È vero che le monoposto elettriche non hanno bisogno del cambio? Ecco un’accurata analisi delle varie soluzioni proposte dai team di Formula E. Cambio Formula E
Il patron della Formula E Alejandro Agag qualche tempo fa aveva fatto un paragone tra le attuali monoposto elettriche e le Formula 1 degli anni ’50, affermando che lo sviluppo di queste vetture è solo agli inizi. Difatti, sebbene alcuni componenti restino ancora standardizzati, uno su tutti le batterie, su gran parte della meccanica vige grande libertà di progettazione.
L’inventiva degli ingegneri ha dato origine a differenti soluzioni molto interessanti, in particolare nella catena di trasmissione: inverter, motore e cambio. Come? Il cambio su una macchina elettrica? Proprio così.
Lo scopo del cambio è quello di gestire la potenza e la coppia del motore adattandole alle varie situazioni. In una macchina endotermica tradizionale un cambio è indispensabile, in quanto prima di erogare la potenza necessaria ad accelerare il veicolo, il motore deve prima raggiungere un adeguato numero di giri. Per poter quindi fornire alle ruote la coppia necessaria a far partire la vettura è necessario che quella fornita dal motore venga moltiplicata attraverso una marcia bassa.
Il motore elettrico invece è in grado di erogare sin da subito la massima coppia semplicemente facendo passare corrente all’interno del rotore e non necessita quindi di cambiare marcia.
Perchè le Formula E sì?
Il fatto che in una monoposto elettrica un cambio non sia necessario tuttavia non vuol dire;che non possa esserne montato uno per migliorare le prestazioni. Il discorso è lo stesso del motore a combustione: una singola coppia di ingranaggi del cambio può moltiplicare la coppia a discapito della velocità di rotazione delle ruote o viceversa,;ma non aumentare entrambi contemporaneamente.
In certe condizioni, in particolare a velocità ridotte, conviene moltiplicare la coppia per incrementare l’accelerazione:;ecco quindi che grazie alle varie dimensioni delle ruote dentate, in caso di velocità bassa o partenza in salita, l’albero collegato alle ruote avrà una velocità minore rispetto a quella dell’albero motore,;ma una coppia moltiplicata di tanto quanto la velocità è stata ridotta. Ad andature maggiori invece è necessario che le ruote girino più velocemente mentre la coppia richiesta è più piccola:;sarà quindi opportuno utilizzare una marcia più alta per poter aumentare la massima velocità raggiungibile.
L’altro beneficio del cambio in una vettura di Formula E si può comprendere facilmente osservando il diagramma sottostante.
In blu l’andamento della coppia, in rosso quello della potenza.
Oltre un certo numero di giri del motore, la coppia erogabile comincia a calare,;a meno di non operare una dispendiosa modulazione dei campi magnetici generati dalle bobine del motore. Una soluzione è mantenere il numero di giri sotto la soglia critica:;ecco quindi che utilizzare diverse marce per ridurre il numero di giri pur coprendo tutto il range di potenza può aumentare;l’efficienza del motore e migliorare le prestazioni anche in una vettura elettrica.
Quante soluzioni!
A differenza di altre categorie, come la Formula SAE, in Formula E è vietato montare un motore elettrico per ogni ruota. Questo comporta l’impossibilità di gestire direttamente dai singoli motori la coppia erogata, sia in fase di accelerazione sia in curva sulle varie ruote (torque vectoring). Il motore centrale comporta la necessità di adottare un tradizionale differenziale e l’opportunità di montare un cambio per gestire la potenza.
Nella prima stagione tutti i team utilizzavano un cambio a cinque marce Hewland. La tendenza adesso tuttavia è quella di ridurre il numero delle marce utilizzate. Alcuni team utilizzano ancora il cambio fornito dalla Hewland, ma ridotto a tre rapporti; altri invece, come la Jaguar e la Mahindra, che dall’ultima stagione è stata la squadra col più grande miglioramento, utilizzano solamente due marce; Audi ABT, vincitore dell’ultimo mondiale, dispone di un unico rapporto.
Questa diversificazione è dovuta al fatto che un cambio, oltre a migliorare l’efficienza, produce numerosi effetti collaterali: aumento dei costi,;del peso, delle inerzie e delle resistenze, rischio più alto di rottura e maggiore ingombro. Questi effetti sono tanto più visibili quanto più alto è il numero delle marce. La progettazione del cambio inoltre va di pari passo con quella del motore. È fondamentale ottenere un ottimo bilanciamento tra i due componenti, per garantire luna gestione ottimale del range di potenza con il minimo dei consumi. Tra i team che dispongono del singolo rapporto infatti vi sono soprattutto quelli che montano il doppio motore:;con due propulsori infatti è più semplice gestire la potenza in uscita piuttosto che con uno solo e il cambio diventa superfluo.
Cosa ci attende in futuro?
Le prossime stagioni potrebbero riservarci delle sorprese e invertire la tendenza di ridurre il numero delle marce. Dalla stagione 5, vale a dire la prossima, ci si aspetta che le Formula E possano raggiungere i 300 km/h. Il range di potenza da gestire diventerà più ampio e aumentare il numero dei rapporti potrebbe fare comodo. Diventerà inoltre ancora più cruciale l’efficienza, in quanto verrà abolito il cambio vettura a metà gara. Un altro step tecnico in materia potrebbe esserci dal 2021, quando verrà liberalizzato lo sviluppo delle batterie. A quel punto bisognerà cercare un compromesso tra potenza e consumi progettando organicamente motore, motogeneratore, batterie, inverter e cambio.
Sarà anche un detto valido per tutti gli sport, ma in Formula E non sempre è vero che nella squadra che vince … non si cambia.
Foto: Fiaformulae.com
