Trasmissione a quattro velocità – Piacere senza turni

Fondamenti di Overdrive automatico GM ed esplorazione delle virtù della trasmissione THM 4L85-E Supermatic

Vedi tutte le 1 fotoCourtesy di General MotorsphotographerRay T. BohaczwriterOct 29, 2009

Quelli di noi che sono stati a lungo in giro per le auto, specialmente le Pontiac, si ricordano quando il passaggio da tre sull’albero a un cambio di piano significava fare sul serio con le prestazioni. Poi è entrato in gioco il cambio manuale a quattro velocità, noto come “quattro sul pianale”. Ogni vera hot roder ha remato con un cambio Hurst a quattro velocità.

Con il passare del tempo, a Detroit si è verificato un sacrilegio: sempre più scatole di granita venivano installate in fabbrica nelle musclecars. Per molti, il cambio automatico non era adatto a un’auto da spettacolo. Si pensava che fosse il dominio di una drogheria, di un’auto di lusso o di una station wagon che le mamme usavano per portare i bambini a scuola.

Ci si è presto resi conto che con qualche ritocco interno del Turbo Hydra-matic (THM) e del convertitore di coppia si poteva realizzare un’accelerazione più rapida con lo spostamento automatico, eliminando così qualsiasi errore umano. Un pilota esperto con un buon cambio manuale sarebbe stato molto probabilmente un po’ più veloce in pista, ma c’era sempre il rischio di “far saltare” un cambio e di perdere una gara. Il cambio automatico ha avuto un’innegabile caduta, tuttavia – aveva solo tre velocità, mentre il cambio manuale aveva quattro marce in avanti.

Più siamo meglio è

Il numero di ingranaggi di una trasmissione è fondamentale per le sue prestazioni. Con la maggior parte delle trasmissioni, indipendentemente dal fatto che siano a tre o quattro velocità, la marcia superiore è un rapporto diretto o 1:1. Le marce inferiori sono un rapporto numerico più alto e fungono da moltiplicatore della coppia erogata dal motore. Ecco perché un autocarro progettato per tirare un carico pesante ha rapporti numerici così alti nella trasmissione e nel differenziale.

L’aspetto negativo di una marcia ripida è che il motore esaurisce rapidamente i giri al minuto e la velocità massima del veicolo è il risultato diretto di quanto velocemente le gomme possono girare nella marcia di trasmissione meno aggressiva. Qui è dove un overdrive trans può aiutare, in quanto consente una marcia posteriore più aggressiva, mentre l’abbassamento del numero di giri in autostrada attraverso il rapporto inferiore a 1:1 Overdrive.

Inoltre, la spaziatura tra i rapporti di trasmissione nella trasmissione influisce sull’accelerazione del veicolo. Le trasmissioni con un minor numero di rapporti di trasmissione, come quella a tre velocità, hanno bisogno di un grande calo del vantaggio moltiplicativo quando si passa dalla seconda alla terza, in modo che si possa ottenere un rapporto di 1:1. Questo spesso fa impantanare i motori con meno coppia e li fa sentire molto pigri durante l’immersione, specialmente quando si cerca di accelerare. La Pontiac V-8, tuttavia, è nota per la sua potenza di coppia estremamente elevata, e questo spesso maschera il forte calo della moltiplicazione delle marce quando si passa manualmente o automaticamente alla trasmissione diretta.

Durante gli anni ’60, la Divisione Hydra-matic della General Motors ha progettato e costruito quelle che molti considerano le migliori trasmissioni automatiche al mondo: THM 350 e THM 400. La 350 era meno robusta della 400 e doveva essere collocata dietro un motore più piccolo con meno coppia, mentre la 400 poteva gestire più di quanto qualsiasi motore di produzione potesse sopportare.

Entrambe queste unità erano note per l’eccellente qualità del cambio, la lunga durata, il funzionamento silenzioso e un livello estremo di messa a punto che ha permesso all’aftermarket di creare una vera e propria corsa automatica. La linea Hydra-matic era così buona che persino la Rolls-Royce le utilizzava nelle sue automobili. Molti drag racers con veicoli non GM avrebbero montato un Turbo 400 sulle loro auto. Questa pratica è ancora oggi in corso.

Nonostante le loro grandi prestazioni, la necessità di un migliore risparmio di carburante ha inaugurato l’era della trasmissione automatica con overdrive all’inizio degli anni ’80. Permetteva un elevato rapporto numerico del cambio posteriore per un’accelerazione rapida, senza la penalizzazione di un elevato numero di giri del motore, così come l’intrinseca diminuzione del chilometraggio del carburante e l’aumento della rumorosità e dell’usura del motore durante le crociere in autostrada. Il rapporto 3,90:1, spesso desiderato, potrebbe essere domato con un rapporto equivalente a 2,92:1 quando si passa all’Overdrive con un rapporto di 0,75:1 (3,90 X 0,75 = 2,925). Con questa teoria, potreste guidare la vostra Pontiac in pista senza dover sacrificare un quarto di miglio di accelerazione per una piacevole corsa ad alta velocità.

Il basso numero di giri del motore a velocità autostradale produce un risparmio di carburante superiore all’ovvio rallentamento della rotazione dell’albero a gomiti e meno eventi di accensione. In qualsiasi motore, ci sono tre aree di perdita che non permettono il completo trasferimento di energia dal carburante all’albero motore. (L’energia è misurata in unità termiche britanniche [BTU] ed è considerata un valore calorico). Il motore a combustione interna soffre di perdite termiche, di attrito e di pompaggio: il calore della combustione che va nella bocca di scarico, l’attrito interno per far funzionare il motore e spostare le parti, e il lavoro necessario per pompare l’aria dentro e fuori dagli alesaggi dei cilindri.

Con un’apertura minima della valvola a farfalla (sia con un carburatore che con un corpo farfallato), le perdite di pompaggio aumentano, poiché il motore cerca di respirare attraverso una severa restrizione. Per dirla in termini pratici, pensate a quanto sia difficile respirare quando si ha il naso chiuso. La restrizione dell’acceleratore fa sì che il motore lavori più duramente per cercare di riempire i cilindri, che viene definita come efficienza volumetrica (VE).

Quando un motore passa attraverso un gruppo di ingranaggi overdrive, anche se la velocità dell’albero a gomiti è più bassa, la piastra dell’acceleratore è più aperta. Ciò è dovuto al carico più elevato rispetto alla stessa velocità di marcia quando si è in marcia diretta. L’apertura supplementare della piastra di accelerazione riduce le perdite di pompaggio e permette di convertire in lavoro una maggiore quantità di energia chimica della benzina, garantendo così un migliore risparmio di carburante.

Vecchio incontra nuovo

Qualche tempo fa, HPP ha documentato la costruzione di una SD-455 in una Trans-Am del ’74 di proprietà di Melvin Benzaquen. Il mulino di Pontiac è stato ottimizzato per oltre 500 CV, ed è stato gestito sia con un carburatore a quattro carburatori che con il sistema Mass-Flo EFI. Il motore ha fornito prestazioni e guidabilità sbalorditive, anche se l’ingranaggio posteriore non era adatto al dragstrip e il convertitore di coppia era sul lato stretto per il mulino a camme. Poiché questa Pontiac era già una fusione tra la vecchia e la nuova tecnologia del motore, quando si è presentata l’opportunità di aggiornare la trasmissione ad un moderno overdrive, è stata colta l’occasione.

GM Performance Parts (www.gmperformanceparts.com) offre un’unità completa THM 4L85-E SuperMatic con tutti i controlli che consentono l’installazione in una Pontiac più vecchia, guadagnando gli attributi di riferimento in termini di guidabilità e prestazioni. L’installazione di questa trasmissione, insieme alla messa a punto del controllore elettronico, sarà trattata in un prossimo numero di HPP. Il compito a portata di mano è ora quello di fornire una panoramica del THM 4L85-E SuperMatic e una breve storia delle altre trasmissioni automatiche overdrive della GM.

Un gioco di numeri THM 200-4R

Quando GM ha introdotto la sua prima trasmissione overdrive per i modelli dell’81, è stata identificata come THM 200-4R e aveva rapporti di trasmissione di 2,74 Prima, 1,57 Seconda, 1,00 Terza e 0,067 Quarta. Questa unità era fondamentalmente una TMH 200 a tre velocità modificata, che era uno dei primi modelli leggeri prodotti in risposta ai modelli di veicoli ridimensionati e agli standard di risparmio di carburante imposti dal governo alla fine degli anni ’70.

Il THM 200-4R è stato creato aggiungendo una terza unità planetaria (set di ingranaggi) nella parte anteriore del treno di ingranaggi. Questo ha creato il quarto rapporto (overdrive). Si trattava di un cambio completamente automatico con un convertitore di coppia di bloccaggio a tre elementi e un’unità planetaria composta (grazie al terzo elemento aggiunto). Cinque frizioni a dischi multipli, due frizioni a rulli e una banda fornivano gli elementi di attrito necessari per ottenere la funzione desiderata del gruppo ingranaggi planetari composti e dell’unità overdrive. Questo trans è stato usato durante l’anno di modello ’90 in varie Big-Car.

THM 700-R4

Il successivo overdrive GM, uscito per i modelli dell’82, fu il THM 700-R4 (3.06 Primo, 1.63 Secondo, 1.00 Terzo e 0.070 Quarto) e si basava liberamente sul THM 350, con la maggior parte del lavoro di progettazione svolto dalla divisione Chevrolet. La sua destinazione d’uso originale era in autocarri leggeri. A differenza del THM 200-4R, questo modello è stato progettato da zero come trasmissione overdrive e non ha richiesto l’installazione di una terza unità planetaria. I componenti principali del THM 700-R4 erano una pompa dell’olio a palette, un gruppo a 2-4 bande, cinque frizioni a dischi multipli, due gruppi di ingranaggi planetari, una frizione a strappo, una frizione a rulli e il tradizionale gruppo corpo valvola.

4L60/4L60-E/4L60-E/4L65-E/4L70-E

Per l’anno di costruzione del modello ’90, il 700-R4 è stato rinominato 4L60 ed è stato utilizzato fino al ’92. Il nuovo codice di identificazione della trasmissione GM viene decifrato come:

4-quattro velocità;

Installazione longitudinale (RWD);

(Installazione trasversale a T (FWD));

Valutazione XX-torque come assegnato da GM Powertrain;

Controlli elettronici al posto di un corpo valvola convenzionale, a partire dal ’93.

Con i progressi dell’elettronica, non ci è voluto molto tempo prima che la trasmissione fosse integrata nel controllore del motore. Ci si è resi conto che molte funzioni controllate attraverso il corpo valvola potevano essere meglio sintonizzate tramite solenoidi. Così, le valvole tradizionali che hanno dato il nome al corpo valvola sono state sostituite da solenoidi elettrici ad azione rapida. La pressione idraulica era ancora al lavoro, ma invece di superare la pressione della molla nelle valvole meccaniche, i solenoidi indirizzavano il flusso del fluido quando venivano comandati dall’ECM/PCM. L’integrazione dei controlli elettronici ha cambiato il nome della 4L60 (che era conosciuta internamente in GM come MD8), in 4L60-E, per il ’93.

Una variante chiamata 4L65-E presentava un ingranaggio planetario a cinque pignoni al posto dei quattro pignoni del 4L60-E e un albero di uscita più robusto, che lo rendeva più pesante. È stata introdotta per il ’01. Il 4L70-E seguì ed era ancora più forte.

4L80-E

Il 4L80-E era basato sul THM 400 a tre velocità (poi chiamato 3L80) e ha debuttato per il ’90 o ’91. Utilizzava sei bulloni nella cassa della campana e un set di ingranaggi planetari a quattro pignoni.

Nel ’02, la 4L80-E era in produzione da 11 anni e doveva essere aggiornata, quindi ha ricevuto una frizione a rulli overdrive più pesante. La GM afferma: “Questa modifica incorpora rulli di diametro maggiore e un design ‘shuttle-car’, che permette la manovra ad alta velocità 4-2 in discesa senza ritardi nella sequenza di discesa. Questo design incorpora anche caratteristiche di assemblaggio a prova di errore e mantiene la posizione del rullo nel gruppo frizione”.

Un altro aggiornamento è stato un albero della turbina temprato a induzione e pallinato per una maggiore durata. Spiega GM: “L’albero della turbina trasferisce la coppia dal motore attraverso il convertitore di coppia ai gruppi di ingranaggi. L’albero della turbina è ora temprato mediante trattamento termico elettrico e poi pallinato per alleviare le tensioni interne del metallo. Questa sequenza di processi aumenta la resistenza dell’albero, per una maggiore durata”. La coppia nominale del 4L80-E era di 440 lb-ft, e la trasmissione è stata utilizzata fino al ’06 in alcune applicazioni per autocarri.

4L85-E

Nel ’02, il 4L85-E è nato dalla necessità di contenere ancora più coppia. Presentava parti interne più robuste, insieme a un design planetario a cinque pignoni. Ciò ha permesso di ridurre lo stress sul treno di ingranaggi durante l’immissione di coppia elevata.

Il 4L85-E è stato originariamente progettato anche come trasmissione per autocarri, ed è stato offerto con tre diverse configurazioni di campane e piccole modifiche interne per rendere l’unità specifica per l’applicazione. Le ultime versioni utilizzano un campanello con sette fori per bulloni per espandere ulteriormente l’attrattiva dell’installazione.

Gli aggiornamenti dei convertitori di coppia aumentano la durata. Secondo GM, “Le pale della pompa di ingresso e di uscita del convertitore di coppia, dove la coppia viene trasferita attraverso il fluido, vengono brasate ai gusci di ingresso e di uscita del convertitore di coppia”.

Per aumentare la durata, i set di ingranaggi di uscita e di reazione sono stati dotati di cinque pignoni, invece dei quattro che si trovano nel 4L80-E. “All’interno dei gruppi portanti del set di ingranaggi di uscita e di reazione, gli ingranaggi più piccoli sono i pignoni che ruotano intorno agli ingranaggi del sole. L’aumento del numero di pignoni da quattro a cinque permette al set di ingranaggi di gestire carichi più elevati”, secondo GM. C’è anche un albero intermedio a 34 elementi, un albero d’entrata temprato ad induzione e un mozzo anteriore temprato. La coppia nominale per il 4L85-E è di 460 lb-ft.

4L85-E SuperMatic

Ora abbiamo il 4L85-E SuperMatic (GMPP PN 19154550), introdotto nel 2009. È stato progettato per funzionare dietro motori ad alta coppia come il pacchetto di casse Chevy ZZ572/720, ed è pubblicizzato come un bullone diretto per la Chevy Gen 1 small-block e tutti i big-block. Per imbullonarne uno in una Pontiac, utilizziamo un adattatore per la campana.

GM Performance Parts ha testato la capacità di coppia del 4L85-E utilizzando un motore Chevrolet Chevrolet 572/720R a grande blocco. In seguito, il trans è stato abbattuto ed esaminato per verificare l’usura. Rusty Sampsel, GM Performance Parts Continuous Improvement Technical Liaison, dice a HPP: “L’abbiamo smontato e abbiamo cercato aree che potevano essere migliorate, e abbiamo fatto questi miglioramenti. Sono stati aggiunti altri dischi della frizione con materiali migliorati nelle frizioni intermedie, dirette e in avanti, così come un rullo di trascinamento migliorato e una corsa esterna intermedia a strappo selettiva. Altre modifiche sono state apportate all’alloggiamento della frizione diretta per migliorare la longevità evitando che la centrifuga si applichi ad alti regimi”. Un aumento della pressione del fluido e un corpo valvola a cambio fisso rivisto completano gli aggiornamenti.

A seguito dei miglioramenti, la trasmissione è tornata al banco (con il big-block davanti) per i test di durata. Il successivo strappo ha verificato che il nuovo design era in grado di gestire in modo affidabile almeno 720 CV e 685 libbre di coppia.

I rapporti di trasmissione sono gli stessi del 4L80-E e del 4L85-E: 2,48 Primo, 1,48 Secondo, 1,00 Terzo e 0,75 Quarto. La maggior parte degli hobbisti Pontiac appassionati di modelli d’epoca noteranno subito che le prime tre marce avanti sono le stesse del famoso Turbo 400, da cui queste trasmissioni sono state originariamente derivate. Per utilizzare queste trasmissioni a controllo elettronico in una Pontiac d’epoca è necessario il controllore elettronico GMPP P/N 12497316.

Funzionamento di base

Il 4L85-E SuperMatic è un cambio a quattro velocità in avanti completamente automatico con controlli elettronici. È progettato con un convertitore di coppia a quattro elementi, tre gruppi di ingranaggi epicicloidali, un sistema di pressurizzazione e controllo idraulico, insieme a frizioni sia ad attrito che meccaniche. Il suo convertitore di coppia a quattro elementi contiene una pompa, una turbina, una piastra di pressione collegata alla turbina e un gruppo statore. Il convertitore di coppia agisce come un giunto fluido ed è in grado di moltiplicare la potenza del motore quando richiesto. La piastra di pressione, quando applicata, fornisce un accoppiamento meccanico ad azionamento diretto del motore alla trasmissione (lock-up), che elimina qualsiasi slittamento intrinseco.

Tre gruppi di riduttori epicicloidali forniscono le quattro velocità in avanti e indietro. Il cambio dei rapporti di trasmissione è completamente automatico e viene effettuato mediante l’uso di un modulo di controllo della catena cinematica (PCM). Il PCM riceve e monitora vari ingressi del sensore elettronico e utilizza queste informazioni per spostare la trasmissione al momento ottimale con la pressione di linea richiesta. Esso comanda l’accensione e lo spegnimento delle valvole a solenoide del cambio per controllare la fasatura del cambio, e controlla anche l’applicazione e il rilascio della frizione del convertitore di coppia, che permette al motore di fornire la massima efficienza del carburante senza sacrificare le prestazioni del veicolo.

Il suo sistema idraulico è costituito principalmente da una pompa ad ingranaggi e da un corpo valvola di controllo. La pompa mantiene le pressioni di lavoro necessarie per la corsa dei servocomandi e dei pistoni della frizione che applicano o rilasciano i componenti di attrito. Questi componenti di attrito (quando applicati o rilasciati) supportano le qualità di cambio automatico della trasmissione. I componenti di attrito del 4L85-E Supermatic sono costituiti da cinque frizioni a dischi multipli e due bande. Questi si combinano con tre componenti meccanici, due frizioni a rulli e una frizione a strappo per fornire quattro diversi rapporti di trasmissione attraverso i gruppi di ingranaggi, che poi trasferiscono la coppia attraverso l’albero di uscita e fuori agli assi di trasmissione.

Cercate l’installazione completa di un 4L85-E SuperMatic in un numero di prossima uscita.

HPP desidera ringraziare Tom Read, GM Advanced Technology Communications, Powertrain; e Patrick “Zak” Walczak di GearStar Performance Transmissions ad Akron, Ohio, [(800) 633-2353] per la loro assistenza tecnica.

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