Lungi dal voler dare una spiegazione tecnica esauriente e completa di calcoli, cerco di spiegarne per sommi capi il funzionamento e prego di correggermi eventualmente per gli errori commessi.

Non sono riuscito a trovare schemi recentissimi per supportare la spiegazione, ma credo che questi siano più chiari di tanti altri che si trovano in giro. Le immagini rappresentano un cambio meccanico tradizionale a 4 marce (4 coppie di ruote dentate elicoidali in arancione) + retromarcia (coppia di ruote a profilo diritto in grigio) senza sincronizzatori.
Da notare che la seconda schematizzazione è girata al contrario rispetto alla prima e che la posizione della retromarcia non è la stessa.

Le ruote dentate calettate sull’albero inferiore sono solidali con esso, mentre quelle sull’albero superiore sono folli, nel senso che non sono solidali all’albero pur essendo vincolate assialmente. Una delle due ruote dentate che compongono la retromarcia è invece calettata su un piccolo albero ausiliario.

Quando muovete la leva del cambio per cambiare marcia, la forcella (verde) calettata all’altra estremità dell’asse (verde) che avete messo in movimento manda il manicotto (solidale all’albero superiore) a pacco contro la ruota dentata. L’accoppiamento, data l’assenza di sincronizzatori (che non sono altro che delle piccole frizioni applicate ai manicotti) e senza effettuare doppiette, punta-tacco o altre manovre alla Keiichi Tsuchiya per cercare di sincronizzare le velocità di rotazione dei due alberi, risulta violentissimo a causa del profilo dei denti sia del manicotto sia della ruota dentata che vanno ad accoppiarsi (nella seconda figura si nota proprio che entrambi hanno un profilo a scalini di 90°).

Qui entrano in gioco gli innesti frontali: anziché prevedere dei profili come quelli in figura 1 e figura 2 (accoppiati a dei sincronizzatori), si utilizzano dei profili simili a quelli in figura 3 che permettono un innesto molto più dolce consentendo allo stesso tempo, grazie a questo tipo di accoppiamento, di non azionare la frizione e di realizzare in questa maniera un flusso quasi continuo di coppia passando da rapporto all’altro in una frazione di secondo.

Di norma un cambio ad innesti frontali inoltre prevede anche dei profili diritti dei denti delle ruote dentate, e non elicoidali come sono invece rappresentati nelle prime due figure (praticamente è come se si utilizzasse il profilo della retromarcia grigia per ciascun rapporto).
Questo fa sì che vi sia minore attrito fra le ruote dentate, a tutto vantaggio del rendimento della trasmissione e quindi della quantità di coppia che non viene persa tra motore ed asfalto. Il prezzo da pagare (sempre che ve ne freghi qualcosa!) è un sibilo molto forte che aumenta all’aumentare della velocità (è il rumore che si sente andando in retromarcia).
Questa soluzione tuttavia permette di trasmettere meno coppia motrice a parità di larghezza della ruota dentata rispetto al profilo elicoidale dal momento che la superficie in presa risulta minore.
Allo stesso tempo però il profilo a denti diritti è più economico da realizzare, non crea spinte assiali sugli alberi e conferisce un sound molto “racing” alla vostra vettura!