Cambio di velocità: ora anche per le auto elettriche?

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La recentissima Porsche Taycan forse non sarà ricordata come la prima auto ad aver battuto la Tesla Model S su accelerazione, autonomia o abbordabilità (sotto tutti e tre gli aspetti, infatti, sarebbe leggermente inferiore), ma di certo non passerà inosservata la scelta assolutamente non convenzionale di montare un cambio di velocità a 2 rapporti.

Ma come? Non si è sempre detto che le auto elettriche non hanno bisogno di cambio nè frizione, grazie alla curva di coppia con valori molto elevati già a 0 giri e al campo di funzionamento molto esteso?

Il cambio sulle auto elettriche

Vero, non si può parlare di un vero e proprio “bisogno”, ma con un rapporto di trasmissione singolo, il campo di funzionamento del motore, che è comunque limitato, ancorchè molto più ampio rispetto a quello dei motori termici, va “mappato” sul range di velocità della vettura scegliendo una riduzione (per esempio 10:1) che assicuri il compromesso che serve: eventualmente rinunciando a un po’ di velocità massima per avere più spunto, oppure il contrario.

Nelle auto elettriche “normali” la curva di coppia del motore elettrico è sufficientemente piatta, corposa ed estesa da assicurare al tempo stesso una brillante accelerazione e ripresa alle basse velocità e una velocità massima anche superiore ai limiti prescritti dal Codice.

Quindi, se scegliendo opportunamente un singolo rapporto di trasmissione fisso si riescono a raggiungere, poniamo, i 150-160 km/h e ad ottenere una accelerazione 0-100 in 7-8 secondi, il risultato può bastare per un’auto elettrica media destinata a un utilizzo standard. Anche perché accelerazioni brucianti e lunghi viaggi autostradali veloci non aiutano di certo ad ottenere una accettabile autonomia.

La vocazione sportiva può beneficiare del cambio

Se però l’auto ha una vocazione sportiva e si prevede un suo utilizzo alle alte velocità (o in pista, o su autostrade prive di limite di velocità e adeguatamente disseminate di colonnine di ricerica rapide, come in Germania), allora non è più accettabile barattare un po’ di velocità massima per un po’ di accelerazione, o viceversa. Si vogliono entrambe le cose, al massimo livello ottenibile con il motore a disposizione.

Per meglio rendere il concetto estremizzandolo un po’, è come se su un’auto termica con motore da 200 CV e cambio meccanico si dovesse scegliere fra avere, diciamo, o solo la prima o solo la quinta.

Nel primo caso (solo la prima marcia) ci sarebbe un ottimo scatto da fermo e fino alle medie velocità, ma arrivati magari a 50-60 km/h il motore non riuscirebbe più a prendere giri perchè la curva di coppia prima o poi declina sempre all’aumentare del regime di rotazione; così, anche se magari la potenza del motore termico sulla carta basterebbe per far avanzare quell’auto anche a 200 km/h, di fatto i 200 km/h non sarebbero raggiungibili perchè il rapporto del cambio è talmente corto da non far corrispondere il picco di potenza del motore con la velocità a cui la potenza resistente (quella necessaria per avanzare) è uguale alla potenza massima del motore.

La marcia troppo corta fa esprimere al motore la sua potenza massima a una velocità bassa alla quale la potenza necessaria per avanzare, poniamo 30 CV, è molto inferiore a quella di cui il motore è capace; il surplus di potenza di 170 CV produce, lì per lì, una buona accelerazione, ma ben presto la coppia motrice cala tanto che non c’è già più potenza sufficiente per raggiungere velocità superiori, quelle alle quali servirebbe la potenza massima (in una parola, non c’è “allungo” sufficiente).

Un po’ come succedeva in quelle auto con cambio, poniamo, a 5 marce nelle quali la quinta era spesso definita “di riposo”, ossia talmente lunga da non consentire di arrivare alla velocità massima, che invece si raggiungeva in quarta (spesso detta “di potenza”).

Nel secondo caso (solo la quinta marcia) il picco di potenza del motore è correttamente posizionato per essere espresso proprio in corrispondenza alla velocità alla quale occorrono esattamente 200 CV per avanzare. Quindi la velocità massima effettiva coincide con quella teoricamente raggiungibile in base al bilancio fra potenza resistente e potenza motrice, però alle basse velocità e da fermo il rapporto di trasmissione “lungo” demoltiplica eccessivamente la coppia, al punto che quasi non ce n’è abbastanza per vincere lo spunto da fermo e partire, e anche se alla fine ci si riesce (probabilmente mandando arrosto la frizione..), la successiva accelerazione è fiacca.

Elettriche vs termiche, un fattore di coppia

Nelle auto elettriche il quadro non è così drammatico come sulle termiche perchè

  • il motore elettrico ha generalmente coppia abbondante anche a zero giri (mentre un motore termico, fra 0 giri e il regime di minimo, non ha neanche la coppia necessaria per mantenere in rotazione sè stesso: appunto per questo nei termici esiste il concetto obbligato di regime minimo);
  • il campo di funzionamento (ad esempio inteso come l’intervallo di regimi di rotazione entro il quale è disponibile l’80% della coppia massima; oppure, secondo accezione più consona all’utilizzo sportivo, come l’intervallo fra il regime di coppia massima e quello di potenza massima) è più esteso rispetto a quello dei motori termici, grazie alla curva di coppia di forma piatta e che declina in modo graduale e progressivo.

Due elementi che (pur di scegliere bene il rapporto finale) consentono di ottenere un ottimo compromesso fra velocità e accelerazione anche con un cambio monomarcia, perfino con auto ad alta velocità come le Tesla Model S o X: sulla scia dell’esempio precedente si potrebbe dire che “il motore è talmente generoso ed elastico che con la sola terza marcia si fa tutto”.

Spingere al massimo l’ottimizzazione

Se però si vuole spingere all’estremo l’ottimizzazione a entrambi gli estremi del campo di velocità, allora un cambio a più rapporti aiuta perfino su auto elettriche. I limiti invalicabili sono: da un lato, il pattinamento in accelerazione (avere più coppia alle ruote di quanta consenta di trasmetterne a terra l’aderenza degli pneumatici su strada asciutta e con temperature ambientali ottimali è perfettamente inutile, quindi accorciare troppo i rapporti non ha senso); dall’altro, la potenza disponibile, che – qualunque rapporto si scelga – non consente di superare la velocità alla quale le resistenze all’avanzamento (aerodinamica, attriti di rotolamento, attriti interni della trasmissione,..) equivalgono esattamente alla potenza massima.

In teoria l’ideale per l’accelerazione sarebbe poter disporre, a qualunque velocità compresa fra 0 km/h e la velocità massima, una coppia alle ruote appena inferiore al limite di pattinamento. In pratica questo non è nè realistico nè ottenibile senza compromessi o sprechi, perciò ci si accontenta (si fa per dire) di avere una coppia che si mantenga ai limiti del pattinamento fra 0 km/h e la velocità più alta possibile, oltre la quale si accetta un graduale declino della spinta purchè alla fine risulti effettivamente raggiungibile la velocità massima teorica (quella determinata sulla base del bilancio di potenze).

Il cambio a due rapporti sulla Taycan

È proprio questo quello che si è voluto ottenere sulla Taycan grazie a un cambio a 2 rapporti, raffreddato a liquido (solo sul motore al retrotreno; il motore anteriore è monomarcia).

Il cambio a 2 rapporti, raffreddato a liquido, montato al retrotreno sulla Porsche Taycan

Il motore anteriore eroga, a valle del riduttore monomarcia, una coppia alle ruote di quasi 3500 Nm, costante fino a circa 85 km/h, per poi declinare gradualmente.

Al retrotreno invece, a valle del cambio, alle ruote arrivano dal motore posteriore, in prima marcia, una coppia di circa 8500 Nm, che resta costante fino a quasi 50 km/h, per poi imboccare il classico trend declinante, fino a circa 100 km/h, quando viene fatta subentrare la seconda marcia, nella quale a parità di velocità delle ruote il motore gira più lentamente, trovandosi in regimi di coppia più favorevole (seppure con demoltiplicazione maggiore) e il declino risulta quindi più dolce.

La coppia complessiva alle ruote è rappresentata dalla curva blu, che è la somma delle curve rossa (motore anteriore) e, fino alla cambiata, verde scuro (motore posteriore in prima marcia), o, dopo la cambiata, verde chiaro (motore posteriore in seconda marcia). La velocità alla quale effettuare la cambiata viene scelta a seconda delle impostazioni di guida scelte (Range, Normal, Sport), con Range che farà maggior uso della seconda marcia e Sport che seguirà la logica opposta.

Grazie al cambio, quindi, la potenza complessiva di 460 kW può essere erogata con un mix regime-coppia cinematicamente più appropriato per avere sia una elevata coppia massima alle basse andature (quasi 12000 Nm alle ruote fino a quasi 50 km/h), sia un allungo che consenta di raggiungere la velocità massima teorica in modo comunque più rapido rispetto agli stessi propulsori ma abbinati a una trasmissione monomarcia.

Dato il significativo sbalzo nel rapporto di trasmissione fra le sole due marce, il cambio ha bisogno di qualche tempo per adeguare la propria velocità di rotazione, quindi la cambiata è veloce, ma intenzionalmente non “troppo” veloce; diciamo al livello di un normale doppia frizione.

Ma la Tesla Model S fa meglio in accelerazione

Tutto ben studiato e più che fondato dal punto di vista fisico, ma forse c’è ancora qualcosa da ottimizzare dal momento che, sulla base delle informazioni disponibili, la Model S riesce comunque a fare meglio in accelerazione, pur disponendo di una trasmissione a rapporto fisso (“ha solo la terza”, per così dire).

Con architettura, pesi, potenze, Cx e sezione frontale simili, forse è qualche scelta azzeccata nella gestione software del powertrain (una tecnologia che obiettivamente fa parte del Dna di Tesla più che di quello di qualunque car maker tradizionale, per quanto prestigioso) riesce, sulla Model S, a più che controbilanciare i vantaggi teorici della catena cinematica più complessa e raffinata della Porsche.


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1 COMMENTO

  1. praticamente leggendo le conclusioni dell’articolo di fatto nonostante il veicolo prodotto da Porsche sia recentissimo non riesce a tenere il passo con la tecnologia della Tesla Model S progettata 7 anni fa. Come la vedo buia per tutti i produttori di macchine. Sembra un po questione di carma, tutti deridevano , non credevano e scommettevano sul fallimento di Tesla. Adesso tutti devo rincorrere… da lontano … e sperare che Tesla gli lasci qualche spazio per sopravvivere. Che tristezza per chi pensava di obbligare il mercato a compra prodotti obsoleti e uguali.

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