Tecnica: Toyota e-CVT, ecco come funziona

di Massimo Clarke

Geniale, compatto ed efficiente, ma non certo semplice…

di Massimo Clarke

19 febbraio 2018

Le trasmissioni a variazione continua di rapporto sono conosciute come CVT. Si tratta dei ben noti variatori, che in genere sono del tipo con pulegge espansibili e cinghia trapezoidale. Quest’ultima sulle auto lavora a compressione mentre sugli scooter, dove le coppie da trasmettere sono molto più basse, lavora a trazione. Questi dispositivi possono essere impiegati con qualunque tipo di motore, che viene mantenuto in funzione a regime pressoché costante. Il cambiamento della velocità del mezzo viene ottenuto variando il rapporto di trasmissione. Al di fuori del campo di funzionamento del variatore, per fare aumentare ancora la velocità del veicolo si agisce sul regime di rotazione del motore.

Quella scelta dalla Toyota però è una strada completamente diversa. La sua trasmissione a variazione continua non solo è stata studiata per integrarsi perfettamente con il concetto dell’ibrido, ma funziona solo con tale tipo di trazione che, oltre al classico motore termico, prevede anche uno o due motori elettrici. Denominata e-CVT, quella della Toyota è una trasmissione dedicata che viene gestita dalla centralina elettronica, la quale tiene conto del tipo di percorso, delle modalità di guida (ovvero della richiesta di potenza da parte del conducente, del fatto che si acceleri o si deceleri…) e dello stato di carica della batteria.

Vengono impiegati un motore a combustione interna e due motogeneratori elettrici sincroni a corrente alternata trifase, collegati tra loro e alla trasmissione finale da due gruppi epicicloidali accoppiati (uno è collegato al motogeneratore principale, di maggiore potenza, e l’altro al motogeneratore secondario e al motore termico).

I motogeneratori vengono così chiamati perché a seconda delle situazioni possono fungere da motori o da alternatori; nel primo caso ricevono corrente elettrica e forniscono energia meccanica mentre nel secondo fanno il contrario.

Il motore termico viene impiegato sia per la trazione (in certe condizioni) che per azionare il motogeneratore secondario, che può così produrre energia elettrica.

A immagazzinare quest’ultima provvede una batteria al nichel-idruri metallici, costituita da 28 moduli da sei celle ciascuno, che fornisce o accumula corrente a 201 volt. Poiché i motogeneratori erogano corrente alternata, per poterla immagazzinare occorre trasformarla in corrente continua, e il contrario deve avvenire quando l’energia elettrica viene prelevata dalla batteria (per andare ad alimentare gli stessi motogeneratori). Questa funzione fondamentale viene svolta da un inverter/converter, che è anche in grado di variare la tensione della corrente.

I gruppi epicicloidali sono dispositivi versatili e compatti, in grado di svolgere più funzioni. In campo automobilistico si impiegano nelle trasmissioni automatiche di schema classico (quelle con il convertitore di coppia, per intenderci), ove fungono da cambi di velocità, e vengono ampiamente utilizzati anche come riduttori, ripartitori di coppia e differenziali. Descriverli è facile, ma spiegare il loro funzionamento spesso non lo è affatto.

Un tipico gruppo epicicloidale è costituito da un ingranaggio centrale (spesso chiamato pignone solare, anche se fino a qualche anno fa era noto come planetario) in presa con alcuni satelliti, ingranaggi montati sui perni di una gabbia che sono in presa anche con la corona a dentatura interna che racchiude il tutto. Si vengono così ad avere tre alberi coassiali, collegati rispettivamente con il pignone solare, la gabbia portasatelliti e la corona. Il moto può essere trasmesso dunque sempre sullo stesso asse di rotazione, anche se con velocità (e coppie) differenti. Almeno uno degli alberi deve essere tubolare e venire attraversato per tutta la sua lunghezza da un altro. La compattezza d’assieme è rimarchevole.

Nel nostro caso il gruppo epicicloidale dal lato del motore termico riceve il moto da quest’ultimo tramite la gabbia portasatelliti, dalla quale la coppia viene ripartita: la maggior parte va alla corona, che la invia alla trasmissione finale, mentre una quota inferiore (poco più di un quarto) va al pignone solare, e quindi al motogeneratore secondario. La corona è dentata anche esternamente e ciò le consente di trasmettere il moto al gruppo di riduzione finale e al differenziale, dal quale fuoriescono i due semiassi collegati alle ruote motrici della vettura. Dall’altro lato la corona ha una seconda dentatura interna, collegata al motogeneratore principale per mezzo dei satelliti (i quali girano sui perni della gabbia, che in questo caso è fissa) e del pignone solare (vincolato alla estremità dell’albero del motogeneratore stesso).

Dunque il gruppo epicicloidale doppio in questa trasmissione funge da riduttore e differenziale (i motori elettrici e quello termico non girano alla stessa velocità). Il moto esce sempre dalla corona, che invia alla trasmissione finale la coppia generata, nelle diverse condizioni di funzionamento, dal motore termico e dai due motogeneratori.

Una funzione di notevole importanza, dato che ha una influenza molto positiva sul contenimento dei consumi, è quella del recupero di energia. In decelerazione e in discesa l’energia di movimento del veicolo viene convertita in energia elettrica: i due motogeneratori vengono trascinati in rotazione dalla trasmissione e quindi producono corrente, che viene fornita alla batteria.

L'e-CVT della Toyota funziona quindi regolando come opportuno gli interventi del motore termico e di ciascuno dei due motogeneratori. Questa autentica sinergia viene ottenuta grazie sia alla gestione elettronica della erogazione (e quindi della coppia e del regime di rotazione) dei motori che all’azione dei gruppi epicicloidali.

Ad avviare il motore termico, quando necessario, provvede il motogeneratore secondario, che funge quindi anche da motorino d’avviamento.

Nel funzionamento del veicolo alle basse velocità, con il pedale dell’acceleratore premuto in misura limitata e con la batteria ben carica, la trazione è solo elettrica.

A media velocità o con la batteria parzialmente scarica l’auto avanza grazie alla azione del motore termico (che trascina in rotazione anche un motogeneratore).

In salita o quando si deve accelerare con decisione, è necessario disporre della massima potenza e quindi la trazione è al tempo stesso elettrica e assicurata dal motore termico. Infine, in decelerazione e in frenata l’energia viene recuperata, sotto forma di corrente elettrica, da entrambi i motogeneratori.