Nuovi materiali compositi per reinventare progettazione e prodotti

Oggetti di uso comune devono la loro efficacia a stile, comfort e leggerezza, come il casco da motociclista, per esempio. Grazie soprattutto ai nuovi materiali. In questo ambito rientra anche la barra di torsione dell’albero di trasmissione per autoveicoli, che riduce il suo peso, grazie a un innovativo materiale composito.

Secondo il principio Transaxle, il cambio è alloggiato al retrotreno ed è collegato al basamento del motore per mezzo di un Torque Tube.

Lo studio e la ricerca delle novità spingono a utilizzare materiali moderni, accessori originali, attrezzature rivoluzionarie e quant’altro. Oggi più che mai la componentistica creativa ed emozionale è sorretta non solo dalle nuove tecnologie, ma pure dai nuovi materiali compositi come la fibra di carbonio. L’evoluzione nei settori dei materiali da costruzione, dei trattamenti termici, dei componenti costruttivi per l’industria dell’automobile, offre oggi grandi opportunità per migliorare le prestazioni delle vetture; anche l’albero di trasmissione ora può esbsere una fonte di performance superiori. Un esempio davvero eloquente è il Torque Tube della nuova Mercedes-AMG GT R, che riduce al 40% il suo peso grazie all’innovativo materiale composito rinforzato con fibra di Carbonio con cui è realizzato l’alloggiamento dell’albero di trasmissione in Carbonio.

Torque Tube della nuova vettura si è aggiudicato il Materialica Design+Technology Silver Award nella categoria Product. Materialica è una fiera internazionale di Monaco di Baviera per le applicazioni di materiali, superfici e ingegnerizzazione del prodotto. Ma non è tutto, perché il brand teutonico ha conquistato anche il Silver Award nella categoria “CO2 Efficiency”, grazie alla struttura a microsandwich sviluppata da Daimler AG. Si tratta di un nuovo sistema di materiali che offre infinite possibilità di impiego e in grado di ridurre il peso di ogni componente fino al 50%.

Trasmissione a tutto gas

Un sistema barra di torsione è un semiasse tecnologico, spesso usato in automobili con motore anteriore e trazione posteriore. Il “torque”, che si riferisce al nome del nuovo componente non è quello dell’albero motore lungo l’asse della macchina, ma quello applicato dalle ruote. Il problema di progettazione che il Torque Tube risolve è come ottimizzare le forze di trazione generate dalle ruote al telaio macchina. Torque Tube trasmette queste forze, accoppiando direttamente l’assale differenziale alla trasmissione e spinge quindi l’auto in avanti agendo sul motore / trasmissione e poi attraverso i supporti del motore al telaio macchina. Mercedes, dunque, per tener testa di misura nella gara della competitività, entra di forza nei bisogni di leggerezza, bisogni, non lussi. Il tutto senza cadere nella banalità o nel nozionismo, ma piuttosto cercando di privilegiare la godibilità di un prezioso componente certificato dalla sicurezza.

Oggi ci sono i mezzi per adattare le strategie, ci sono strumenti software che aiutano a programmare il ciclo di produzione e a mettere in campo le scelte risolutive migliori. Lo studio e la ricerca delle novità spingono i costruttori a utilizzare materiali moderni, accessori originali, attrezzature rivoluzionarie. Materiali innovativi ed emozionali sorretti dalle nuove tecnologie costituiscono un’importante carta da giocare per essere competitivi. Grazie all’adozione di materie prime ecologiche, alla sinergia che si viene a creare tra gli strati della struttura oltre a processi di lavorazione altamente efficienti, il nuovo sistema “Torque Tube” apre le porte a infinite possibilità di impiego delle strutture leggere a livello di interni dei veicoli, riducendo parallelamente il peso di ogni componente anche fino al 50%. Siamo entrati in una sfera davvero vitale.

Radiografia di un Torque Tube in composito di fibra di carbonio

Tubo rigido in materiale composito di fibra di carbonio.

Il Torque Tube in materiale composito di fibra di Carbonio della Mercedes ha colpito la giuria di Materialica Design+Technology Silver Award per il corpo principale di forma tubolare, che forma un’unica struttura monolitica insieme alla flangia di accoppiamento, soggetta a notevoli sollecitazioni. Si è dunque conclusa l’era delle flange di accoppiamento metalliche a favore di una nuova pietra miliare nella produzione di materiali compositi, che regala strutture estremamente leggere. Come dire: anche la trasmissione di potenza e la componentistica inclusa devono analizzare la realtà nei dettagli e reagire con i mezzi che le risorse umane e la tecnologia mettono a disposizione. Così la barra di torsione di un albero di trasmissione è stata fonte di idee nuove.

Dunque, tira vento di innovazione sul fronte della trasmissione di potenza, per apprezzarne il valore; ed ecco Torque Tube che aumenta le prestazioni di una prestigiosa autovettura. Ci piace attribuire a questo nuovo componente una somiglianza con l’informatica, dove i prodotti nuovi mirano a superare i loro predecessori in performance e caratteristiche. Insomma, più di ieri, meno di domani. Torque Tube è cavo e contiene un semiasse rotante; all’interno della coppia cava c’è il giunto dell’albero cardanico, che permette un movimento relativo tra le due estremità dell’albero motore. Torque Tube viene prodotto tramite l’economico processo RTM (Resin Transfer Moulding, formatura per iniezione di resina). Le fibre di Carbonio molto resistenti e rigide, mutuate dal settore aeronautico, vengono utilizzate per la prima volta per assorbire in sicurezza tutti i carichi. Il nuovo alloggiamento tubolare dell’albero di trasmissione in Carbonio rende possibile un collegamento diretto tra motore e cambio secondo la tipologia costruttiva a “Transaxle, collegamento particolarmente vantaggioso dal punto di vista della dinamica di guida e caratterizzato da una straordinaria resistenza alla flessione e rigidità torsionale.

Con il termine Transaxle o cambio-differenziale o impropriamente cambio posteriore, si indica una particolare configurazione della trasmissione in un mezzo di trasporto, dove il cambio è posto lungo l’asse delle ruote motrici. Questa soluzione viene adottata nella maggior parte dei casi su vetture con motore anteriore e trazione posteriore; è caratterizzata dal posizionamento del cambio (e solitamente anche della frizione) al retrotreno, in blocco con il differenziale. Si ottiene così una migliore distribuzione dei pesi, perché il gruppo cambio-differenziale assieme al motore costituisce uno dei componenti più pesanti di un autoveicolo. L’albero di trasmissione in un sistema tradizionale (con il cambio posto in serie al motore e prima dell’albero di trasmissione stesso) deve essere massiccio dato che è soggetto alla coppia massima in uscita dal cambio medesimo; nei rapporti bassi, essa è superiore alla coppia massima del motore

Lo schema Transaxle permette di adottare invece alberi meno massicci, poiché il momento torcente cui l’albero è sottoposto è pari, al più, alla coppia massima del motore (la coppia subisce la moltiplicazione dovuta al cambio subito prima dell’ingresso nel differenziale). L’industria automotive appare dunque come il più importante trampolino di lancio di nuove tecnologie nella storia della rivoluzione industriale. Il che vuol dire molto, dato che automobile è sinonimo di credibilità tecnologica.

Qualcosa di più di un albero di trasmissione

I 571 CV di potenza della Mercedes AMG vengono trasmessi alle ruote posteriori attraverso un albero di trasmissione in fibra di carbonio.

Da quanto detto, appare evidente che il componente strutturale Torque Tube assicura una risposta straordinariamente diretta e contribuisce a una ripartizione bilanciata del carico del veicolo. Unitamente all’albero di trasmissione (anch’esso in composito di fibra di Carbonio), la carcassa monolitica pure in Carbonio è in grado di gestire senza problemi l’incredibile coppia di 700 Nm sviluppata dal motore Mercedes AMG GT R da 585 CV. Ecco come con i nuovi materiali ogni cosa può diventare straordinaria; ecco che i nuovi materiali danno spazio alla precisione, alla leggerezza e all’affidabilità, ecco che i nuovi materiali, le nuove tecnologie, la mano dell’uomo e le macchine costituiscono un tema antico, ma sempre attuale.

Questa è la forza di Industria 4.0, una forza che tuttavia non può prevaricare eventuali ragioni di ordine pratico ed economico. Tant’è che il Torque Tube non solo assorbe le forze e coppie elevate che si creano durante la marcia, ma è anche in grado di resistere alle variazioni dinamiche e ai picchi di carico dovuti a uno stile di guida sportivo. Questa straordinaria innovazione si fa sentire anche in caso di carico estremo, grazie al buon comportamento nell’eventualità di guasto, senza causare né scarti né sbandamenti. Poiché le caratteristiche vibrazionali dell’albero di trasmissione, essendo realizzato anch’esso in materiale composito rinforzato con fibra di Carbonio, sono state ottimizzate al Torque Tube, vengono soddisfatti i requisiti più severi in termini di NVH (Noise Vibration). Questo nuovo straordinario componente è stato sviluppato sotto la guida di Mercedes-AMG, che ha lavorato in stretta collaborazione con gli specialisti dei materiali di Daimler Research e il fornitore di compositi ACE GmbH.

Sportiva senza compromessi, la Mercedes-Benz AMG GT-R vanta dunque un asso nella manica: l’alloggiamento dell’albero di trasmissione in Carbonio, che pesa solo 13,9 kg (40% più leggero del componente in Alluminio della consorella Mercedes-AMG GT). Con il Torque Tube, le flange d’accoppiamento metallico possono tranquillamente andare in pensione, in favore di questo materiale composito di fibra di Carbonio dalla forma tubolare, capace di dar vita ad un’unica struttura monolitica insieme alla flangia di accoppiamento, soggetta a notevoli sollecitazioni. Inoltre, come già accennato, questo nuovo alloggiamento tubolare dell’albero di trasmissione rende possibile il collegamento diretto tra motore e cambio secondo la tipologia costruttiva a Transaxle, aggiungendovi una straordinaria resistenza alla flessione e alla rigidità torsionale.

Conclusione

La materia grigia della trasmissione di potenza stimola sempre più i produttori di autoveicoli a, come dire… sofisticare i componenti. Mercedes ha evidenziato come le tendenze innovative dovute all’integrazione di nuovi materiali con l’elettronica non finiscono mai; i controlli fanno sì che tutti i movimenti avvengano nel giusto istante e secondo l’esatto ordine di successione stabilito in fase di progettazione. In generale, abbiamo visto che le linee principali di sviluppo della trasmissione di potenza sono: leggerezza del componente, minor costo del componente stesso, minori perdite di energia, maggiore durata, apertura a tutte le possibilità dell’integrazione elettronica, miniaturizzazione, possibilità applicative in qualsiasi condizione ambientale, bassa rumorosità e quindi rispetto dell’ambiente; nonché rispetto dell’automobilista. Questa evoluzione/rivoluzione troverà certamente riscontro in nuove applicazioni, che dovrebbero aprire nuovi mercati e instaurare una collaborazione costruttiva fra clienti e fornitori, tesa al raggiungimento di livelli qualitativamente elevati e competitivi.

 

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