Rapporto di trasmissione

Il rapporto di trasmissione esprime la relazione fra le velocità di rotazione di due ingranaggi in presa, definito come il numero di denti della ruota condotta diviso per quello della ruota conduttrice, ovvero il numero di giri all'ingresso necessari per produrre un giro all'uscita. È il concetto centrale di qualsiasi trasmissione a ingranaggi, perché determina il compromesso fra velocità di rotazione e forza motrice, ossia la coppia, in ogni punto della linea di trasmissione. Un rapporto maggiore di uno significa che l'uscita gira più lentamente dell'ingresso ma con coppia proporzionalmente maggiore, mentre un rapporto inferiore a uno fa il contrario.

Il principio si fonda sulla conservazione dell'energia e sulla geometria dei denti in presa. Quando un ingranaggio piccolo trascina uno grande, a ogni giro del piccolo il grande avanza solo di una frazione di giro, perciò la ruota più grande ruota lentamente ma esercita maggiore leva. La potenza, prodotto di coppia e velocità di rotazione, resta sostanzialmente costante a parte le perdite per attrito: per questo la coppia può essere moltiplicata solo accettando una perdita di velocità. Un rapporto di 3:1, per esempio, triplica all'incirca la coppia riducendo a un terzo la velocità in uscita.

Ciò conta perché un motore a combustione interna produce coppia utile solo entro una fascia limitata di giri, in genere qualche migliaio di giri al minuto. Un unico rapporto fisso non potrebbe far partire da fermo un veicolo pesante e al tempo stesso consentirgli di viaggiare in modo economico alle alte velocità. Il cambio offre quindi una gamma di rapporti: le marce basse, con rapporto numerico elevato, moltiplicano la coppia per le partenze e le salite, mentre le marce alte barattano quella coppia con la velocità, lasciando che il motore giri lento e silenzioso nella marcia di crociera. La progressione fra le marce è scelta in modo che il motore resti vicino al suo regime di efficienza man mano che la velocità sale.

I singoli rapporti del cambio non agiscono da soli. Si combinano in modo moltiplicativo con il rapporto al ponte, o rapporto finale, per dare il rapporto complessivo fra motore e ruote. Una prima da 3,5:1 attraverso un rapporto finale di 4,0:1 produce una riduzione complessiva di 14:1, mentre una marcia alta in overdrive da 0,8:1 con lo stesso ponte dà appena 3,2:1. Le marce più lunghe, con rapporti inferiori a uno, sono dette overdrive ed esistono proprio per ridurre il regime del motore e consentire una crociera autostradale rilassata e parca nei consumi.

I rapporti di trasmissione influenzano anche l'accelerazione, la capacità di traino e i consumi, aspetti che i progettisti devono bilanciare. Rapporti ravvicinati mantengono il motore sempre in tiro per prestazioni sportive, mentre rapporti distanziati privilegiano economia e comfort. La stessa logica vale per i veicoli elettrici, sebbene questi necessitino di norma di un solo rapporto di riduzione, perché i loro motori erogano coppia elevata già da zero giri. Comprendere i rapporti di trasmissione è quindi fondamentale per capire come ogni veicolo trasferisca la propria potenza alla strada.