Il nuovo cambio automatico a 8 rapporti per motorizzazioni ibride: semplificazione e 160 kW sulle plug-in
Il cambio automatico delle auto ibride è diverso da quello delle termiche? Sì, pensando che in genere le trasmissioni ibride sono costruite prendendo una “classica” efficiente e sostituendo il convertitore di coppia con un motore elettrico a più alta densità di potenza. ZF però ha ribaltato la situazione, progettando la sua nuova generazione di trasmissioni a 8 rapporti per l’ibridizzazione. Un sistema modulare consente alle ibride di tipo mild, full o plug-in di raggiungere prestazioni superiori, comprese tra 24 e 160 kW. L’elettronica di potenza non è più separata, ma integrata nella scatola del cambio senza aumentarne le dimensioni esterne. Con una nuova e più piccola centralina idraulica, ZF ha creato lo spazio per i componenti elettrici ed elettronici.
Il modello plug-in della nuova trasmissione automatica che è nelle intenzioni sia del gruppo BMW sia di quello FCA (in primis su Jeep) usa un motore elettrico da massimo 160 kW e una potenza costante di 80 kW. La coppia massima, ottenuta anche senza attivare il motore termico, è di 450 Nm. I nuovi motori elettrici sviluppati da ZF sfruttano barre di rame saldate al posto di avvolgimenti di fili, aumentando la percentuale di rame con effetti importanti sulla densità di potenza.
Ibridi leggeri
Le motorizzazioni mild hybrid (48V) saranno delle più diffuse, nei prossimi decenni. Le trasmissioni a 48 V possono essere installate tipicamente sull’albero in uscita dal motore e sull’albero di ingresso. Nella nuova generazione ZF, il motore elettrico può raggiungere potenza di 25 kW.
Elettronica di potenza
I motori elettrici sono controllati tramite l’elettronica di potenza che ha duplice funzione: convertire la corrente continua dalla batteria in corrente alternata e controllare potenza e velocità del motore elettrico. Fino a oggi, l’elettronica di potenza era alloggiata in una scatola separata, per tutte le trasmissioni di serie ibride. Con la nuova quarta generazione, ZF ha integrato tutta l’elettronica nella scatola del cambio. L’assemblaggio della trasmissione ibrida non risulta così più complesso di quello di una tradizionale e sono necessari meno cavi ad alta tensione. Il target è stato raggiunto con una soluzione per il raffreddamento e altri sviluppi. I semiconduttori di potenza, specialmente l’IGBT per il modello ad alta tensione, producono calore di scarto. Questo viene dissipato collegando l’elettronica di potenza al circuito del refrigerante di aria condizionata. Lo sviluppo più importante è stato diminuire le dimensioni della centralina idraulica, che innesca i cambi marcia nella meccanica della trasmissione. Quella nelle attuali trasmissioni automatiche a 8 rapporti richiede un volume di 3,1 litri. Nelle prossime si riduce a 1,8. Ciò è reso possibile grazie a valvole di intercettazione ad azione diretta. I nuovi attuatori elettromagnetici non richiedono più pistoni e boccole aggiuntivi.
Pompa olio
In precedenza venivano utilizzate due pompe dell’olio: una a palette rotative azionata direttamente dal motore e una elettrica e/o ad impulsi per il funzionamento elettrico. In futuro, sarà utilizzata un’unica pompa. Quando il motore termico è spento, viene azionata da un piccolo motore elettrico collegato direttamente. La meccanica del nuovo sistema per la trasmissione contribuisce anch’essa al funzionamento efficiente in modalità ibrida. Sebbene il corpo rimanga lo stesso con 4 riduttori epicicloidali e cinque componenti per il cambio, l’efficienza è stata ulteriormente migliorata ottimizzando le perdite di attrito.
Mappatura a modelli
La trasmissione di nuova generazione è progettata per consentire a motore e trasmissione di essere installati longitudinalmente, configurazione azzeccata nel segmento premium. Le 8 marce consentono una riduzione massima fino a 8,6:1 con rapporti corti. Inoltre, lo smorzatore di vibrazioni centrifugo a pendolo è stato ottimizzato in modo che si senta a malapena il passaggio dal funzionamento elettrico a quello termico. In futuro, il controllo della trasmissione non sarà più basato su mappe caratteristiche ma su modelli matematici, di tutti i componenti di sistema.
La produzione della prossima generazione di trasmissione automatica a 8 rapporti partirà in Germania, nel 2022. Il lancio sul mercato in Cina e Stati Uniti sarà immediato.
