Il cambio (o cambio di velocità) è un componente meccanico che ha la funzione di modificare la caratteristica della coppia motrice di un motore, similmente ad un riduttore di velocità. Inoltre permette di selezionare di volta in volta un rapporto di trasmissione differente, a seconda della gamma di cui il cambio è dotato.

Generalmente con il termine ci si riferisce al tipo comunemente presente sugli automezzi, cioè quello a scatola di ingranaggi: è grazie a questo dispositivo che è possibile "cambiare la marcia" di un veicolo a motore.

Descrizione generale Il cambio è comunemente usato negli autoveicoli e nei rotabili ferroviari a motore termico, allo scopo di poter variare entro ampi limiti la velocità del mezzo pur mantenendo il motore a combustione interna entro un regime di funzionamento ottimale per rendimento, coppia motrice o potenza.Il motore a combustione interna, infatti, mediamente ha una velocità di rotazione compresa tra 600 e rpm, mentre la velocità delle ruote varia tra zero e rpm.

Cambi di velocità sono anche impiegati in macchine industriali come per esempio i torni per metalli.

In macchine e veicoli che impiegano una trasmissione di tipo elettrico o idraulico il cambio viene ridotto o eliminato, poiché sono caratterizzati da alta coppia anche a motore fermo o a bassissimi regimi di rotazione e quindi si riduce la necessità dell'uso di un cambio di velocità, anche se la presenza di un cambio permette di migliorare l'efficienza, la percorrenza chilometrica e prestazioni, pur introducendo delle dispersioni, vantaggi che si presentano anche con l'uso di un cambio a soli due rapporti inoltre l'adozione del cambio permette l'uso di un motore meno potente, queste due azioni (adozione del cambio e utilizzo di motori moderatamente potenti) permettono di migliorare ulteriormente l'efficienza e la percorrenza chilometrica.

Il grande vantaggio del cambio è quella di poter modificare il rapporto di trasmissione, consentendo sia di poter raggiungere elevate velocità su percorsi pianeggianti, sia di superare pendenze importanti, che richiedono molta forza per poter essere superate, soprattutto per mezzi pesanti. Infatti pur non modificando la potenza fornita dal motore (se non si considerano le perdite dovute al rendimento del cambio), ne modifica le proprietà di velocità e forza (in modo inversamente proporzionale), consentendo una maggiore versatilità d'utilizzo del motore.

Nei veicoli a motore

Nei mezzi di trasporto su strada, il cambio è fondamentale anche perché permette di variare il rapporto tra il regime motore e la velocità del veicolo, al fine di ottenere una coppia motrice appropriata alle ruote. Il motore infatti presenta regimi di rotazione ottimali diversi a seconda che occorra privilegiare il rendimento chilometrico (generalmente a velocità costante), la coppia e potenza (per la velocità massima, la ripresa, accelerazione, salite etc.) o regime di sottocoppia (per i fondi innevati o a bassa aderenza).

Nelle automobili standard, nelle marce basse (I, II, III, a volte IV) il cambio agisce come riduttore di velocità, mentre nelle marce alte (V e molto spesso anche la VI) i rapporti di trasmissione sono unitari o sopra l'unità (fino ad un 20% o 30%); di solito le marce più alte (tipicamente la V, ma anche la VI se il cambio ne è dotato) sono del tipo "a riposo", studiate per limitare i consumi nelle autostrade o comunque nelle percorrenze a velocità elevate.

Questo perché, storicamente, nel classico schema delle auto americane degli anni 30 con motore longitudinale, trazione posteriore e cambio a 4 marce (+ RM), l'albero di entrata e di uscita sono coassiali e pertanto, per ragioni di efficienza, il rapporto della IV anziché passare per l'albero ausiliario come gli altri rapporti, prevedeva un sincronizzatore che innestava direttamente le estremità dell'albero di entrata e di uscita con rapporto 1:1 ("presa diretta"). Per tale ragioni "storiche", i rapporti inferiori alla IV sono generalmente demoltipliche, mentre al di sopra sono moltipliche.

Manuale (cambio ad H)

Il cambio manuale è presente nelle primissime moto e pressoché universalmente nelle automobili. Questo cambio varia il rapporto di trasmissione tramite una leva che viene mossa, andando a formare la tipica forma ad "H".

Le coppie d'ingranaggi sono disposte su due alberi e sono sempre tutti accoppiati e in rotazione, ma gli ingranaggi sull'albero condotto sono liberi di girare e non ingaggiano l'albero condotto stesso, che ci scivola dentro.

Interposto tra l'albero condotto e gli ingranaggi ci sono dei selettori (che sono delle corone internamente dentate) calettati su di esso e ad esso solidali. Con l'azionamento della leva si sposta il selettore (tramite le forchette selezionatrici), così da collegare la ruota dentata calettata sull'albero motore ai corrispondenti denti praticati su una corona solidale all'ingranaggio della marcia scelta.

Il cambio può avere un'azione di cambiata differente a seconda che sia del tipo "sincronizzato" o "non sincronizzato".

Cambio non sincronizzato

Nelle prime automobili il cambio era costituito da ingranaggi non sincronizzati, le ruote dentate non erano permanentemente ingranate come avviene nei cambi moderni. Esse venivano spostate dal guidatore mediante i comandi, ed era richiesta una buona preparazione e sensibilità dell'operatore per capire quando gli ingranaggi stavano ruotando alla giusta velocità per permettere l'inserimento, in caso contrario grattavano rumorosamente e l'innesto non avveniva. In mancanza degli innesti ausiliari a frizione presenti nei cambi sincronizzati, gli innesti delle marce possono avvenire solo quando la velocità relativa tra le ruote è molto bassa o nulla.

Nel salire di marcia, era necessario rallentare l'ingranaggio motore, e per questo era sufficiente premere la frizione ed attendere il momento giusto per cambiare. Nello scalare la marcia invece, era necessario accelerare il motore. Per velocizzare o semplicemente rendere possibile questo veniva usata una tecnica detta del doppio disinnesto (doppietta), che può essere ascendente (per i passaggi a marce superiori) e discendente (per i passaggi a marce inferiori)Ernesto Tron, "L'arte di guidare", terza edizione, 1961, Touring Club Italiano. Il primo caso (doppietta ascendente) prevede di portare il cambio in folle, quindi rilasciare la frizione senza accelerare in modo da decrementare la velocità dell'albero di cambio al regime giusto e quindi inserire la marcia superiore. Il secondo caso (doppietta discendente) prevede di portare il cambio in folle, quindi rilasciare la frizione accelerando contemporaneamente in modo da incrementare la velocità dell'albero di cambio al punto giusto, e quindi inserire la marcia inferiore. Mentre per scalare rapporto in frenata si attua una variante della doppietta, che prende il nome di punta-tacco, che prevede l'esecuzione della doppia debraiata contestualmente alla esecuzione della frenata, tecnica che rimase in auge anche con l'avvento dei cambi sincronizzati, in quanto evita il fenomeno del blocco di ponte.

Cambio sincronizzato

I cambi manuali delle automobili prodotte dopo il '60 sono di tipo sincronizzato. Il meccanismo del cambio è costituito da due alberi paralleli, quello di entrata connesso alla frizione e quello di uscita, connesso all'albero di trasmissione. Sui due alberi sono montati parallelamente gli ingranaggi. Tutti gli ingranaggi sono costantemente ingranati, ma solamente una coppia è connessa all'albero di uscita.

Tecnicamente il meccanismo di innesto consiste in un collare (manicotto) che scorre lateralmente su un supporto coassiale all'albero, il manicotto viene fatto scorrere lateralmente dalle forchette di comando azionate dal selettore del cambio. Il supporto del manicotto rimane solidale all'albero motore grazie all'accoppiamento millerighe tra i due e agli ingranaggi e spessori che non permettono il suo spostamento laterale. Il manicotto che è esterno a questo supporto ha anch'esso un accoppiamento millerighe con il suo supporto, ma con una maggiore tolleranza, in modo da permettere la corretta lubrificazione e uno scorrimento più fluido. Affinché questo manicotto si sposti lateralmente rispetto alla sua posizione di riposo, bisogna forzare il rientro all'interno del supporto delle piccole chiavette che, spinte da alcune molle contro il manicotto, servono normalmente a stabilizzarne la posizione; questo meccanismo serve a rendere lo scorrimento del manicotto a scatto. Per effetto dello scorrimento, il manicotto ingrana il sincronizzatore e oltre a ciò ― e qui sta il cuore del funzionamento ― lo spinge contro l'ingranaggio della marcia. L'attrito che si viene così a creare tra il sincronizzatore e l'ingranaggio della marcia permette a quest'ultimo di entrare, in via per così dire preliminare, in rotazione, ancor prima di essere ingranato dal manicotto e quanto basta a portarlo più o meno alla stessa velocità di rotazione del manicotto stesso (e quindi dell'albero motore). A questo punto, manicotto e ingranaggio hanno la stessa velocità di rotazione e ciò permette finalmente il loro innesto. Una volta che il manicotto si ingrana sull'ingranaggio (per essere più precisi sulla corona laterale dell'ingranaggio), inizia il trasferimento, possiamo dire, definitivo della coppia motore, non più cioè per attrito ma per ingranamento. Notare che il preliminare ingranaggio tra il manicotto e il sincronizzatore non presenta invece problemi in quanto anche il sincronizzatore ruota solidale all'albero.

I sincronizzatori possono quindi essere considerati come delle minifrizioni coniche o ad anello che portano il manicotto (quindi l'albero di ingresso) e la corona solidale all'ingranaggio a girare alla stessa velocità. Quando si sente grattare durante un cambio di marcia, non sono i denti degli ingranaggi a "grattare", in quanto questi sono sempre ingranati, ma quelli del manicotto e della corona dell'ingranaggio. Inoltre, come si può vedere dalla foto, la corona dell'ingranaggio è sensibilmente più sottile dell'ingranaggio stesso, per il fatto che tra gli ingranaggi si ha il contatto con solo un dente per volta (in verità questo nel caso di denti dritti, nel caso di denti elicoidali possiamo dire approssimativamente un paio di denti per volta, dipende dall'angolo β di inclinazione dei denti), mentre la corona ingrana con tutti i denti e quindi ogni singolo dente è soggetto ad uno sforzo inferiore.

Il primo cambio sincronizzato fu introdotto dalla Cadillac nel 1929, mentre l'attuale sistema a coni fu sviluppato dalla Porsche nel 1952. Negli anni cinquanta solamente la seconda e terza marcia erano sincronizzate, ed il manuale d'uso suggeriva, per passare dalla seconda alla prima, di fermare prima completamente il veicolo. Nei cambi attuali, sono sincronizzate tutte le marce esclusa generalmente la retromarcia, pertanto la "grattata" si ha nei casi in cui quest'ultima venga inserita con il mezzo ancora in movimento; non è tuttavia raro che anche la retromarcia venga sincronizzata, rendendo possibile l'innesto anche con il veicolo leggermente in movimento, ma è comunque buona norma attendere che il veicolo sia totalmente fermo prima di ingranarla.

Il cambio sincronizzato presenta diversi svantaggi, tra cui: l'usura dei sincronizzatori; il ritardo introdotto nella cambiata; maggiore ingombro del cambio.

Per questo motivo nei grandi camion, nei macchinari e nei cambi speciali per corse automobilistiche si usa un sistema non sincronizzato. Nei cambi impiegati in gara si usano anche cambi sincronizzati con un numero ridotto di denti sui collari per avere una velocità di cambiata migliore, avendo per contro un'usura molto rapida.

La sigla MT che compare nei modelli, preceduta dal numero di marcia (es. 2MT o 5MT), sta per "manual transmission", dall'inglese "cambio manuale"

Numero delle marce