Il cambio o trasmissione a variazione continua, detto CVT (dall'inglese continuously variable transmission), noto anche come cambio continuo o variatore continuo, è un tipo di cambio automatico per autoveicoli in cui il rapporto di trasmissione può variare senza soluzione di continuità tra due valori limite. Per queste sue caratteristiche di funzionamento è paragonabile al Variomatic per scooter, anche se il cambio continuo è più sofisticato, soprattutto per i modelli più recenti a controllo elettronico.
Caratteristiche generali
I motori a combustione interna, nonostante la moderna tecnologia li abbia resi sempre più "elastici" e sfruttabili lungo una fascia piuttosto ampia di regimi di rotazione, presentano comunque il massimo rendimento (inteso come minor consumo specifico) all'interno di condizioni di funzionamento (giri e coppia erogata) alquanto ristrette (tipicamente, a regimi medio-bassi e a carichi intermedi o medio-alti).
Il compito della trasmissione è appunto quello di permettere di mantenere il motore nell'intorno del suo regime di funzionamento ottimale a seconda le condizioni di esercizio, ovvero intorno al regime di coppia massima quando si marcia normalmente con carico ridotto o moderato, oppure intorno al regime di massima potenza quando sono richieste prestazioni sportive come nelle gare automobilistiche o comunque quando è richiesto il massimo delle prestazioni dal motore.
In una normale trasmissione a marce questo compito è svolto in maniera approssimativa passando da una marcia all'altra, con una coppia che viene trasmessa alle ruote "a scalini", e una potenza che fluttua con le variazioni dei giri motore, ed è evidente che più alto è il numero delle marce e migliore sarà la possibilità di mantenere il motore intorno ad un regime desiderato al variare della velocità, e di trasmettere coppia e potenza in maniera più fluida e regolare, con minore discontinuità.
Un cambio manuale con più di 6 marce inizia a diventare impegnativo da gestire nella guida quotidiana, mentre sono ormai comuni i cambi automatici con 8, 9 o anche 10 rapporti, ma in ogni caso all'aumentare del numero di marce aumenta il numero di componenti, la dimensione, il peso ed il costo della trasmissione, e la maggiore complessità meccanica non giova all'affidabilità e la durata.
Il cambio continuo risolve brillantemente tutti questi problemi, con due soli elementi tra i quali si trasmette il moto, variando senza soluzione di continuità il rapporto di trasmissione tra di essi.
Il grande vantaggio di poter disporre di un numero di rapporti infinito (all'interno dell'intervallo compreso tra un valore minimo e uno massimo definiti dalle dimensioni e dalle geometrie dei componenti della trasmissione) è quello di poter mantenere il motore ad un numero di giri costante, selezionandolo arbitrariamente in maniera indipendente (o quasi) dalla velocità del veicolo, e poter di conseguenza scegliere questo regime di lavoro del motore in maniera adeguata alle condizioni di carico.
Ad esempio, se al motore è richiesta una potenza medio-bassa, come ad esempio durante la guida in città oppure una volta raggiunta la velocità di crociera, la trasmissione imposterà un rapporto lungo per mantenere il motore a regime di riposo (tipicamente intorno al regime di coppia massima) e ad un moderato livello di carico (coppia erogata), per mantenerlo all'interno della sua zona di rendimento migliore.
Viceversa, se al motore viene richiesto il massimo delle prestazioni, come in fase di sorpasso o in forte accelerazione, la trasmissione imposterà una rapportatura corta per mantenere il motore nell'intorno del regime di massima potenza.
Tutto questo comporta una gestione ottimale del motore, che rimane sempre al regime ottimale per ogni condizione di velocità e di carico, il che si traduce, almeno in teoria, in consumi migliori.
Nel guidare un veicolo con cambio continuo non si hanno a disposizione le 4-6 marce tradizionali, ma un numero infinito di rapporti e l'esperienza di guida è completamente differente. Il funzionamento del motore a regime costante non consente di avvertire i mutamenti sonori del motore e in accelerazione da fermo o da bassi regimi si può avere una sensazione di slittamento della frizione, in quanto prima il motore si porta in coppia e successivamente il cambio adegua il diametro delle pulegge al rapporto idoneo. Tuttavia i moderni cambi CVT elettroidraulici gestiti elettronicamente possono avere una modalità di funzionamento sequenziale, per "simulare" le marce tradizionali impostando dei rapporti fissi. Questo può essere utile per restituire un feeling di guida sportiva e gestire a piacimento il freno motore.
Storia Un primo brevetto di cambio continuo toroidale fu depositato verso la fine del XIX secolo, ma il primo modello veramente funzionante, chiamato Variomatic, fu progettato e costruito dal neerlandese Hub van Doorne cofondatore della DAF, negli anni cinquanta. La prima automobile con cambio DAF fu prodotta nel 1958. Il brevetto fu successivamente venduto, assieme alla DAF, alla Volvo. La FIAT incominciò gli studi di fattibilità in partnership con DAF tramite la SIRA (Società Italiana Ricerche Automotoristiche) fondata dall'ingegnere Dante Giacosa. Il primo prototipo dimostrativo fu allestito su una 131 opportunamente adattata. Fu quindi avviata la progettazione di un cambio per l'impiego su vetture a trazione anteriore. Dopo una produzione limitata di 150 esemplari della Ritmo (data in uso a clienti selezionati), il primo modello prodotto in serie fu la Uno Selecta (1985) che non ebbe grande successo. Successivamente (1990) il gruppo FIAT presentò la Panda Selecta e, con il marchio Autobianchi, lanciò la versione Selectronic sul modello Y10. Su questo cambio, la frizione non era centrifuga ma elettromagnetica controllata da una centralina elettronica. Verrà successivamente riproposto anche sulla Punto Selecta con motorizzazione 1.2 FIRE 8V, ed infine sulla Punto seconda serie nella versione Speedgear, motorizzata dalla variante a 16V del 1.2 FIRE (in questa applicazione il nuovo cambio è dotato di convertitore di coppia bloccabile), e disponibile anche in allestimento Sporting (la differenza a livello di trasmissione rispetto a quella normale è la presenza sulla Sporting della modalità sequenziale con 7 rapporti ravvicinati con la settima marcia "di potenza", mentre in quella normale le marce in modalità sequenziale sono 6, con le prime cinque che ricalcano i rapporti della versione manuale, mentre la sesta è "di riposo"). Tuttavia, le resistenze da parte della clientela italiana all'uso del cambio automatico in genere decretarono l'oblio di tale dispositivo: la Panda Selecta uscì di produzione a fine 1998, mentre la versione Speedgear della Punto non sarà più disponibile tra le versioni introdotte a partire dal restyling del 2003. Sopravvivrà ancora per qualche anno in modelli destinati ad altri mercati (Palio e Albea).
Fu ipotizzato anche l'impiego su vetture di Formula 1 dalla Williams, ma dopo alcuni studi di fattibilità l'idea fu abbandonata a causa della notevole coppia motrice da trasmettere e l'enorme calore da dissipare, anche con l'impiego di una cinghia per ruota il rendimento e la durata non erano giudicate adeguate. Il sistema fu poi immediatamente bandito nel regolamento della F1 non appena si diffusero le notizie sulla sua sperimentazione.
Negli anni ottanta e anni novanta la Subaru Justy fu proposta con il cambio continuo. Anche se la Justy ha avuto scarso successo commerciale, la Subaru ha continuato a produrre cambi continui per propri veicoli e per altre aziende. Nel 1992 la Nissan ha installato su propri veicoli un cambio Subaru, e negli anni successivi ha sviluppato un sistema proprio, in grado di trasferire più coppia e dotato di un convertitore di coppia. Questo modello fu utilizzato su diverse automobili per il mercato giapponese. La Nissan è anche stata l'unica marca a proporre commercialmente cambi continui a rulli negli ultimi anni. Il cambio toroidale Nissan, chiamato X-troid, era disponibile sul mercato giapponese sui modelli Y34 Nissan Gloria e V35 Skyline GT-8. Tuttavia il sistema non fu portato sul modello successivo quando la Cedric/Gloria fu rimpiazzata dalla Nissan Fuga nel 2004.
Dopo avere studiato per anni il sistema a puleggia, la Honda ha introdotto una propria versione nel 1985 sulla Civic.
Dal 1997 la Toyota impiega il cambio continuo e-CVT nell'ibrida Prius.
Nel 2002 la General Motors ha sviluppato un cambio continuo per le proprie utilitarie, ma entro tre anni l'idea è sfumata in favore del cambio automatico comune.
Altre proposte di cambio continuo si sono avute da parte di Audi, che dal 2000 offre un sistema a catena opzionalmente su alcune auto di grande potenza, tra cui la A4 3.0L V6. Nel 2005 le Ford Five Hundred e Freestyle vengono offerte opzionalmente con cambio continuo.
La tecnologia del cambio continuo è molto progredita dalle sue origini ed è tuttora in corso di evoluzione: la Robert Bosch GmbH nel 2021 ha presentato la sua soluzione CVT4EV per ottimizzare consumi e prestazioni sulle auto elettriche dell'ordine del 4% di miglioramenti delle performance, sia per automobili che per veicoli commerciali leggeri.
Tecnologie Esistono cambi continui basati su differenti tecnologie.
A puleggia
Questo tipo di cambio utilizza pulegge collegate (a seconda delle potenze in gioco) da una cinghia in gomma rinforzata con fibre di kevlar, o una cinghia costituita interamente da elementi in acciaio, oppure una catena. Le pulegge sono costituite da due tronchi di cono affacciati per la base minore, calettati su un albero in modo che non possano ruotare l'uno rispetto all'altro, ma soltanto muoversi in senso assiale e ruotare come unico assieme; avvicinando o allontanando tali coni si varia l'ampiezza della gola compresa tra essi, e di conseguenza il diametro apparente su cui si avvolge la cinghia, costringendola a salire o a scendere: in questo modo si varia il rapporto di trasmissione. Nel caso della catena, invece, le ruote sono dentate. Ovviamente, dal momento che la lunghezza della cinghia o catena è fissa, ad un restringimento di una puleggia (aumento del diametro) deve necessariamente corrispondere specularmente un allargamento (riduzione di diametro) dell'altra e viceversa.
Il sistema di regolazione che consente di variare il diametro delle pulegge e allo stesso tempo mantenere costantemente una pressione ben precisa tra i coni delle pulegge e i fianchi della cinghia per impedirle di slittare e consentirle di trasferire la coppia (peraltro tale valore non deve essere eccessivo per evitare un aumento degli attriti e dell'usura) può essere di varia natura.
Nei variatori meccanici più semplici, come ad esempio negli scooter o nei quad, il sistema è completamente meccanico: delle massette centrifughe di forma cilindrica che scorrono su delle guide appositamente profilate tendono a portare il sistema verso il rapporto lungo all'aumentare del numero di giri, mentre una molla "di contrasto" si oppone a questo movimento tendendo a riportare il sistema al rapporto minimo quando i giri diminuiscono; la stessa molla di contrasto può anche essere sfruttata, mediante una serie di rampe elicoidali, per accorciare il rapporto quando si apre il gas ed il motore eroga più coppia, sfruttando l'aumento di trazione sulla cinghia: in questo modo il motore sale di giri e risulta più pronto.
Un sistema un po' più complesso può prevedere un dispositivo che sfrutta il vuoto nel collettore di aspirazione, e quindi l'apertura del gas e di conseguenza la richiesta di coppia, per coadiuvare le masse centrifughe, portando il sistema verso un rapporto più lungo quando si chiude il gas ed il vuoto nel collettore aumenta.