrysler hanno già deciso di utilizzare questa trasmissione sui loro veicoli. I primi test su strada verranno svolti al più tardi quest’anno e l’impianto ZF di Saarbrücken si sta già preparando all’industrializzazione.

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