Il rapporto di trasmissione: dimensionamento del pignone

La trasmissione finale è l’insieme di organi di una moto che ha il nobile scopo di trasferire la potenza di un motore alla ruota posteriore e quindi, conseguentemente, a terra.

Il suo ruolo è fondamentale non solo per l’obiettivo finale, ma perché consente al pilota di impostare, tramite la sua regolazione, il corretto compromesso tra velocità e accelerazione in un determinato circuito.

La trasmissione finale più utilizzata è composta dal trittico catena-pignone-corona. In questo articolo non andremo nel dettaglio degli elementi costituenti bensì sull’effetto finale della loro composizione, che è sempre argomento oggetto di discussione, specialmente per il setup della moto.

Partiamo con il definire il rapporto di trasmissione finale (RTF), ovvero la frazione tra il numero di denti di corona e pignone:

L’RTF è direttamente proporzionale all’accelerazione e inversamente proporzionale alla velocità. Più lo aumento più accorcio la cambiata, più lo diminuisco più allungo la cambiata e aumento la velocità. Per comprendere a fondo questo concetto ti consiglio di guardare i due video sulla trasmissione primaria e secondaria che ti riporto in appendice. Naturalmente il numero di denti dell’ingranaggio è proporzionale al diametro primitivo quindi, maggiore sarà il numero di denti, maggiore sarà il diametro e viceversa.

Ma nelle pit bike?

Per le moto e più nello specifico per le ruote basse, il range di utilizzo del rapporto di trasmissione finale è compreso tra gli estremi 2 e 3 con una media di 2,5. Tutti i valori compresi in tale intervallo è possibile visualizzarli in una apposita tabella, creata per analizzare la totalità delle combinazioni di pignone e corona. A livello teorico quindi, mediamente, un dente di pignone corrisponde a 2,5 denti di corona. Da tale ragionamento si può capire come il pignone, per quanto piccolo sia, influisca notevolmente sulla frazione e corrisponda quindi a una sorta di “macroregolazione” dell’RTF. Di conseguenza la “microregolazione” spetta alla corona.

Scegliere il pignone adatto pertanto è l’aspetto primario: i valori da utilizzare sono 15, 16 e 17 denti. Non di rado capita di vedere, specialmente nelle piste corte, pignoni da 14 denti: sconsigliatissimo. Il pignone da 15 denti in realtà corrisponde a una sorta di “limite” per due motivi specifici:

• come spiegato prima il numero di denti è proporzionale al diametro primitivo. Scegliendo pignoni piccoli, diminuisce il diametro dell’ingranaggio e di conseguenza anche il braccio di leva con la catena (la freccia rossa e la freccia verde nell’immagine sottostante). A parità di momento torcente in uscita dal motore quindi si avrà un maggiore tiro sulla catena e di conseguenza un maggiore stato tensionale (cosa da evitare);

• nella trasmissione a ingranaggi è presente il fenomeno dell’effetto poligonale: l’avvolgimento della catena sulla ruota non corrisponde a un raggio perfetto, bensì a una spezzata con tratti lunghi quanto il passo della catena. Al posto di una ipotetica curva quindi ci saranno tanti segmenti tra i vari denti dell’ingranaggio, esattamente come visualizzato nell’immagine a seguire.

La conseguenza di una curvatura non ideale può essere deleteria per l’intera moto e il relativo setting. L’effetto poligonale causa l’oscillazione della velocità di trascinamento della catena con la formazione di vibrazioni, maggiori urti sui denti e tensioni tra le articolazioni. Questa bellissima animazione illustra la problematica appena descritta. Il grafico a seguire mette in luce come la variazione percentuale della velocità della catena raddoppi nel campo 15-20 denti e trattandosi di una curva iperbolica, spostarsi anche solo di un dente significa avere una variazione consistente. Il pignone da 15 denti corrisponde già ad una soglia limite oltre la quale si consiglia di non spingersi. L’effetto invece diventa assolutamente trascurabile nelle corone poiché presentano quasi sempre un numero superiore a 30 denti.

Un ulteriore considerazione matematica

Oltre a quanto già esposto c’è da fare una ulteriore considerazione che deriva dal solo ragionamento matematico: il pignone, posizionandosi al denominatore della frazione, definisce il gradino di aumento di RTF ad ogni aumento di corona. Mi spiego meglio. Riprendendo la tabella dei rapporti linkata precedentemente, tenendo fisso il pignone (e quindi la riga) la quantità di aumento di RTF ad ogni corona (ovvero di colonna) è costante in funzione della riga scelta:

• +0,071 per il pignone da 14 denti
• +0,067 per il pignone da 15 denti
• +0,063 per il pignone da 16 denti
• +0,059 per quello da 17 denti

Questo implica che utilizzando pignoni più grandi si ha una migliore “raffinatezza” ovvero uno step minore di incremento di rapporto.

Cosa bisogna considerare

Prima di passare alla parte pratica e di comprendere come dimensionare correttamente pignone e corona bisogna analizzare tutte le variabili che influenzano il rapporto di trasmissione finale:

• il peso del pilota: per le ruote basse con cilindrate e potenze modeste, il peso, assieme alla lunghezza del rettilineo, è tra i parametri che influenzano maggiormente l’RTF. All’aumentare della massa del pilota è necessario accorciare i rapporti, perdendo velocità.

• il cambio della trasmissione primaria: la trasmissione finale (secondaria) è influenzata in origine dalla trasmissione primaria e nei vari modelli di motore (Lifan, GPX, YX, Daytona) è possibile trovare rapporti di trasmissione primaria differenti. Nel secondo video che trovi in appendice è stato trattato specificatamente tale argomento.

• la potenza del motore: è scontato e intuibile che all’aumentare della potenza del motore si devono allungare i rapporti

• piattelli alleggeriti: la presenza di piattelli alleggeriti (in ergal o titanio) non costituisce un vero e proprio vantaggio in termini di potenza ma consente di allargare il range di giri motore, riuscendo così ad allungare i rapporti

• la lunghezza del rettilineo: i circuiti più grandi presentano lunghi rettilinei (in Italia il più lungo attualmente è l’autodromo di Pomposa con 400 m) in cui si può arrivare ad elevate velocità. I motori delle ruote basse sono fortemente vincolati in tal senso in quanto, non possedendo un limitatore di giri, si potrebbe incappare in qualche dannosa “sfarfallata”, ovvero una condizione in cui le valvole non seguono più il moto imposto dall’albero a camme.

• le marce che si intendono utilizzare: questo fattore dipende dallo stile di guida. Le marce più utilizzate sono la terza e la quarta ma è possibile utilizzare anche solamente la seconda e la terza o direttamente la seconda, terza e quarta. Quest’ultimo caso è decisamente la combinazione che sfrutta maggiormente le poche marce a disposizione nei motori delle ruote basse.

I Criteri di dimensionamento nelle Pit bike

Ma come si fa a dimensionare il corretto rapporto di trasmissione finale in un determinato circuito per le ruote basse? I criteri di dimensionamento posso essere due:

DIMENSIONAMENTO IN BASE ALLA VELOCITA’ MASSIMA

Consiste nel raggiungere, in una determinata marcia, il numero massimo di giri nel punto più veloce del tracciato. Criterio di dimensionamento più utilizzato nei grandi circuiti, presenta due problematiche in particolare: la prima è che se per un qualsiasi motivo in quel giorno (o in quel giro) vai qualcosina di più (e giuro, capita spesso) o puoi “sfarfallare” o devi decelerare.

La seconda è che tutte le restanti curve del tracciato si dovranno adattare al rapporto scelto, senza ottimizzare quindi l’accelerazione in uscita dalle curve. Generalmente questo metodo prevede l’utilizzo della terza e della quarta marcia (per motori GPX-YX).

Una sua leggera variante consiste nell’usare solo la seconda e terza marcia, tralasciando volutamente la quarta (sempre per motori GPX-YX). Questo variante trova la sua logica nel diverso rapporto delle marce nella trasmissione primaria ma impone sempre che si arrivi alla velocità massima del tracciato al numero massimo di giri in una determinata marcia.

DIMENSIONAMENTO IN BASE ALL’ACCELERAZIONE IN USCITA DI CURVA

Criterio molto più raffinato e professionale del precedente introdotto solo negli ultimi anni nell’ambiente delle ruote basse. Consta nella valutazione della possibile accelerazione in uscita di (quasi) tutte le curve ovviando alla seconda problematica del criterio precedente.

Con questo metodo, nei grandi circuiti, si allunga notevolmente l’RTF senza mai raggiungere il limite massimo di giri nell’ultima (o penultima) marcia, con la possibilità di utilizzare la seconda, terza e quarta marcia o una loro combinazione. Di contro, c’è che in questo caso, il probabile maggior numero di cambiate potrebbe non presentare vantaggi significativi se non effettuato correttamente.

Nei piccoli e medi circuiti i criteri di dimensionamento potrebbero coincidere.

Concludiamo questo articolo con l’esempio di un circuito di riferimento nazionale per le ruote basse: Adria!

Se si decide di utilizzare il dimensionamento in base alla velocità massima si dovrà capire il corretto RTF su due particolari punti:

• sul curvone (curva 1) in quanto, anche se non alla massima velocità, si piega la moto diminuendo il raggio di curvatura del pneumatico con conseguente aumento dei giri del motore;
• in prossimità di curva 2 in quanto si è alla velocità massima del tracciato;

Con tale configurazione di cambiata è possibile utilizzare la terza e la quarta marcia con i rapporti 16-40 (RTF=2,500) o la seconda e terza marcia con i rapporti 17-34 (RTF=2,000).

Se invece si decide di avvalersi del dimensionamento in base all’accelerazione in uscita di curva si potranno utilizzare tre marce, evitando i fastidiosi vuoti del motore ma dovendo cambiare più spesso. In questo caso l’RTF diminuisce a 2,117 (17-36).