La frizione

[davideC30]

Tra i vari comandi di guida, i più complessi da usare sono il cambio manuale e la relativa frizione. Ma come funzionano questi due componenti e, soprattutto, a che servono? La domanda è meno banale di quanto sembri: siamo talmente abituati all'uso del cambio che la sua esistenza ci sembra quasi un atto dovuto su cui non andare minimamente ad indagare. Ed è un errore: non bisogna mai limitare la propria curiosità... Comunque, se avete un po' di tempo, cercherò di enunciarvi nel modo più semplice possibile il perché dell'esistenza della frizione e del cambio.

Partiamo da un principio importantissimo: ogni motore (inteso come " macchina in grado di produrre movimento) ha un determinato campo di utilizzo, ovvero, riesce a fornire movimento solo quando il proprio regime di rotazione è compreso tra due valori.
Ci sono motori il cui campo di utilizzo ha un valore minimo uguale a zero, mentre ve ne sono altri il cui campo di utilizzo ha un valore minimo maggiore di zero. Nel primo caso, il motore sarà in grado di compiere un lavoro partendo da fermo sino al raggiungimento del proprio regime massimo. Nel secondo caso, il motore avrà un regime minimo di rotazione al di sotto del quale non sarà in grado di compiere alcun lavoro. Del primo gruppo fanno parte i motori elettrici e i motori a combustione esterna (come quelli a vapore); del secondo fanno parte i motori montati sugli autoveicoli, a combustione interna a ciclo Otto o Diesel.

Ma perché un motore a vapore è in grado di partire da fermo (avete presente le locomotive a vapore...) mentre un motore a benzina deve necessariamente avere un regime minimo di rotazione?
Semplificando si può dire che: mentre un motore a vapore o un motore elettrico ricevono energia (prodotta da una caldaia esterna o accumulata nelle batterie), in senso lato, già "pronta" per essere trasformata in movimento; un motore a combustione interna deve provvedere a: miscelare elementi inizialmente "inerti", quali il combustibile e comburente ossigeno) trasformandoli in "esplosivo", aspirarli, comprimerli, incendiarli e solo alla fine poterne sfruttare l'energia sprigionata. Quindi, mentre un motore elettrico, riceve corrente e inizia a produrre movimento, un motore a benzina, prima di produrre movimento, deve copiere una serie di fasi non utili, ovvero, che non producono energia, ma che l'assorbono. Risultato finale: nel motore d'automobile è necessaria una fonte di energia per l'avviamento (che avviene tramite motore ausiliario d'avviamento mosso, nel caso degli autoveicoli, da corrente elettrica) e c'è un regime minimo in cui il funzionamento è bilanciato - il motore produce quel minimo di movimento utile esclusivamente a compiere le fasi necessarie alla produzione di energia, sufficiente al suo sostentamento - sotto il quale il non è in grado di compiere lavoro.

La Frizione

Spaccato frizione Di questo "difettuccio" dei motori a combustione interna, se ne sono accorti i pionieri dell'auto, quando hanno capito che, senza l'interposizione di un organo che provvedesse a interrompere la trasmissione di moto tra propulsore e ruote, sarebbe stato impossibile fermare qualsiasi mezzo a motore endotermico senza arrestarne il propulsore. E v'immaginate che noia dover riavviare il motore dopo ogni arresto, anche il più breve?
Ecco come nasce la frizione, ovvero un organo capace di interrompere il collegamento "motore - ruota", quando quest'ultimo costringerebbe il propulsore al di sotto del regime minimo e quindi all'arresto.
Una volta stabilita la funzione del nuovo componente, però, i pionieri dovettero fare i conti con l'onnipresente forza d'inerzia (di cui abbiamo già parlato in più occasioni...).
Mi spiego: mentre l'interruzione del moto diretto verso le ruote può essere fatta istantaneamente, l'erogazione del moto alle ruote di un veicolo fermo deve avvenire gradualmente, perché è necessario vincere la forza d'inerzia di quest'ultimo prima di indurlo al movimento. Quindi, la frizione non solo deve interrompere e ripristinare il collegamento motore-ruota, ma deve anche essere in grado di farlo gradatamente.
In altri termini: se l'energia, erogata in misura costante da un motore che ruota ad un determinato regime, deve giungere alle ruote gradualmente, vuol dire che parte di essa deve andar smaltita in altro modo, in misura decrescente, dal momento in cui il veicolo è fermo a quando è in grado di muoversi.
Ora, siccome Lavoisier dice che "l'energia non si crea a non si distrugge", quest'ultima deve essere trasformata in qualcosa. La frizione trasforma l'energia in eccesso in calore. La trasmissione del moto, attraverso la frizione può avvenire tramite materiale d'attrito (come nelle trasmissioni meccaniche e semi automatiche) o con l'utilizzo di fluidi viscosi.

Frizioni a Disco e Frizioni Centrifughe
Frizione a disco Le frizioni dotate di materiale d'attrito sono in genere formate da uno o più dischi, dotati di pattini in materiale simile a quello delle guarnizioni d'attrito dell'impianto frenante, solidali con l'albero in entrata nel cambio. Ogni disco fa presa su un piatto, collegato rigidamente all'albero motore.
L'entità del contatto tra il disco frizione ed il piatto è variabile, grazie ad un particolare meccanismo che prevede l'avvicinamento graduale tra i due componenti. Quando l'aderenza tra questi due è massima, la potenza dal motore viene trasmessa interamente, senza dispendio di energia, agli organi di trasmissione. Quando, invece, non è completa, avviene uno slittamento tra disco e piatto, tale che parte dell'energia del motore si tramuta appunto in calore e, in questo caso, usura del materiale d'attrito che costituisce i pattini.

Immagine posizioni della frizione Il contatto tra disco e piatto è regolato dal pilota tramite il pedale della frizione: quando è premuto non c'è attrito tra i due e il motore gira a vuoto, quando è totalmente rilasciato il contatto è massimo e il collegamento con le ruote è praticamente rigido.
Nelle trasmissioni semi-automatiche (tipo Marelli Selespeed, ad esempio) le funzioni svolte dal guidatore tramite il pedale della frizione, sono compiute in frazioni di secondo da appositi servo-meccanismi elettroidraulici.

Immagine frizione ad attrito Un particolare tipo di frizione ad attrito è quello montato attualmente sui ciclomotori, detto "frizione centrifuga". Si tratta di una frizione dotata di una tazza, solidale con la trasmissione, in cui ruota un disco ad essa coassiale e solidale all'albero motore. Ai bordi di quest'ultimo sono imperniate, per una estremità, delle ganasce dotate di pattini. Quando il motociclista accelera per impartire il moto, aumenta il regime di rotazione del motore e, conseguentemente, quello del disco, interno e coassiale alla tazza della frizione. L'aumento di rotazione del disco causa un'impennata della forza centrifuga ai suoi bordi che spinge verso l'esterno le ganasce. I pattini di queste ultime, sotto l'effetto della forza centrifuga, toccano la parete interna della tazza (che lo ricordiamo, è solidale con la trasmissione) e le trasmettono gradualmente il moto generato dal propulsore.
Questo tipo di frizione, utilizzato qualche decennio fa, anche su alcune automobili a cambio automatico, contrappone al funzionamento automatico l'incapacità di garantire un collegamento rigido tra propulsore e trasmissione implicando, quindi, un costante dispendio di energia, sotto forma di calore e di usura, che si trasforma in un aumento del consumo di carburante.


Frizioni Idrauliche

Le frizioni a fluidi viscosi, dette "frizioni idrauliche", utilizzano una macchina idraulica particolare: il "convertitore di coppia". Semplificando al massimo, si può dire che questo meccanismo è dotato di una pompa (detta anche "conduttrice", collegata rigidamente all'albero motore) e di una turbina (detta "condotta" e collegata rigidamente alle ruote). Tra le due è presente un fluido viscoso il cui compito è quello di trasferire il movimento dalla prima alla seconda, assorbendo l'energia eventualmente in eccesso riscaldandosi. Tra le parti in movimento vi è una terza, immobile e chiamata "statore" che provvede alla regolazione del flusso del fluido tra pompa e turbina.
Quando il guidatore accelera, la pompa mette in pressione il fluido che, attraverso lo statore, giunge alla turbina a cui trasmette gradualmente il movimento. Anche questo tipo di frizione, come quella centrifuga, implica un costante slittamento tra le parti in movimento con relativo dispendio di energia e consumo di carburante. Per questo i convertitori di coppia dell'ultima generazione, oltre ad usare fluidi particolari, reagenti a determinate temperature, sono dotati di bloccaggio ovvero, oltre un certo regime di rotazione e ad opportuni livelli di coppia e di carico del motore, conduttrice e condotta si bloccano solidamente tra loro, evitando, quindi, le perdite di energia per slittamento.

A causa delle caratteristiche degli olii, il riscaldamento del fluido è stato negli anni passati uno di punti deboli dei convertitori. Per questo motivo, gli autobus urbani di qualche anno fa erano dotati di un termometro in plancia che ne monitorava proprio la temperatura.
In realtà, molti, potrebbero obiettare che è possibile evitare che l'azione della frizione avvenga gradualmente. Aumentando in misura sufficiente il regime di rotazione del propulsore e lasciando istantaneamente la frizione, effettivamente il motore non si arresta, continua tranquillamente nella sua rotazione ma, il compito della frizione (lo smaltimento di energia in eccesso), in questo caso, lo svolgono i pneumatici che perdono aderenza, si riscaldano e si usurano. Anche qui, però, i "saputelli" avrebbero da ridire che, se il veicolo avesse l'ASR, l'intervento dell'antislittamento evita la perdita di aderenza delle gomme. Giusto, ma in ogni caso l'energia che avrebbe dovuto smaltire la frizione non scompare, è semplicemente ripartita fra i pneumatici, che anche in presenza dell'ASR effettuano tanti piccolissimi micro-slittamenti, e l'impianto frenante, che ha il compito di frenare l'esuberanza delle ruote trasformandone l'energia in calore per dischi e in usura e riscaldamento per i pattini dei freni.