Trem-motriz

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Disciplina: Transmissões Automotivas Professor: Carlo Giuseppe Filippin, M. Eng.

Transmissões Automotivas

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Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

ÍNDICE 1

HISTÓRICO DO AUTOMÓVEL......................................................................................... 8 1.1 Cronologia .................................................................................................................... 8 1.2 Mercado automotivo ................................................................................................... 13 1.3 Classificação dos veículos ......................................................................................... 14 2 dinâmica de marcha ........................................................................................................ 16 2.1 Rendimento ................................................................................................................ 20 2.2 Componentes do Trem Motriz .................................................................................... 20 2.3 Disposição do Trem Motriz......................................................................................... 20 2.4 Objetivo do Trem Motriz ............................................................................................. 21 2.4.1 Resistências ao Movimento................................................................................. 21 2.5 Força Trativa .............................................................................................................. 26 2.5.1 Variação da Força Trativa Com a Velocidade..................................................... 26 2.5.2 Curvas de Performance ...................................................................................... 27 2.5.3 Curvas de Potência Constante............................................................................ 27 2.5.4 Curvas de Potência e Torque.............................................................................. 29 2.6 Determinação do Conjunto de Relações de Transmissão de uma Caixa de Engrenagens...................................................................................................................... 30 2.7 Equação de Equilíbrio de Forças................................................................................ 33 2.8 Configurações ............................................................................................................ 34 2.8.1 Características das principais configurações: ..................................................... 39 3 EMBREAGEM E ACOPLAMENTOS............................................................................... 45 3.1 Embreagem de Fricção .............................................................................................. 45 3.2 Torque Transmissível ................................................................................................. 46 3.3 Embreagem de Fricção Cônica .................................................................................. 47 3.4 Outras Configurações de Embreagens por Atrito....................................................... 48 3.5 Embreagens Eletromagnéticas .................................................................................. 52 3.6 Embreagem Hidráulica ............................................................................................... 53 4 CAIXAS DE TRANSMISSÃO .......................................................................................... 58 4.1 Tipos........................................................................................................................... 58 4.1.1 Caixa de transmissão por engrenamento por deslocamento .............................. 59 4.1.2 Caixas de transmissão por engrenamento constante ......................................... 60 4.1.3 Caixas de transmissão por engrenamento constante sincronizada .................... 63 4.1.4 Caixas de transmissão direta e indireta .............................................................. 67 4.1.5 Caixa de transmissão com eixos intermediários opostos.................................... 68 4.1.6 Caixa de transmissão epicíclica .......................................................................... 70 4.1.7 Caixa de transmissão automática ....................................................................... 72 4.2 Transmissões Auxiliares............................................................................................. 80 4.3 Conversores de Torque.............................................................................................. 85 4.4 Transmissões Continuamente Variáveis .................................................................... 88 5 EIXO MOTRIZ................................................................................................................. 91 5.1 Tipos........................................................................................................................... 91 5.2 Velocidade.................................................................................................................. 91 5.3 Configurações ............................................................................................................ 92 5.3.1 Eixo motriz com simples redução........................................................................ 92 5.3.2 Eixo motriz com dupla redução ........................................................................... 93 5.3.3 Eixo motriz com redução nos cubos.................................................................... 95 5.3.4 Eixo motriz de dupla redução com dupla velocidade .......................................... 96 5.4 Diferencial .................................................................................................................. 98 2

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5.4.1 Diferencial aberto .............................................................................................. 100 5.4.2 Eixo bloqueado.................................................................................................. 102 5.4.3 Diferencial com deslizamento controlado.......................................................... 102 6 TRAÇÃO 4X4, 6x4 E INTEGRAL .................................................................................. 108 6.1 Controle de Tração................................................................................................... 117 7 JUNTAS UNIVERSAIS.................................................................................................. 122

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Pictografia Sumeriana de um veículo com rodas, 3500 a.C. ................................... 8 Figura 2: Veículo a vapor de Nicholas Cugnot, 1771. ............................................................. 9 Figura 3: Carruagem a vapor de Richard Trevithick, 1800...................................................... 9 Figura 4: Veículo de Gottlieb Daimler com motro à combustão interna, 1885. ..................... 10 Figura 5: Veículo de Karl Benz com motro à combustão interna, 1885. ............................... 10 Figura 6: Veículo de Panhard e Emile Levassor, com chassi, 1891. .................................... 10 Figura 7: Um dos veículo de Armand Peugeot, 1896............................................................ 11 Figura 8: Curvas típicas de um motor ciclo Otto apresentando a potência máxima e o torque máximo............................................................................................................... 17 Figura 9: Curvas típicas de um motor Diesel apresentando a potência máxima e o torque máximo. Com a indicação da curva de consumo de combustível pode-se determinar a faixa ótima de funcionamento. A seleção do trem motriz deve ser feita de modo a manter o motor funcionando preferencialmente na faixa de consumo ótimo. ............................. 18 Figura 10: Curva de desempenho de um veículo, apresentado o desenvolvimento das velocidades em cada marcha em função da rotação do motor. Nota-se a faixa de utilização do veículo em cada marcha, em função dos limites mínimos e máximos de rotação recomendados para o motor, e a faixa econômica, onde o consumo de combustível é mínimo. .................................................................................................... 19 Figura 11: Curva de resistência ao rolamento de um ônibus comparando o desempenho do veículo equipado cm pneus diagonais (convencionais) e com pneus radiais. Nota-se o menor atrito gerado pelos pneus radiais, que para a velocidade de 80 km/h chega a consumir 30 CV a menos que os pneus diagonais. ........................................................ 24 Figura 12: Curva de resistência aerodinâmica de um ônibus em função da velocidade, comparando-se a diminuição do arraste aerodinâmico conseguido com a melhora do coeficiente de penetração aerodinâmica do veículo, que chega a ser de 42% a 80 km/h. ........................................................................................................................................ 24 Figura 13: Curva de resistência total de um ônibus apresentando-se a potência consumida em função da velocidade desenvolvida e das características de rampa a ser superada.25 Figura 14: Curva de performance. ........................................................................................ 27 Figura 15: Curva de performance. ........................................................................................ 28 Figura 16: Curva de potência constante, representando a situação ideal onde o veículo teria infinitas relações de transmissão, com o motor trabalhando sempre na melhor faixa de consumo ou de desempenho. ......................................................................................... 28 Figura 17: Curva de potência e de torque do motor. ............................................................. 29 Figura 18: Curva de desempenho de um caminhão-trator com caixa de câmbio de 10 marchas e um eixo motriz de simples redução. .............................................................. 32 Figura 19: Tração dianteira com motor dianteiro................................................................... 34 Figura 20: Tração traseira com motor traseiro transversal.................................................... 34 Figura 21: Tração traseira com motor traseiro longitudinal. .................................................. 35 Figura 22: Tração traseira com motor traseiro transversal.................................................... 35 Figura 23: Tração traseira com motor traseiro transversal.................................................... 35 3

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Figura 24: Tração traseira com correntes. ............................................................................ 36 Figura 25: Tração traseira com suspensão De Dion. ............................................................ 36 Figura 26: Tração traseira com motor central. ...................................................................... 37 Figura 27: Tração dianteira com motor dianteiro transversal. ............................................... 38 Figura 28: Tração dianteira com motor dianteiro longitudinal................................................ 38 Figura 29: Tração integral com motor dianteiro longitudinal.................................................. 39 Figura 30: Variante da configuração Standard com tração traseira, motor dianteiro longitudinal e caixa de câmbio traseira. .......................................................................... 40 Figura 31: Configuração Standard com tração traseira, motor dianteiro longitudinal............ 41 Figura 32: Configuração com motor e tração traseiros. ........................................................ 42 Figura 33: Configuração com tração dianteira e motor dianteiro transversal. ....................... 43 Figura 34: Clássica configuração com tração 4x4 parcial com motor dianteiro longitudinal.. 44 Figura 35: Esquema de acoplamento por embreagem. ........................................................ 45 Figura 36: Esquema de acoplamento por embreagem de fricção......................................... 45 Figura 37: Acionamento hidráulico de embreagem de fricção. Ao acionar o pedal o condutor comuta a válvula que permite o enchimento do cilindro hidráulico que por sua vez aciona a embreagem. Ao liberar o pedal da embreagem o condutor comuta a válvula para a posição de esvaziamento do cilindro que libera a embreagem. ...................................... 46 Figura 38: Esquema de isolamento de vibrações em embreagem de fricção. ...................... 47 Figura 39: Esquema de acoplamento por embreagem cônica de fricção.............................. 47 Figura 40: Esquema de acoplamento por embreagem multidisco de fricção........................ 48 Figura 41: Embreagem multidisco – com dois discos - aplicada em motor Diesel de caminhão pesado............................................................................................................ 49 Figura 42: Esquema de acoplamento por embreagem com mola tipo diafragma. ................ 49 Figura 43: Embreagem de diafragma de acionamento inverso (puxando). Permite o acionamento de sincronizador auxiliar na entrada da caixa de câmbio através do mesmo mecanismo...................................................................................................................... 50 Figura 44: Esquema de acoplamento por embreagem Borg & Beck. ................................... 51 Figura 45: Esquema de acoplamento por embreagem de discos em banho de óleo............ 51 Figura 46: Esquema de acoplamento por embreagem centrífuga. ....................................... 52 Figura 47: Esquema de acoplamento por embreagem por corrente parasita. ...................... 52 Figura 48: Esquema de acoplamento por embreagem eletromagnética Ferlec. ................... 53 Figura 49: Esquema de acoplamento por embreagem hidráulica. ........................................ 54 Figura 50: Esquema de um rotor de uma embreagem hidráulica. ........................................ 55 Figura 51: Esquema de acoplamento por embreagem hidráulica. ........................................ 56 Figura 52: Disco e platô de embreagem de fricção............................................................... 57 Figura 53: Volante do motor sobre o qual se acoplam o disco e platô de embreagem de fricção.............................................................................................................................. 57 Figura 54: Esquema de uma caixa de câmbio. ..................................................................... 58 Figura 55: Esquema de uma caixa de câmbio por deslocamento de engrenagens. ............. 59 Figura 56: Caixa de câmbio por deslocamento de engrenagens. ......................................... 60 Figura 57: Esquema de caixa de câmbio por engrenamento constante. .............................. 61 Figura 58: Caixa de câmbio mista......................................................................................... 61 Figura 59: Caixa de câmbio continuamente engrenada, exceto a primeira marcha.............. 62 Figura 60: Mecanismos de seleção de marcha..................................................................... 62 Figura 61: A selector fork / Ball-type. .................................................................................... 63 Figura 62: Mecanismos de sincronização de carga constante, podendo ser aplicados externa ou internamente às engrenagens a sincronizar. ............................................................. 63 Figura 63: Mecanismo de sincronização tipo "baulk”; (Vauxhall Motors). ............................. 64 Figura 64: Mecanismo sincronizador com anéis sincronizadores postiços. .......................... 64 Figura 65: Mecanismo sincronizador com cone duplo postiço (Smiths Industries). .............. 65 Figura 66: Mecanismo sincronizador com cone duplo postiço (ZF D-series). ....................... 65 4

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Figura 67: Mecanismo de sincronização Porsche................................................................. 65 Figura 68: Mecanismo de sincronização Scania: 1. Engrenagem; 2. Luva acionadora; 3. Luva de engate; 4. Engrenagem; Sistema de travamento - marcha engatada ........................ 66 Figura 69: Caixa de câmbio totalmente indireta de quatro marchas com a redução final do eixo motriz acoplada diretamente no eixo secundário da caixa. ..................................... 68 Figura 70: Caixa de câmbio de veículo de passageiros com 5 velocidades, com marcha direta (ZF Synchroma S5-31). 1 – Eixo de entrada; 2 – Eixo secundário; 3 – Haste de acionamento; 4 – Eixo intermediário; 5 – Eixo de saída................................................. 68 Figura 71: Caixa de câmbio com eixos intermediários opostos (Fuller). ............................... 69 Figura 72: Caixa de câmbio com eixos intermediários opostos (Rockwell)........................... 69 Figura 73: Esquema de funcionamento de uma transmissão epicicloidal............................. 72 Figura 74: Transmissão automática para caminhões, ônibus e veículos especiais com retarder integrado (ZF Ecomat 5 HP 500). 1 Conversor de torque hidrodinâmico com lock-up; 2 Retarder hidrodinâmico; 3 Conjunto planetário com 5 velocidades; 4 Bomba de óleo; 5 Controle da transmissão...................................................................................... 72 Figura 75: Caixa de câmbio automática Borg-Wamer 65...................................................... 73 Figura 76: Caixa de câmbio convencional com acionamento automático............................. 74 Figura 77: Caixa de câmbio convencional com acionamento automático............................. 75 Figura 78: Motor e caixa de câmbio convencional de motocicleta. ....................................... 75 Figura 79: Caixa de câmbio automática................................................................................ 76 Figura 80: Diagrama de processo de estratégias de mudança de marcha no câmbio Tiptronic. ......................................................................................................................... 76 Figura 81: Diagrama de desempenho da caixa de câmbio automática de 5 velocidades ZF 5 HP 18. ............................................................................................................................. 77 Figura 82: Sistema de controle da caixa de câmbio automática AP. .................................... 78 Figura 83: Sistema de controle eletrônico de transmissão.................................................... 78 Figura 84: Esquema da caixa de câmbio automática ZF 5 e ZF 6 HP 5000. ........................ 79 Figura 85: Caixa de câmbio SCANIA com 10 marchas (5 x 2) empregando grupo redutor. 1 Árvore principal; 2 -Caixa de mudanças principal; 3 - Seção planetária; 4 - Árvore de saída. .............................................................................................................................. 80 Figura 86: Caixa de câmbio ZF - VOLVO, Mercedes-Benz - com 16 marchas (2x4x2) empregando splitter e grupo redutor e integral retarder (ZF-16 S 220 Ecosplit). ............ 81 Figura 87: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor................................................................................................................... 81 Figura 88: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor................................................................................................................... 82 Figura 89: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor................................................................................................................... 82 Figura 90: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor................................................................................................................... 83 Figura 91: 1 Árvore secundária; 2 Engrenagem solar; 3 Porta-planetárias; 4 Rolamento de agulhas; 5 Engrenagem planetária; 6 Coroa; 7 Disco de acionamento; 8 Cubo de sincronização; 9 Dispositivo de sincronização; 10 Luva de engate; 11 Árvore de saída; 12 Engrenagem acionadora; 13 Rolamento de esferas; 14 Sensor de velocidade; 15 Acionamento do velocímetro; 16 Flange de acoplamento............................................... 84 Figura 92: Acionamento de grupos redutores planetários..................................................... 85 Figura 93: Conversor de torque hidrodinâmico com lockup. 1- Lockup; 2 – Turbina; 3 Bomba; 4 – Estator; 5 – Roda livre.................................................................................. 86 Figura 94: Conversor de torque Trilok (curva de desempenho típica para veículo de passageiros).................................................................................................................... 86 Figura 95: Conversor de torque. ........................................................................................... 86 Figura 96: Conversor de torque Allison................................................................................. 87 5

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Figura 97: Transmissão continuamente variável do Ford CTX 811. ..................................... 88 Figura 98: Transmissão Variomatic com correia (CVT)......................................................... 89 Figura 99: Transmissão Variomatic Van Doorne (CVT). ....................................................... 89 Figura 100: Transmissão continuamente variável por polias cônicas e correia metálica. ..... 90 Figura 101: Transmissão continuamente variável por rodas de atrito. .................................. 90 Figura 102: Redução simples por engrenamento cônico hipoidal......................................... 93 Figura 103: Dupla redução por engrenamento cilíndrico + engrenamento cônico. ............... 93 Figura 104: Dupla redução por parafuso sem-fim + engrenamento epicicloidal (Kirkstall).... 94 Figura 105: Dupla redução por engrenamento cônico + duplo engrenamento cilíndrico. ..... 94 Figura 106: Dupla redução por engrenamento cônico + engrenamento epicicloidal duplo. .. 94 Figura 107: Dupla redução por engrenamento cônico + engrenamento cilíndrico. ............... 95 Figura 108: Redução nos cubos por engrenamento cilíndrico. ............................................. 95 Figura 109: Redução nos cubos por engrenamento epicicloidal........................................... 95 Figura 110: Redução nos cubos por engrenamento cônico. ................................................. 96 Figura 111: Dupla redução com dupla velocidade. ............................................................... 97 Figura 112: Eixo motriz de caminhão pesado com redução nos cubos por engrenamento epicicloidal....................................................................................................................... 97 Figura 113: Carcaças de eixos motrizes. .............................................................................. 97 Figura 114: Esquema de eixo motriz com diferencial............................................................ 98 Figura 115: Sistema diferencial........................................................................................... 100 Figura 116: Esquemas de diferencial aberto....................................................................... 100 Figura 117: Diferencial aberto por engrenamento cônico e por engrenamento epicicloidal.101 Figura 118: Diferencial aberto por engrenamento epicicloidal com distribuição desigual de torque e velocidade entre os semi-eixos. ...................................................................... 101 Figura 119: Diferencial aberto com engrenagens cônicas. ................................................. 102 Figura 120: Diferencial autoblocante Dana Trac-Loc™. ..................................................... 103 Figura 121: Diferencial autoblocante Salisbury. .................................................................. 104 Figura 122: Diferencial autoblocante Torsen™. .................................................................. 105 Figura 123: Diferencial autoblocante Torsen II™. ............................................................... 105 Figura 124: Diferencial viscoso instalado entre semi-eixo e carcaça do eixo...................... 106 Figura 125: Diferencial viscoso instalado entre semi-eixo e semi-eixo. .............................. 106 Figura 126: Diferencial autoblocante ZF. ............................................................................ 107 Figura 127: Sistema de tração integral do Daimler UNIMOG.............................................. 108 Figura 128: Sistema de tração 4x4 do FIAT Campagnolo................................................... 109 Figura 129: Sistema de tração integral do Audi Quattro. .................................................... 109 Figura 130: Diferenciais viscosos e Torsen empregados como diferenciais centrais em sistemas de tração integral. .......................................................................................... 110 Figura 131: Caixa de transferência com reduzida empregando engrenagens. ................... 111 Figura 132: Bloqueio manual de diferencial por acionamento pneumático, bloqueando o semi-eixo na carcaça diferencial. .................................................................................. 111 Figura 133: Caixa de transferência e diferencial central do BMW 525iX. ........................... 112 Figura 134: Sistema de transmissão integral do BMW 525iX. ............................................ 112 Figura 135: Vantagem da tração integral e 4x4 na subida de rampa e em pisos lisos. ...... 113 Figura 136: Comparação entre tração integral e dianteira, e entre pneus de verão e de inverno. ......................................................................................................................... 113 Figura 137: Sistema de tração 6x4 de caminhões. ............................................................. 114 Figura 138: Sistema de suspensão e tração 6x4 tipo boogie (Scammell Routeman). ........ 114 Figura 139: Sistema de tração 6x4 de caminhão mostrando os dois eixos motrizes e o diferencial central (aqui deslocado para a parte anterior do conjunto). ......................... 114 Figura 140: Sistema de tração 6x4 de caminhões. ............................................................. 115 Figura 141: Sistema de tração 4x4 de veículo leve com motor dianteiro transversal.......... 115 Figura 142: Esquema geral de uma transmissão de trator agrícola 4x4. ............................ 116 6

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Figura 143: Esquema detalhado de uma transmissão com 12 marchas de trator agrícola 4x4. ...................................................................................................................................... 116 Figura 144: Esquema detalhado de uma transmissão com 20 marchas de trator agrícola 4x4. ............................................................................................................................... 116 Figura 145: Curvas de adesão / escorregamento. .............................................................. 118 Figura 146: Sistema eletrônico de controle de tração integrado ao gerenciamento do motor. ...................................................................................................................................... 118 Figura 147: Sistema eletrônico de controle de tração integrado ao gerenciamento do motor. ...................................................................................................................................... 119 Figura 148: Sistema ABS/ASR 2I de controle de tração para carro de passageiros........... 119 Figura 149: Sistema de controle de tração para carro de passageiros. .............................. 120 Figura 150: Sistema de diferencial viscoso compatível com sistema antitravamento de freios. ...................................................................................................................................... 121 Figura 151: Junta universal de Hooke................................................................................. 122 Figura 152: Gráfico mostrando as variações de velocidade e aceleração angular, para ½ volta do eixo de acionamento (180o). Neste caso a junta apresenta um ângulo de 30o entre os eixos de entrada e de saída. ........................................................................... 123 Figura 153: Junta elástica Layrub. ...................................................................................... 123 Figura 154: Junta elástica Metalastik. ................................................................................. 123 Figura 155: Junta elástica Moulton. .................................................................................... 124 Figura 156: Junta de velocidade constante Bendix Tracta.................................................. 124 Figura 157: Junta de velocidade constante Bendix Weiss. ................................................. 124 Figura 158: Junta de velocidade constante Dana Rzeppa.................................................. 125 Figura 159: Junta de velocidade constante Birfield............................................................. 125 Figura 160: Par de juntas universais formando um eixo FWD (Four Wheel Drive Company), de velocidade constante................................................................................................ 125 Figura 161: Par de juntas universais formando um eixo Glaenzer, de velocidade constante. ...................................................................................................................................... 126 Figura 162: Par de juntas universais formando um eixo Kirkstall, de velocidade constante. ...................................................................................................................................... 126 Figura 163: Vista frontal do motor do BMW 525iX, DOHC 24V. O veículo básico apresenta tração 4x2 traseira. Para a versão 4x4 foi necessário modificar o Cárter para acomodar o eixo motriz dianteiro. Aqui se vê os dois semi-eixos ligados por duas juntas homocinéticas. .............................................................................................................. 126

ÍNDICE Tabela 1: Tabela 2: Tabela 3: Tabela 4: Tabela 5:

Rendimento da transmissão. ........................................................................... 20 Configuração de trem motriz............................................................................ 21 Relações de transmissão da caixa ZF-16 S 220. ............................................ 81 Fator de velocidade. ........................................................................................ 92 Resumo dos diversos diferenciais autoblocantes. ......................................... 107

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HISTÓRICO DO AUTOMÓVEL

Pode-se apresentar um breve histórico do automóvel, buscando identificar as inovações tecnológicas introduzidas, descrevendo uma cronologia da evolução dos veículos ao longo do tempo, detendo-se mais detalhadamente no final do século XIX e início do século XX.

Figura 1: Pictografia Sumeriana de um veículo com rodas, 3500 a.C. 1.1 • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Cronologia 4000 a.C. – Invenção da roda; Suméria – 3500 a.C. – 1° registro de trenó sobre rodas; Egito – 1600 a.C. – Plataforma de tração animal; Inglaterra – 1555 – Carruagem de tração animal com suspensão; Holanda – 1637 – Nassau – Canhoneira à vela; França – 1771 – Cugnot – 1° veículo a vapor; Inglaterra – 1775 – Watt – Veículo a vapor de alta pressão; Inglaterra – 1800 – Trevithick – 1° veículo de transporte de passageiros autopropulsado (a vapor); Suíça – 1807 – Rivaz – 1° veículo com motor de combustão interna manual (hidrogênio); Inglaterra – 1826 – Brown – 1° veículo com motor a combustão interna sem explosão (álcool); França – 1862 – Lenoir – 1° veículo com motor de combustão interna de dois tempos (gás de carvão); EUA – 1863 – Roper – 1° veículo motorizado vendido em série (9 unidades, a vapor); Áustria – 1865 – Marcus – 1° veículo motorizado com motor de dois tempos à gasolina; Alemanha – 1885 – Daimler – 1° veículo com motor quatro tempos (à gasolina, com duas rodas); Alemanha – 1885 – Benz – 1° veículo com motor de dois tempos com ignição por centelha (à gasolina); Alemanha – 1886 – Daimler – Veículo com motor quatro tempos (à gasolina, com quatro rodas); França – 1891 – Panhard / Levassor – 1° veículo com chassi; França – 1891 – Peugeot – 1° veículo à gasolina vendido em série (68 unidades);

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Figura 2: Veículo a vapor de Nicholas Cugnot, 1771.

Figura 3: Carruagem a vapor de Richard Trevithick, 1800. 9

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Figura 4: Veículo de Gottlieb Daimler com motro à combustão interna, 1885.

Figura 5: Veículo de Karl Benz com motro à combustão interna, 1885.

Figura 6: Veículo de Panhard e Emile Levassor, com chassi, 1891. 10

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Figura 7: Um dos veículo de Armand Peugeot, 1896. • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Alemanha – 1895 – Benz – Veículo com três marchas; França – 1895 – De Dion – 1° veículo com motor refrigerado a ar; EUA – 1895 – Balzar – Veículo com transmissão por engrenamento constante; Alemanha – 1896 – Daimler – 1° caminhão; Alemanha – 1897 – Opel – 1° veículo com marcha à ré; Áustria – 1899 – Porsche – 1° veículo com moto-gerador à gasolina acionando motores elétricos nas rodas; França – 1900 – Renault – Veículo com habitáculo fechado; EUA – 1901 – OLDSMOBILE – 1° veículo de produção em massa; Suécia – 1901 – SCANIA – 1° veículo com rolamentos de esferas nas rodas; Alemanha – 1902 – DAIMLER / PEUGEOT – Uso de turbocompressor em motor à combustão; França – 1902 – MORS – Amortecedor por atrito; França – 1902 – CGV – 1° veículo com motor de 8 cilindros; Holanda – 1902 – SPYKER – 1° veículo com motor de 6 cilindros e tração 4x4; Inglaterra – 1902 – Volante ajustável; EUA – 1902 – Baker – Cinto de segurança; EUA – 1903 – FORD – Criação da Ford Motor Company; EUA – 1903 – BUICK – Motor OHV (2.6 2 cilindros); Inglaterra – 1903 – LANCHESTER – Freio a disco; Inglaterra – 1903 – VAUXHALL – 1° veículo com carroceria totalmente em aço; EUA – 1904 – STURTEVANT – Transmissão automática e direção eletricamente assistida; EUA – 1905 – SAE – Criação da SAE; EUA – 1907 – OAKLAND – Veículo com motor com eixos contra-rotativos para minimizar vibrações (2.6 2 cilindros); EUA – 1908 – CADILLAC – Intercambiabilidade de peças; EUA – 1908 – FORD – Ford modelo “T”; EUA – 1908 – GMC – Criação da General Motor Company; França – 1908 – MORS – Amortecedor hidráulico; EUA – 1908 – BRUSH RUNABOUT – Sistema de direção com redução variável; 11

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Itália – 1908 – ISOTTA FRASCHINI – Freio nas 4 rodas; EUA – 1912 – CADILLAC – Motor de partida elétrico; EUA – 1912 – OLDSMOBILE – 1° veículo com carroceria em material compósito (papel e epóxi); EUA – 1912 – PACKARD – Motor V12; EUA – 1916 – Limpador de pára-brisa; Itália – 1918 – LANCIA – 1° veículo com carroceria monobloco; França – 1919 – HISPANO – SUIZA – Servo-freio; EUA – 1919 – GMC – Criação do GMI – General Motors Institute – 1ª Escola Automotiva; Brasil – 1919 – FORD – Inauguração da Ford do Brasil; EUA – 1920 – Tinta duco (secagem mais rápida); EUA – 1920 – Aço ao molibdênio; EUA – 1922 – Filtro de ar; EUA – 1924 – Adição de chumbo tetra-etila na gasolina permitindo o aumento da taxa de compressão dos motores de 3:1 para 4,5:1; Brasil – 1925 – GMC – Inauguração da GM do Brasil; EUA – 1926 – CADILLAC – Pára-brisa laminado; Espanha – 1926 – PEDROSO – Comando de válvula variável; EUA – 1927 – FORD – Último Ford “T” (15007033°); EUA – 1928 – CADILLAC – Caixa de câmbio sincronizada (exceto a primeira) e rádio Motorola; EUA – 1929 – GMC – Ar condicionado (Frigidaire); EUA – 1932 – BUICK – Câmbio semi-automático; EUA – 1934 – CHRYSLER – Lançamento do “Airflow” (aerodinâmica); Alemanha – 1936 – MERCEDES-BENZ – 1° veículo com motor Diesel (Mercedes 260D); EUA – 1939 – OLDSMOBILE – Transmissão automática de 4 velocidades; Alemanha – 1940 – Porsche – Apresentação do Volkswagen; EUA – 1941 – BANTAM – Apresentação do Jeep; EUA – 1941 – FORD – Carroceria de fibra plástica; EUA – 1946 – FORD – Carroceria de fibra de vidro; EUA – 1948 – BUICK – Conversor de torque; EUA – 1950 – B.F. GOODRICH – Pneus “Tubeless”; EUA – 1951 – CHRYSLER – Direção hidráulica; França – 1953 – MICHELIN – Pneu radial; França – 1955 – CITROËN – Citroën DS 19 (Cx = 0,31); EUA – 1957 – CADILLAC – Piloto automático; EUA – 1958 – Rambler – Bancos com regulagem elétrica; França – 1959 – MORRIS – Configuração com tração dianteira motor transversal; Holanda – 1959 – DAFFODIL – Transmissão continuamente variável; Japão – 1964 – TOYOTA – Produção just-in-time; Alemanha – 1964 – NSU – Primeiro veículo com motor Wankel; EUA – 1967 – PONTIAC – Pára-choque absorvedor de energia; EUA – 1968 – FORD – Freio anti-blocante; EUA – 1970 – BUICK – Sistema de controle de tração; EUA – 1973 – GMC – Air-bag; EUA – 1974 – Catalisadores; Alemanha – 1975 – Injeção eletrônica de combustível; Inglaterra – 1978 – LOTUS – Monobloco inteiramente em plástico; Brasil – 1979 – FIAT – Primeiro carro a álcool de grande produção; 12

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• • • • • • • 1.2

Alemanha – 1980 – AUDI – Primeiro carro com tração 4x4 integral; Alemanha – 1981 – PORSCHE – Injeção eletrônica com detector de oxigênio; EUA – 1985 – GMC – Saturn, veículo de grande avanço tecnológico; Brasil – 1986 – Aplicação automotiva do motor semi-adiabático (ELKO); Alemanha – 1989 – PORSCHE – Câmbio automático inteligente (Tiptronic); Inglaterra – 1997 – LAND ROVER – Controle de descida em percurso off-road; Brasil – 2002 – Bosch – Sistema de alimentação de combustível álcool + gasolina. Mercado automotivo

O mercado representado pelo segmento automotivo é muito amplo, abrangendo não somente atividades técnicas como, também, atividades gerenciais, de marketing, de infraestrutura, de legislação e de ensino e pesquisa. Neste mesmo contexto abrange diversas áreas do conhecimento humano. Buscando segmentar o mercado automotivo, visando localizar oportunidades de atuação do Engenheiro Automotivo, bem como do Engenheiro de Produção, tem-se: • Atividades técnicas • Projeto de veículos • Concepção do veículo • Macro-projeto de subestruturas e grandes conjuntos • Micro-projeto de peças e componentes • Projeto construtivo • Detalhamento do projeto construtivo • Produção de veículos • Concepção da linha de produção • Balanceamento da linha de produção • Projeto de ferramental de produção e dispositivos • Gerenciamento de componentes agregados • Manutenção de veículos • Gerenciamento técnico de oficinas e concessionárias • Determinação de tempos e métodos de trabalho • Manutenção de grandes frotas • Manutenção e ajustes em veículos de competição • Atividades comercias • Aquisição de materiais e componentes • Aquisição de equipamentos de produção • Venda técnica de veículos e equipamentos • Marketing no segmento de veículos • Gestão de negócios ligados ao segmento (transporte, movimentação de cargas e materiais) • Atividades legais • Legislação de trânsito • Legislação comercial do segmento • Legislação securitária • Atividades de ensino e pesquisa • Ensino formal dentro de cursos do segmento • Treinamento técnico específico • Pesquisa de novos materiais e processos 13

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• •

Pesquisa de novas concepções de projeto Solução de problemas de projeto (vibração, desgaste, desempenho)

Observando o mercado automotivo, quanto a sua segmentação em termos de aplicação de veículos, pode-se descrevê-lo como: • Mercado de uso comercial de veículos – transporte de bens e de pessoas, movimentação de materiais, produção de bens e serviços; • Mercado de uso doméstico de veículos – condução pessoal ou familiar, pequenas atividades mercantis; • Mercado de uso pessoal de veículos – emprego do veículo em atividades sociais ou de lazer, competições. A abordagem de cada mercado é feita de maneira particular, desde o projeto, produção, marketing, comercialização e assistência técnica. Alguns aspectos do mercado mudam sob influência da evolução do modo de vida médio do homem contemporâneo. Cresce a demanda por pick-up’s nos grandes centros (transmitem maior sensação de segurança), ao mesmo tempo em que se aponta o maior envolvimento destes veículos com a emissão de gases geradores de efeito estufa, e um maior envolvimento em acidentes com vítimas mais graves em terceiros. Cresce a demanda por station-wagons como segundo carro da família em famílias de classe média (aumento da proporção de pais que trabalham e conciliam atividades domésticas). Cresce a demanda por SUV – Sport Utilities Vehicles, particularmente com tração integral ou 4x4 (busca de atividades de lazer longe de grandes centros ou cidades com maior infra-estrutura). O mercado automotivo deve estar atento para a evolução comportamental da sociedade.

1.3

Classificação dos veículos Podem-se classificar os veículos quanto a sua aplicação da seguinte forma:

•

Veículos autopropulsados • Veículos de duas rodas • Motocicleta • Scooter • Ciclomotor • Veículos com mais de duas rodas • Veículos de passageiros • Sedan • Sedan conversível • Saloon • Coupé • Roadster • Station wagon • Furgão • Veículo especial • SUV • Veículos comerciais • Ônibus • Mini-ônibus • Ônibus urbano

- com partes fixas na região dos joelhos - sem partes fixas na região dos joelhos - com características de bicicletas - máximo de 9 ocupantes - máximo de 4 portas - teto conversível com laterais fixas - sedan alongado, máximo de 6 portas - máximo 2 portas - totalmente conversível, 2 ou 4 portas - com área ampliada para bagagem - utilitário até 3,5 t - ambulância, policial, recreacional - veículos todo-terreno - transporte de bens e pessoas - mais de 9 ocupantes - máximo de 17 ocupantes - rotas urbanas, passageiros sentados e 14

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•

•

•

•

Ônibus intermunicipais

• •

Ônibus interestaduais Ônibus elétrico

•

Ônibus articulado

• Ônibus especial Caminhão • Carga seca • Caminhão especial • Plataforma

Caminhão trator • Rebocador • Cavalo mecânico • Trator Veículos rebocados • Reboque • Semi-reboque

em pé - rotas intermunicipais, passageiros sentados, urbano - rotas interestaduais, rodoviário - com alimentação elétrica por cabos aéreos - duas seções articuladas com plataforma contínua - policial, transporte de prisioneiros - transporte de bens - carroceria aberta ou fechada - cargas a granel (tanque, graneleiro) - transporte de grandes cargas indivisíveis - traciona outros veículos - traciona um reboque - traciona um semi-reboque - traciona vários reboques

A classificação por categorias fica: • Categoria L – veículos com menos de 4 rodas e triciclos • L1 - duas rodas, <= 50 cm³ e <= 50 km/h • L2 - três rodas, <= 50 cm³ e <= 50 km/h • L3 - duas rodas, > 50 cm³ e > 50 km/h • L4 - duas rodas com side-car, > 50 cm³ e > 50 km/h • L5 - triciclos, > 50 cm³ e > 50 km/h, <= 1t • Categoria M – veículos de passageiros com no mínimo 4 rodas e triciclos com peso bruto > 1t • M1 - até 9 ocupantes • M2 - mais de 9 ocupantes, < 5 t • M3 - mais de 9 ocupantes, > 5 t • Categoria N – veículos para transporte de bens com no mínimo 4 rodas e triciclos com peso bruto > 1t • N1 - <= 3,5 t • N2 - entre 3,5 t e 12 t • N3 - > 12 t • Categoria O – reboques e semi-reboques • O1 - apenas um eixo e <= 0,75 t • O2 - entre 0,75 t e 3,5 t • O3 - entre3,5 t e 10 t • O4 - > 10 t

15

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2

DINÂMICA DE MARCHA

Atualmente as transmissões devem ser facilmente integráveis aos sistemas veiculares para provê-los de um crescimento de performance mantendo-os conformes com a legislação vigente, tanto quanto a restrições ambientais quanto de segurança veicular. O trem motriz deve oferecer relações de transmissão adequadas para efetivamente utilizar a potência do motor. Particularmente em veículos comerciais, a escolha correta do trem motriz torna possível manter o motor operando dentro de uma faixa de funcionamento de máxima performance ao menor custo. Esta faixa ocorre onde o motor produz a máxima potência por unidade de massa de combustível. DEFINIÇÕES Trem Motriz : Sistema mecânico com a função de prover adequadas condições de força e de velocidade ao veículo, para vencer os esforços de inércia e de resistência ao movimento, ou à mudança de uma condição de movimento para outra. Fluxo de Energia: Motor Combustível

Energia Mecânica

Potência máxima Torque máximo Intervalo de rotação

Velocidade Força

Trem motriz

Adequados ao movimento do Veículo Potência máxima: Máxima potência obtenível de um motor, apresentada em uma rotação característica. Para um dado conjunto de características do motor (tamanho, configuração, alimentação) a potência máxima fornecida pelo motor é constante para todas as opções de velocidade do veículo. A potência máxima disponível nas rodas do veículo (ou na tomada de força em alguns utilitários) é decrescida da potência perdida na transmissão, em função de seu rendimento. Como potência é o produto da força pela velocidade com que esta força atua, quando necessitamos de aumento na força disponível, a velocidade de atuação desta força se reduzirá na mesma proporção do aumento da força. Quando necessitamos de maior velocidade de atuação, a força se reduzirá na mesma proporção do aumento da velocidade. Portanto, uma transmissão poderá aumentar a força (diminuindo a velocidade) ou aumentar a velocidade (diminuindo a força). Torque máximo: máximo torque disponibilizado pelo motor, em uma determinada rotação. A potência gerada pelo motor nesta rotação é menor que a potência máxima, assim como o torque disponível na rotação de potência máxima é menor que o torque máximo. O torque máximo é responsável pelo máximo desempenho do veículo em situações extremas.

16

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Em uma subida de rampa, o limite de capacidade de subida ocorre com o motor na rotação de torque máximo e com a caixa de câmbio engrenando a marcha mais reduzida. FUNÇÕES DO TREM MOTRIZ As funções do trem motriz podem ser assim apresentadas: 1) Prover a um veículo um estado de movimento partindo de um estado estacionário (imóvel ou não); 2) Adequar torque e rotação do motor ao eixo do veículo conforme as necessidades de tração; 3) Permitir movimento avante e à ré; 4) Compensar variações de rotação entre as rodas de um mesmo eixo de tração em curvas; 5) Compensar variações de rotação entre eixos motrizes (em alguns veículos multitração) em curvas; 6) Manter o motor operando dentro de uma faixa ideal de consumo e emissão de poluentes; 7) Permitir a conexão e desconexão do motor com o próprio trem motriz, mesmo em movimento, de forma suave e progressiva; 8) Permitir movimento relativo entre o motor e componentes do trem motriz devido aos movimentos da suspensão.

Figura 8: Curvas típicas de um motor ciclo Otto apresentando a potência máxima e o torque máximo. 17

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Figura 9: Curvas típicas de um motor Diesel apresentando a potência máxima e o torque máximo. Com a indicação da curva de consumo de combustível pode-se determinar a faixa ótima de funcionamento. A seleção do trem motriz deve ser feita de modo a manter o motor funcionando preferencialmente na faixa de consumo ótimo.

18

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Figura 10: Curva de desempenho de um veículo, apresentado o desenvolvimento das velocidades em cada marcha em função da rotação do motor. Nota-se a faixa de utilização do veículo em cada marcha, em função dos limites mínimos e máximos de rotação recomendados para o motor, e a faixa econômica, onde o consumo de combustível é mínimo.

19

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2.1

Rendimento

As transmissões empregadas em um trem motriz são, na sua maior parte, transmissões por engrenagens. Em alguns casos mais específicos empregam-se outros elementos mecânicos com esta função. Pode-se citar o uso de correntes na transmissão de potência à roda de uma motocicleta e em algumas caixas de transferência em veículos multitração e o uso de correias na transmissão de pequenos veículos de lazer. De qualquer modo, sempre um par cinemático acoplado com a função de transmitir potência apresenta um rendimento menor que a unidade. Isto significa que sempre há uma perda de potência inerente à própria transmissão de potência. No caso de transmissões por engrenagens, esse rendimento apresenta valores médios de aproximadamente 98% para cada par cinemático construído com engrenagens cilíndricas e de 95% para engrenagens cônicas. Sob uma visão global de uma caixa de engrenagens, esta perda de potência se deve ao atrito entre as superfícies transmissoras de potência, às perdas nos mancais e à agitação do lubrificante, gerando calor e ruído. Para exemplificar apresenta-se a seguir os rendimentos totais de alguns trens motrizes. Tabela 1: Rendimento da transmissão. Veículo Pálio 1.0 Gol 1.0 Uno 1.0 Corsa 1.0 Ka 1.0 Besta 2.7 Ranger 4.0 Nissan 2.0 manual Nissan 2.0 automático Peugeot GR 2.3 2.2

Rendimento total (%) 85,9 72,3 79,0 83,1 82,0 69,7 70,0 76,1 66,4 75,3

Componentes do Trem Motriz

Os componentes do trem motriz podem ser agrupados em grandes conjuntos, como segue: • Embreagem: acopla o próprio trem motriz ao motor • Caixa de câmbio: permite adequar as condições de torque e rotação do motor às condições de marcha do veículo • Diferencial: compensa variações de rotação entre rodas motrizes de um veículo • Sistema de controle: supervisiona o funcionamento do conjunto motriz • Eixos e acoplamentos: permitem a conexão dos componentes do trem motriz • Freios: proporcionam redução de velocidade e imobilização do veículo. 2.3

Disposição do Trem Motriz

Como disposição do trem motriz (sendo mais rigoroso, do trem de potência) pode-se descrever as configurações construtivas conforme as posições relativas do motor e do eixo motriz. 20

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Tabela 2: Configuração de trem motriz. Disposição Tração traseira Tração dianteira Tração total

2.4

Motor Frontal longitudinal Traseiro Frontal longitudinal Frontal transversal Frontal longitudinal Central longitudinal Frontal transversal

Eixo motriz Traseiro (Standard) Traseiro Dianteiro Dianteiro e traseiro

Objetivo do Trem Motriz

O objetivo do trem motriz é adequar o veículo às condições de marcha compatíveis com a motorização e com as resistências ao movimento.

2.4.1

Resistências ao Movimento As resistências ao movimento podem ser identificadas como:

Resistência aerodinâmica: resistência ao movimento proporcional à velocidade desenvolvida pelo veículo. Apresenta-se parabolicamente proporcional. À velocidade do veículo. Ë caracterizada pelas dimensões do veículo (área frontal e concepção aerodinâmica). Faerodinâmica (N)

Faerodinâmica (N)

(N)

v (km/h)

α (rad)

Faerodinâmica (N)

m (kg)

21

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Resistência ao gradiente: resistência ao movimento proporcional à inclinação da pista de forma linear com a velocidade. Ë caracterizada pela massa do veículo e pelo ângulo de inclinação da pista. Fgradiente (N)

Fgradiente (N)

v (km/h)

α (rad)

Fgradiente (N)

m (kg) Resistência ao rolamento: resistência ao movimento proporcional ao coeficiente de atrito de rolamento entre o revestimento da pista e dos elementos motores do veículos (pneumáticos, esteiras, esquis) de forma linear com a velocidade. Ë caracterizada pela massa do veículo e pelo ângulo de inclinação da pista. Frolamento (N)

Frolamento (N)

v (km/h)

α (rad)

22

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Frolamento (N)

m (kg) Resistência total: somatória das resistências que se opõem ao movimento do veículo. Esta somatória deve ser realizada com base no mesmo parâmetro – velocidade, massa, ângulo, etc. Normalmente o parâmetro de maior interesse é a velocidade do veículo.

Ftotal (N) F aerodinâmica

F rolamento F gradiente

v (km/h) A B

Ftotal (N)

C D α

F

v (km/h)

23

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Figura 11: Curva de resistência ao rolamento de um ônibus comparando o desempenho do veículo equipado cm pneus diagonais (convencionais) e com pneus radiais. Nota-se o menor atrito gerado pelos pneus radiais, que para a velocidade de 80 km/h chega a consumir 30 CV a menos que os pneus diagonais.

Figura 12: Curva de resistência aerodinâmica de um ônibus em função da velocidade, comparando-se a diminuição do arraste aerodinâmico conseguido com a melhora do coeficiente de penetração aerodinâmica do veículo, que chega a ser de 42% a 80 km/h. 24

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Figura 13: Curva de resistência total de um ônibus apresentando-se a potência consumida em função da velocidade desenvolvida e das características de rampa a ser superada.

25

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

2.5

Força Trativa É a força de tração desenvolvida no ponto de contato das rodas do veículo com o

piso. v

F

r

M

torçor

O momento torçor disponível na roda é o produto da força tangencial F pelo raio dinâmico da roda r (raio do aro + altura do pneu montado na roda + deformação dinâmica do pneu). Como

M

torçor

F

=

M

=M

motor

⋅ i total ⋅ η total ⋅ i total ⋅ η total r

motor

∴

F = k ⋅M

motor

Portanto, a velocidade v tangencial da roda (velocidade do veículo) é proporcional à rotação do motor, para uma relação total de transmissão (i total) e o correspondente rendimento total (η total), e ao raio dinâmico da roda. O rendimento total depende da relação de transmissão empregada. 2.5.1 Variação da Força Trativa Com a Velocidade

M motor = f (n )

F roda

Curva de Torque

Curva de Tração

= f (v

)

26

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F (N)

1.1.1

T

v

2v v (km/h)

Figura 14: Curva de performance. 2.5.2 Curvas de Performance As curvas de performance confrontam a curva de tração com as curvas de resistência. Normalmente são apresentadas em função da velocidade de deslocamento do veículo. 2.5.3 Curvas de Potência Constante A curva de potência constante, para um veículo com transmissão discreta, é a interpolação de todos os pontos de intersecção das curvas de velocidade com as curvas de resistência, para todos os valores de velociadade do veículo dentro da faixa de operação. Para veículos com transmissão contínua (continuamente variável) esta curva coincide com a curva de performance.

27

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Figura 15: Curva de performance.

Figura 16: Curva de potência constante, representando a situação ideal onde o veículo teria infinitas relações de transmissão, com o motor trabalhando sempre na melhor faixa de consumo ou de desempenho. 28

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2.5.4 Curvas de Potência e Torque As curvas de potência e de torque são características de cada motor em particular. A partir destas curvas se obtêm as curvas de performance e de potência constante, em função das relações de transmissão apresentadas pela caixa de engrenagens e pela relação final de transmissão (incluindo reduções nos cubos, quando houver).

Figura 17: Curva de potência e de torque do motor. 29

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

2.6

Determinação do Conjunto de Relações de Transmissão de uma Caixa de Engrenagens

O projeto de um veículo automotor envolve a definição de características de chassi, power-train (motor + transmissão), carroceria, etc. A concepção do power-train não precisa ser, necessariamente, nova. Alguns fabricantes de veículos empregam um conjunto motriz básico, com algumas variações em função de características próprias dos diversos modelos de uma linha. Neste contexto, conseguem-se variações de potência e torque em um mesmo motor privilegiando ora o desempenho, ora o conforto em condução urbana, ora a economia. Da mesma forma, o trem motriz pode sofrer alguns ajustes em relação a uma versão básica, com os mesmos objetivos. Portanto, combinando-se as opções de motorização com as opções de transmissão podem-se obter diferentes comportamentos em uma mesma linha de veículos, cada qual associado a um modelo diferente, voltado a um cliente diferente. Focaliza-se aqui, particularmente, as combinações de um determinado motor com as possíveis opções de trem motriz. As condições de contorno para a determinação das relações de transmissão de uma caixa de câmbio são: • Ângulo de rampa nulo com o motor desenvolvendo a máxima potência na respectiva rotação à mínima relação de transmissão; • Ângulo de rampa máximo com o motor desenvolvendo o máximo torque na respectiva rotação à máxima relação de transmissão As demais relações de transmissão são desenvolvidas em progressão geométrica onde os valores anteriores são o último e primeiro termos, respectivamente. Este escalonamento, assim obtido, considera que na mudança de marcha a velocidade na marcha atual é igual à velocidade na marcha anterior instantaneamente no momento da mudança. Portanto, descrevendo a rotação de torque máximo do motor como nt e a rotação de potência máxima como np, as relações de transmissão como i = A:1, i = B:1, C:1, D:1, etc., tem-se:

n

v = K ⋅

p

v '= K ⋅

A

nt B

onde K é uma constante que representa as dimensões do aro, do pneu e do tipo construtivo de pneu. Então, na mudança de marcha tem-se v = v’, ou seja, a velocidade instantânea na mudança de marcha é igual, correspondendo a uma alteração proporcional na rotação do motor, que por sua vez, corresponde a uma alteração nos valores de torque e potência disponíveis momentaneamente. Então,

K ⋅

np

=K ⋅

A

nt B

B

= A

⋅

L M

ou seja, alterou-se a relação de transmissão de A:1 para B:1 com a rotação diminuindo da rotação de potência máxima para a rotação de torque máximo. Este padrão é ideal, sendo mais próximo dos valores usuais para veículos comerciais, particularmente com motorização ciclo Diesel. Variações são possíveis em função das curvas de potência e de torque de cada motor em particular. Na próxima mudança de marcha novamente a velocidade instantânea se mantém, quando a relação de transmissão é alterada de B:1 para C:1. Logo,

K

⋅

n B

p

= K

⋅

n C

t

C =B ⋅

L M

Como

L B=A⋅ M

 L  C = A ⋅   M 

2

30

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Na próxima mudança de marcha novamente a velocidade instantânea se mantém, quando a relação de transmissão é alterada de C:1 para D:1. Logo,

K ⋅

n

p

C

= K

⋅

n t D

D = C

⋅

L M

Como

C

 L = A ⋅   M

  

2

 L  D = A ⋅   M 

3

E assim sucessivamente. Portanto, a razão entre as relações de transmissão é constante e vale L/M, correspondendo a uma progressão geométrica. Buscando uma melhor flexibilidade do conjunto, em caminhões a velocidade máxima deve ser aproximadamente de 8 a 16 km/h maior que a velocidade de cruzeiro - ou em trono de 90% da rotação de potência máxima. Para iniciar o movimento do veículo carregado no plano pode-se considerar como se este estivesse se movendo em uma rampa de 10% de inclinação. Da mesma forma, para arrancar em uma rampa, considera-se um incremento de 10% na inclinação da rampa. Como exemplo, pode-se apresentar a seguinte situação: um veículo com motor Diesel fornece 250 CV a 2100 rpm e apresenta torque máximo a 1270 rpm. Em função dos valores de potência e de torque, bem como das resistências a serem vencidas, definiu-se que a maior relação de transmissão necessária é 35,6:1. Este veículo será equipado com um eixo motriz de relação final de transmissão de 4,88:1 e com uma caixa de câmbio de 5 velocidades + ré. Qual o escalonamento necessário para cada marcha? Solução: A primeira relação de transmissão já foi estabelecida em função das características de desempenho previstas. Então, 35 , 6 ∴ i 1 = 7 ,30 i1 = 4 , 88 A razão it 1270 = = 0 , 6047 ip 2100 define a progressão geométrica que determina o escalonamento da caixa de câmbio. Logo,

i 2 = 0 , 6047 i 3 = 0 , 6047 i 4 = 0 , 6047

i 5 = 0 , 6047

⋅ 7 , 30 ⋅ 4 , 41 ⋅ 2 , 67

∴ ∴ ∴

⋅ 1, 61

∴

i 2 = 4 , 41 i 3 = 2 , 67 i 4 = 1, 61

i 5 = 0 , 97

As relações de transmissão da caixa de câmbio realmente utilizada no veículo a que se refere o exemplo, um caixa Spicer 8552-B, são: I1 = 7,30:1 I2 = 4,54:1 I3 = 2,75:1 I4 = 1,65:1 I5 = 1,00:1 As variações encontradas são função das características de projeto de trens de engrenagens, onde cada par de engrenagens que compõe um engrenamento deve atender 31

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

à mesma distância entre centros que os demais pares. Ainda, como é apresentado adiante, uma caixa de câmbio de 3 eixos, com a última marcha direta, apresenta algumas vantagens em relação às caixas de câmbio de 2 eixos, particularmente quando aplicada em veículos comerciais ou de competição.

Figura 18: Curva de desempenho de um caminhão-trator com caixa de câmbio de 10 marchas e um eixo motriz de simples redução.

32

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2.7

Equação de Equilíbrio de Forças

As forças de tração exigíveis são iguais às forças impostas pelas resistências ao movimento. Então, itotal ρ2 2 Mm ⋅ ⋅ η total = m ⋅ g ⋅ f ⋅ cos α + m ⋅ g ⋅ sen α + a ⋅ m ⋅ (1 + δ ) + c x ⋅ A ⋅ ⋅v r 2 Onde: Mm = momento (torque) entregue pelo motor no eixo de saída, em uma dada rotação (Nm); Itotal = relação de transmissão total (relação de transmissão da caixa de câmbio x relação de transmissão do eixo motriz); r = raio dinâmico da roda (raio da roda + altura dinâmica do pneu) (m); ηtotal = rendimento total da transmissão; m = massa do veículo (kg); g = aceleração da gravidade (m/s2); f = coeficiente de atrito de rolamento; α = ângulo de rampa (º); d = coeficiente de inércia a = aceleração linear (m/s2); cx =coeficiente de penetração aerodinâmica A = área frontal do veículo (m2); ρ = densidade do ar (kg/m3); v = velocidade do veículo (m/s); Esta expressão resume-se a:

Fexigível = Frolamento + Frampa + Faceleração + Faerodinâmi ca O coeficiente de inércia rotacional é descrito por

δ =1 +

J m ⋅r

2

onde

J = J r + i e2 ⋅ J t + i e2 ⋅ i c2 ⋅ J m com J = momento de inércia de massa Jr = momento de inércia de massa da roda (aro + pneu) Jt = momento de inércia de massa do trem motriz Jm = momento de inércia de massa do motor Ie = relação de transmissão do eixo motriz Ic = relação de transmissão da caixa de câmbio

33

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

2.8

Configurações As configurações de trem motriz podem ser agrupadas como segue: •

Disposição Standard com eixo rígido

Figura 19: Tração dianteira com motor dianteiro. •

Tração traseira com motor traseiro e eixo rígido • Motor transversal • Motor longitudinal

Figura 20: Tração traseira com motor traseiro transversal.

34

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Figura 21: Tração traseira com motor traseiro longitudinal.

Figura 22: Tração traseira com motor traseiro transversal.

Figura 23: Tração traseira com motor traseiro transversal.

35

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•

Tração com eixo morto – corrente

Figura 24: Tração traseira com correntes. •

Tração traseira independente – De Dion

Figura 25: Tração traseira com suspensão De Dion. 36

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•

Tração traseira com motor central

Figura 26: Tração traseira com motor central. 37

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•

Tração dianteira com motor dianteiro e suspensão independente • Motor transversal • Motor longitudinal

Figura 27: Tração dianteira com motor dianteiro transversal.

Figura 28: Tração dianteira com motor dianteiro longitudinal.

38

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•

Tração 4 × 4 e integral

Figura 29: Tração integral com motor dianteiro longitudinal.

2.8.1 Características das principais configurações: Disposição Standard com eixo rígido Vantagens • Não há limitações sérias quanto ao tamanho do motor • Pequena carga nos suportes do motor • Fácil isolamento de vibrações • Melhor distribuição de carga • Vários sistemas de eixo dianteiro simples são possíveis • Desgaste de pneus mais homogêneo • Acionamento do câmbio mais simples • Mais espaço para a instalação do sistema de direção • Refrigeração mais eficiente do motor Desvantagens • • • • • •

Menor estabilidade direcional Menor capacidade de tração em pisos lisos com pouca carga Comportamento sobresterçante no limite Mais difícil a construção da suspensão traseira independente Maior espaço ocupado pela transmissão (eixo cardan) Pior aproveitamento do espaço interno

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Figura 30: Variante da configuração Standard com tração traseira, motor dianteiro longitudinal e caixa de câmbio traseira.

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Figura 31: Configuração Standard com tração traseira, motor dianteiro longitudinal.

Tração traseira com motor traseiro Vantagens • • • • • •

Trem motriz compacto Direção leve – pouco peso sobre o eixo dianteiro Boa distribuição de esforços de frenagem Eixo dianteiro simples Fácil acesso ao motor Melhor aproveitamento do espaço interno

Desvantagens • • • • • • • • • •

Maior sensibilidade a ventos laterais Extremo comportamento sobresterçante Dirigibilidade muito difícil em pisos muito lisos (gelo) – pouco peso sobre o eixo dianteiro Desgaste desigual de pneus Suportes do motor absorvem maior momento Traçado difícil para o escapamento Dificuldade no isolamento de ruído Mecanismo de acionamento do câmbio mais complicado Refrigeração difícil para motores refrigerados à água Localização segura do tanque de combustível dificultada

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Figura 32: Configuração com motor e tração traseiros. Tração dianteira com motor dianteiro Vantagens • • • • • • • •

Melhor estabilidade direcional Comportamento subestreçante Pouca sensibilidade a vento laterais Direção pouco pesada Eixo traseiro mais simples Melhor aproveitamento do espaço interno Trem motor compacto Melhor refrigeração do motor

Desvantagens • • • • • • • • • •

Dificuldade de tração com carga máxima Com motorização mais potente aumentam os níveis de vibração na direção Tamanho do motor limitado Suportes do motor absorvem maior momento Mais difícil obter um conjunto confortável e silencioso Eixo dianteiro mais complexo Circunferência de giro limitada Desgaste desigual dos pneus Má distribuição de forças de frenagem Mecanismo de acionamento do câmbio mais complexo 42

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Figura 33: Configuração com tração dianteira e motor dianteiro transversal. Tração 4 × 4 e integral Vantagens • • • • • • •

Melhor capacidade de tração em qualquer piso Maior capacidade de subida em rampas Melhor retomada de velocidade Pouca sensibilidade a ventos laterais Melhor comportamento em aquaplanagem Melhor distribuição de carga Desgaste homogêneo de pneus

Desvantagens • • • • • •

Mais caro Mais pesado Menor velocidade máxima Maior consumo de combustível (5 a 10%) Alguns sistemas têm comportamento não neutro no limite Sistemas não integrais (parciais) são incompatíveis com ABS

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Figura 34: Clássica configuração com tração 4x4 parcial com motor dianteiro longitudinal.

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3

EMBREAGEM E ACOPLAMENTOS

Mecanismo que permite a transmissão de movimentos rotatórios de um eixo para outro de maneira progressiva. Os tipos mais comuns são as embreagens de fricção e as hidráulicas (incluindo-se o conversor de torque).

Figura 35: Esquema de acoplamento por embreagem. 3.1

Embreagem de Fricção

Componentes

Disco – ligado ao motor Platô – ligado ao câmbio Volante do motor – ligado ao motor Molas – ligadas ao câmbio

Presente em veículos equipados com câmbio manual. Uma embreagem de fricção – de menores dimensões – pode ser encontrada como componente de sistemas automáticos para melhorar o desempenho do conjunto particularmente em regime permanente. Funcionamento: o atrito gerado pelo disco contra o platô e o volante do motor, sob força da mola, permite o acoplamento do motor ao câmbio. Funções: Disco – superfície revestida com material com alto coeficiente de atrito à prover a força de atrito necessária à transmissão de movimento quando sob carga normal; Platô – componente de grande massa àdissipar calor; Volante do motor – componente de grande massa à dissipar calor e prover inércia ao motor; Molas – aplicar carga sobre o conjunto à gerar a carga normal para que surja uma força de atrito entre o disco e as superfícies do volante do motor e do platô.

Figura 36: Esquema de acoplamento por embreagem de fricção. 45

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Acionamento: • Mecânico: a carga das molas é retirada por sistema de alavancas e cabos acionado pelo motorista através de pedal; • Hidráulico: a carga das molas é retirada hidraulicamente por sistemas de válvulas acionadas pelo motorista através de pedal. 3.2

Torque Transmissível O momento torçor transmissível por uma embreagem pode ser descrito como:

t = µ ⋅ P ⋅ r , onde Mt = momento torçor transmissível (Nm) µ = coeficiente de atrito P = carga normal aplicada pelas molas sobre o platô (N) r = raio médio da superfície de fricção (m)

M

Superfície de Volante

fricção

do motor

r Força de atrito

Figura 37: Acionamento hidráulico de embreagem de fricção. Ao acionar o pedal o condutor comuta a válvula que permite o enchimento do cilindro hidráulico que por sua vez aciona a embreagem. Ao liberar o pedal da embreagem o condutor comuta a válvula para a posição de esvaziamento do cilindro que libera a embreagem. 46

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Variações: • Sistema totalmente automático à acionamento hidráulico + câmbio automático (câmbio convencional servo-controlado) • Sistema com isolamento de vibrações à volante com duas seções acopladas por molas, apresentando freqüência natural de vibração abaixo da freqüência de excitação do conjunto (rotação do motor).

Figura 38: Esquema de isolamento de vibrações em embreagem de fricção. 3.3

Embreagem de Fricção Cônica

As embreagens de fricção tronco-cônicas estão em desuso no acoplamento entre motor e câmbio. Apresenta-se em algumas aplicações industriais mais simples com o objetivo de acoplar motores e redutores. Porém, em sistemas de transmissão com caixas de câmbio sincronizadas, o emprego de embreagens cônicas é grande como objetivo de sincronizar as mudanças de marchas, acoplando a engrenagem com a respectiva luva de engate, que encontram-se em velocidades diferentes no momento que o motorista inicia o movimento da alavanca de mudança de marchas.

Figura 39: Esquema de acoplamento por embreagem cônica de fricção. 47

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r P α α

Força de atrito R

Q

Fatrito = µ ⋅ Q F atrito = µ ⋅

P sen α

Q=

P sen α

M torçor = µ ⋅

P ⋅r sen α

Para α ≈ 10° à Mt ≈ 4µPr 3.4

Outras Configurações de Embreagens por Atrito

Embreagem multidisco – apresenta maior eficiência (maior atrito) sob mesma carga. Transmite maior torque ocupando menos espaço radial (menor diâmetro). Porém ocupa maior espaço axial.

Figura 40: Esquema de acoplamento por embreagem multidisco de fricção.

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Figura 41: Embreagem multidisco – com dois discos - aplicada em motor Diesel de caminhão pesado. Embreagem com mola tipo diafragma – é mais compacta, acionamento mais suave. É a embreagem mais comumente empregada em veículos de passeio.

Figura 42: Esquema de acoplamento por embreagem com mola tipo diafragma. 49

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Figura 43: Embreagem de diafragma de acionamento inverso (puxando). Permite o acionamento de sincronizador auxiliar na entrada da caixa de câmbio através do mesmo mecanismo. 50

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Embreagem Borg & Beck – configuração tradicional de embreagem por atrito com molas espirais. Normalmente empregada em veículos comerciais.

Figura 44: Esquema de acoplamento por embreagem Borg & Beck.

Embreagem multi-placas – conjunto de embreagens de discos metálicos em banho de óleo. Configuração típica de embreagem empregada em motocicletas.

Figura 45: Esquema de acoplamento por embreagem de discos em banho de óleo. 51

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Embreagem centrífuga – embreagem de acionamento automático em função da rotação do motor. É de emprego comum em ciclomotores e equipamentos motorizados, como cortador de grama, pequenos veículos de carga, etc.

Figura 46: Esquema de acoplamento por embreagem centrífuga.

3.5

Embreagens Eletromagnéticas

Embreagem por corrente parasita (corrente de Eddy) – embreagem de funcionamento por corrente impressa, composta por dois rotores, da mesma forma que em um motor elétrico. Um rotor é fixo ao eixo do motor e o outro é fixo ao eixo da caixa de câmbio. Ao rotor ligado à caixa de câmbio é aplicada uma corrente elétrica oriunda de um gerador acionado pelo motor do veículo. Os dois rotores apresentam ranhuras nas suas superfícies de maneira a proporcionar um rotor semelhante a um rotor de motor elétrico de gaiola aberta. Quando os dois rotores giram na mesma rotação não há indução de corrente entre o rotor energizado e o rotor acoplado ao motor do veículo – situação de veículo embreado. Quando há variação de rotação entre os rotores uma corrente induzida é impressa gerando um campo elétrico que arrasta o outro rotor promovendo o embreamento dos dois rotores. Assim como nas embreagens hidráulicas, sem contato, ocorre algum escorregamento entre os rotores, porém menor que 3%. As aplicações mais comuns para este tipo de embreagem são industriais. No segmento automotivo aplica-se em retarders e também como freio em veículos não rodoviários.

Figura 47: Esquema de acoplamento por embreagem por corrente parasita. 52

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Embreagem eletromagnética Ferlec – Embreagem de funcionamento semelhante às de atrito (na realidade é uma embreagem de fricção) onde a força normal não é mais produzida por molas e sim por bobinas energizadas gerando um campo eletromagnético. Quando as bobinas recebem corrente elétrica oriunda de um gerador acoplado ao motor do veículo ou de uma bateria, o platô é pressionado contra disco e o volante gerando uma força de atrito que mantém o conjunto acoplado. Como há contato mecânico entre as partes móveis não surge escorregamento. Porém há o desgaste natural de uma embreagem por fricção. A corrente aplicada nas bobinas pode ser dosada para um embreamento suave, através da variação de rotação do gerador, proporcional ao do motor do veículo, ou através de chaves acionadas pelo pedal do acelerador, quando a corrente vem de baterias. É de emprego comum em veículos elétricos onde a corrente de acionamento da embreagem provem das baterias de acionamento do veículo. Normalmente, nestes veículos, há dois estágios de acionamento da embreagem: um para a marcha “reduzida” e outro para a marcha “rápida”.

Figura 48: Esquema de acoplamento por embreagem eletromagnética Ferlec.

3.6

Embreagem Hidráulica

A embreagem hidráulica transmite torque através do movimento de um fluido, sem contato mecânico direto entre seus componentes. Logo, o acoplamento é suave possibilitando o isolamento de vibrações. Com a ausência de contato mecânico a transmissão de torque ocorre sem desgaste das peças principais, como ocorre nas embreagens por fricção. Usualmente são acoplada a caixas de câmbio automáticas. A constituição básica de uma embreagem hidráulica é de um rotor ligado ao eixo do motor (normalmente denominado “bomba”) e de um rotor ligado ao eixo da caixa de engrenagens (normalmente denominado “turbina”). Ambos os rotores giram imersos em fluido – específico para esta aplicação. A bomba é acionada pelo motor do veículo enquanto que a turbina é acionada pela bomba através de um acoplamento viscoso. Quando o motor apresenta rotação de marcha lenta não há acionamento do turbina por parte da bomba em função das insuficiência de energia cinética. Toda a potência consumida neste instante é 53

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empregada para vencer as perdas internas. Como motores diferentes apresentam rotações de marcha lenta diferentes, uma embreagem hidráulica pode ser regulada – no projeto e construção – para gerar perdas compatíveis com os níveis de potência fornecidos pelo motor neste instante. Isto permite que o veículo permaneça imóvel como motor funcionando na rotação de marcha lenta, e esta permaneça constante. Esta regulagem é obtida basicamente pela distância entre os rotores.

Figura 49: Esquema de acoplamento por embreagem hidráulica.

Tomando uma partícula de fluido que envolve os rotores, e analisando seu caminho através deles, pode-se observar que a partícula no posição “K” na figura está animada com uma energia cinética proporcional à sua distância do centro de rotação da bomba e da própria rotação da bomba. Como esta partícula pode caminhar na direção radial, impelida pela força centrífuga – proporcional à massa da partícula e à sua distância ao centro de rotação –,durante o trajeto em direção à periferia do rotor adquire mais energia cinética, visto que a distância do centro de rotação aumentou. A partícula atingiu, então, a posição “L” na figura. O perfil na periferia do rotor apresenta um ângulo de saída normal ao plano do rotor, direcionando cada partícula de fluido em direção ao outro rotor – à turbina. A partícula de fluido, então animada de uma grande energia cinética, é impelida contra o perfil da turbina – ponto “M” da figura, sendo forçada a caminhar na direção radial desta no sentido do centro de rotação da turbina – ponto “N” da figura, perdendo energia cinética. Lembrando do Princípio de Lavoisier, esta perda de energia cinética é transformada em potência transmitida à turbina, que está sendo solicitada por um momento torçor oriundo da roda do veículo. Neste momento a partícula de fluido retorna ao ponto inicial. Portanto a turbina é acelerada pelo acoplamento viscoso dos dois rotores, com a transmissão de potência ocorrendo entre o motor e o câmbio.

54

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Figura 50: Esquema de um rotor de uma embreagem hidráulica. 3

2

8 5

4 9

6

7

Efetuando o balanço das energias cinéticas (desprezando –se as perdas) tem-se:

E cK =

1 w ⋅ ⋅ (2 π rN 2 g

)2

E cL =

1 w ⋅ ⋅ (2 π Rn 2 g

ECM > ECN

)2

∆EC = ECL − ECK → motor

ECL > ECK E cM =

1 w ⋅ ⋅ (2 π RN 2 g

)2

E cN =

1 w ⋅ ⋅ (2 π rn 2 g

)2

∆ E C = E C M − E C N → transmissã o

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Ocorre escorregamento em função da diferença de velocidade entre os dois rotores. Este escorregamento é definido como n N − n s =1− υ υ = s = ⋅ 100 N N Valores típicos são ν = 0,95 a 0,98. Para eliminar este escorregamento é possível a associação em série de uma pequena embreagem de fricção à uma embreagem hidráulica, fazendo com que em marcha de cruzeiro, onde a diferença de rotação em os rotores tende a ser nula – não o é porque no instante em que a turbina atinge uma rotação idêntica à da bomba, cessa o fluxo de potência entre o motor e o câmbio. Como as resistências ao movimento ainda existem, o veículo tende a diminuir de velocidade. Com isso a rotação da turbina, solidária à transmissão, também diminui e todo o processo se inicia. Portanto, uma embreagem de fricção auxiliar, agindo nesta situação, permite uma marcha suave em velocidade de cruzeiro.

Figura 51: Esquema de acoplamento por embreagem hidráulica.

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Figura 52: Disco e platô de embreagem de fricção.

Figura 53: Volante do motor sobre o qual se acoplam o disco e platô de embreagem de fricção.

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4

CAIXAS DE TRANSMISSÃO

Conjunto de pares cinemáticos constituídos por engrenamentos, envoltos em uma carcaça caixa -, permitindo a seleção da relação de transmissão mais adequada, dentre as disponíveis, para disponibilizar a necessária força de tração ao veículo em função das resistências oponentes ao movimento. O número de opções de relação de transmissão disponíveis, e, conseqüentemente, de velocidades do veículo, foi crescendo de duas nos primeiros veículos do início do século, para valores atuais em torno de: • 5 a 7 para automóveis; • 5 para veículos comerciais leves • 5 a 6 para veículos comerciais médios e ônibus • 10 a 12 para veículos comerciais pesados • 10 a 24 veículos comerciais extra-pesados • 8 a 25 para tratares • 3 a 7 para motocicletas • 3 a 6 para câmbios automáticos

Figura 54: Esquema de uma caixa de câmbio. 4.1

Tipos • • • • • • •

As caixas de engrenagens podem ser classificadas, quanto ao tipo construtivo, em: Caixas de transmissão por engrenamento por deslocamento Caixas de transmissão por engrenamento constante Caixas de transmissão por engrenamento constante sincronizado Caixas de transmissão direta e indireta Caixa de transmissão com eixos intermediários opostos Caixas de transmissão epicíclicas Caixas de transmissão automáticas

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4.1.1 Caixa de transmissão por engrenamento por deslocamento Na mudança de marcha - ou seja, mudança do par de engrenagens que está sendo empregado para efetuar a transmissão de potência entre motor e eixo motriz - as engrenagens são deslocadas axialmente sobre os eixos onde estão montadas. Como, normalmente, apenas uma engrenagem é movida, acoplando-se a outra para constituir o novo par cinemático, este mecanismo exige que as engrenagens sejam construídas com dentes retos. Dentes retos causam menor rendimento, maior ruído e menor capacidade de carga. Portanto estas caixas são grandes e ruidosas e de difícil operação, estando em desuso. Está presente na marcha à ré da maioria dos automóveis e em algumas caixas de transferência de veículos 4 x 4. O acionamento da alavanca de mudança de marcha atua sobre mecanismos seletores que permitem a seleção correia dos garfos associados às engrenagens a serem deslocadas.

Figura 55: Esquema de uma caixa de câmbio por deslocamento de engrenagens. 59

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Figura 56: Caixa de câmbio por deslocamento de engrenagens. 4.1.2 Caixas de transmissão por engrenamento constante Nas caixas de câmbio por engrenamento constante as engrenagens são fixas quanto às suas posições axiais nos eixos em que estão montadas. Cada engrenagem está constantemente acoplada a outra engrenagem, constituindo os pares cinemáticos possíveis. Um engrenamento é constituído de duas engrenagens montadas em dois eixos paralelos. Uma das engrenagens que compõem cada engrenamento comutável podendo pertencer todas a um mesmo eixo ou aos dois eixos, são montadas sobre mancais, de rolamento ou de deslizamento, podendo girar livremente em tomo dos seus eixos. Estas engrenagens apresentam um mecanismo de acoplamento com o eixo que é acionado através de seletores acionados, por sua vez, pela alavanca de mudança. Quando a alavanca de mudança é acionada, um destes mecanismos acopla uma engrenagem em seu eixo através de um acoplamento de dentes. Logo, têm-se dois eixos girando com vários pares de engrenagens montados sobre eles, porém apenas um para é completamente solidário aos eixos. Nos demais pares, uma das engrenagens que os compõem está girando livremente sobre o seu eixo. Neste caso, as partes móveis são os mecanismos de acoplamento, estes sim sendo movidos axialmente sobre o eixo. Permite-se, então, o emprego de engrenagens com dentes inclinados, com maior capacidade de carga, melhor rendimento, menor ruído e maios suavidade de marcha. Porém, como ocorre no caso da caixa com engrenamentos por deslocamento, não há sincronismo de rotação entre as partes que constituem o mecanismo de acoplamento da engrenagem, neste caso, e da engrenagem movida com aquela com a qual será acoplada. Todos os movimentos descritos ocorrem com as engrenagens em movimento de rotação, umas com a velocidade do motor, outras com a velocidade de acionamento do eixo motriz. A situação ideal é quando as duas partes se acoplar apresentam a mesma velocidade. Quando isto não ocorre o acoplamento é dificultado ou mesmo impossibilitado. Neste caso, utiliza-se o próprio motor do veículo para se conseguir o sincronismo necessário para o acoplamento. Quando da mudança de marcha, ocasião onde se faz necessário sincronismo, a engrenagem ou acoplamento a ser movido está com a rotação de acionamento do eixo motriz, que é ditada pela velocidade instantânea do veículo. A engrenagem ou acoplamento que receberá a parte a ser movida está girando com a rotação do motor dividida pela relação de transmissão primária da caixa. 60

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Se a mudança de marcha que se pretende realizar é de uma marcha mais reduzida para outra menos reduzida (de segunda para terceira, por exemplo) a rotação da parte a ser movida é menor que a rotação da parte receptora. Portanto, é necessário frear a parte receptora. Isto é feito debreando-se o veículo, posicionando-se o câmbio em posição neutra (nenhuma marcha acoplada), desacelerando-se o motor para que sua rotação diminua momentaneamente, embreando-se o veículo fazendo com que a parte receptora gire, agora, com uma rotação igual à do motor (desacelerado) dividida pela relação de transmissão primária da caixa, e, embreando-se novamente o veículo efetuar a mudança desejada. Se a mudança de marcha que se pretende realizar é de uma marcha menos reduzida para outra mais reduzida (de terceira para segunda, por exemplo) a rotação da parte a ser movida é maior que a rotação da parte receptora. Portanto, é necessário acelerar a parte receptora. Isto é feito debreando-se o veículo, posicionando-se o câmbio em posição neutra (nenhuma marcha acoplada), acelerando-se o motor para que sua rotação aumente momentaneamente, embreando-se o veículo fazendo com que a parte receptora gire, agora, com uma rotação igual à do motor (acelerado) dividida pela relação de transmissão primária da caixa, e, embreando-se novamente o veículo efetuar a mudança desejada. Este procedimento é mais moroso e fatigoso para o operador, particularmente para motoristas profissionais. Além disso, aumenta o consumo de combustível e os tempos de aceleração do veículo.

Figura 57: Esquema de caixa de câmbio por engrenamento constante.

Figura 58: Caixa de câmbio mista. 61

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Figura 59: Caixa de câmbio continuamente engrenada, exceto a primeira marcha.

Figura 60: Mecanismos de seleção de marcha.

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Figura 61: A selector fork / Ball-type. 4.1.3 Caixas de transmissão por engrenamento constante sincronizada As caixas de câmbio com engrenamento constante sincronizadas dispõem de mecanismos sincronizadores que equalizam as velocidades dos componentes a acoplar. Estes mecanismos constituem-se basicamente em pequenas embreagens cônicas interpostas entre as partes a serem acopladas. Durante o movimento da parte móvel, impulsionada através da alavanca de mudanças, esta embreagem é progressivamente acionada freando ou acelerando a parte receptora, já que está ligada à parte móvel. Este procedimento permite um acoplamento suave e confortável, otimizando o desempenho do veículo. As engrenagens apresentam, também, acoplamentos de dentes como nas caixas não sincronizadas. Todos os mecanismos de sincronização apresentam embreagens cônicas acionadas pelo garfo seletor através de luvas de engate. As superfícies das embreagens cônicas, na versão, mais simples, são superfícies cônicas das próprias engrenagens e da luva de engate. Nos sistemas mais elaborados estas superfícies são postiças, podendo ser substituídas quando desgastadas, não comprometendo a vida útil das engrenagens. Ainda, os cones postiços podem ser duplos, aumentando a área de contato em três vezes, minimizando os esforços de sincronização e, também, tempos de sincronização.

Figura 62: Mecanismos de sincronização de carga constante, podendo ser aplicados externa ou internamente às engrenagens a sincronizar. 63

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Figura 63: Mecanismo de sincronização tipo "baulk”; (Vauxhall Motors).

Figura 64: Mecanismo sincronizador com anéis sincronizadores postiços.

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Figura 65: Mecanismo sincronizador com cone duplo postiço (Smiths Industries).

Figura 66: Mecanismo sincronizador com cone duplo postiço (ZF D-series).

Figura 67: Mecanismo de sincronização Porsche. 65

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Figura 68: Mecanismo de sincronização Scania: 1. Engrenagem; 2. Luva acionadora; 3. Luva de engate; 4. Engrenagem; Sistema de travamento - marcha engatada

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4.1.4 Caixas de transmissão direta e indireta Uma caixa de câmbio pode ser construída com 2 ou 3 eixos. As caixas com 3 eixos são ditas caixas com marcha direta; as caixas com 2 eixos são ditas caixas totalmente indireta. Nas caixas com 3 eixos cada relação de transmissão é constituída de duas relações de transmissão intermediárias. A primeira relação de transmissão intermediária é aquela entre o eixo de acionamento da caixa de câmbio, denominado de eixo primário, ligado diretamente ao motor do veículo, e o eixo intermediário. Esta é a relação de transmissão primária da caixa. O eixo intermediário é construído normalmente em uma única peça, em caixas de câmbio menores, onde estão presentes a engrenagem da relação primária e as engrenagens que compõem os demais pares cinemáticos correspondentes às marchas disponíveis, exceto uma marcha. Esta marcha, normalmente, é a última e mais longa (menos reduzida). Mesmo que não seja a última sempre apresenta relação de transmissão unitária (1:1) e por isso é dita "marcha direta". A segunda relação de transmissão intermediária é aquela entre uma das engrenagens do eixo intermediário e a engrenagem a ela acoplada, montada no eixo de saída da caixa de câmbio, denominado de eixo secundário. No eixo secundário são montadas as engrenagens que se acoplam às engrenagens constituintes do eixo intermediário. A relação de transmissão de cada marcha, então, é o produto da relação de transmissão primária com a relação de transmissão entre o eixo intermediário e o eixo secundário, para cada marcha. Os mecanismos de acoplamento sincronizados são instalados junto às engrenagens montada em mancais, normalmente no eixo secundário. Porém, é possível, em algumas caixas mais complexas, instalar algumas engrenagens e seus respectivos mecanismos de sincronização no eixo intermediário e outras no eixo secundário. Este tipo construtivo permite a produção de caixas mais robustas, com melhor distribuição de carga. A marcha direta é obtida pelo acoplamento, também através de sistemas de sincronização, entre o eixo primário e o eixo secundário diretamente. Ou seja, neste caso os dois eixos tomam-se apenas um do ponto de vista dos esforços de torção. Como não há nenhum engrenamento entre eles para a transmissão de potência, o rendimento da marcha direta é maior que o rendimento das demais marchas que empregam engrenagens para a transmissão de potência entre o eixo primário e o eixo secundário. O rendimento de uma marcha indireta é de η = 0,85 a 0,90. Na marcha direta o rendimento é de η = 0,9 a 0,93. É possível a construção de uma caixa de câmbio de 3 eixos onde todas as marchas sejam indiretas, não sendo, porém, razoável porque abdica-se do ganho em função do melhor rendimento na marcha direta. Nas caixas com 2 eixos todas as relações de transmissão das marchas são as próprias relações de transmissão dos pares de engrenagens que as constituem. Estes pares de engrenagens estão montados entre os eixos primário e secundário da caixa. Não há o eixo intermediário. Nas caixas com 2 eixos as engrenagens montadas sobre mancais podem ocorrer em ambos os eixos. Normalmente são aplicadas em sistema de tração onde a caixa é acoplada diretamente ao motor e ao eixo motriz, em configurações com power-train totalmente traseiro ou dianteiro. Permite caixas com menos componentes, porém todas as marchas são indiretas, com rendimento de η = 0,85 a 0,90. Para que se tenha uma relação de transmissão de 1:1 em uma caixa totalmente indireta seria necessário que as duas engrenagens do par cinemático fossem iguais. Em um engrenamento uma relação de transmissão obtida por um número inteiro é indesejável porque impede a distribuição do desgaste dos dentes por igual. Portanto, caixas de 2 eixos são , atualmente, empregadas em veículos com tração dianteira. Caixas com 3 eixos são comuns em veículos comerciais e utilitários, e em alguns veículos de competição, já que o rendimento na marcha direta é maior possibilitando melhor desempenho. 67

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Figura 69: Caixa de câmbio totalmente indireta de quatro marchas com a redução final do eixo motriz acoplada diretamente no eixo secundário da caixa.

Figura 70: Caixa de câmbio de veículo de passageiros com 5 velocidades, com marcha direta (ZF Synchroma S5-31). 1 – Eixo de entrada; 2 – Eixo secundário; 3 – Haste de acionamento; 4 – Eixo intermediário; 5 – Eixo de saída. 4.1.5 Caixa de transmissão com eixos intermediários opostos São caixas de câmbio com dois eixos intermediários opostos engrenando-se com o um único eixo principal e um único eixo secundário. Desse modo o torque transmitido entre estes eixos fica dividido, permitindo engrenagens mais esbeltas. Ainda, como as engrenagens normalmente apresentam dentes inclinados, gerando uma componente de carga na direção axial, não produtiva, as componentes axiais produzidas por cada eixo intermediário terão sentidos contrários, anulando-se. Isto ocorre porque os dois eixos intermediários giram em direções opostas. Neste caso os mecanismos de seleção e sincronismo são montados somente no eixo secundário.

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Figura 71: Caixa de câmbio com eixos intermediários opostos (Fuller).

Figura 72: Caixa de câmbio com eixos intermediários opostos (Rockwell).

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4.1.6 Caixa de transmissão epicíclica As caixas de transmissão epicíclicas são transmissões onde os eixos de entrada e de saída são concêntricos. É uma construção compacta, porém mais complexa, usualmente empregada em transmissões auxiliares de caminhões e tratores, sistema diferencial, redução em cubos de roda em caminhões e tratores e caixas de transmissão automáticas. Uma transmissão epicíclica é constituída por uma engrenagem com dentes internos denominada de coroa, uma engrenagem com dentes externos denominada de engrenagem solar, um conjunto de engrenagens com dentes externos denominadas de engrenagens planetárias e de uma estrutura onde são montadas as engrenagens planetárias denominada de estrela (ou braço). Esta concepção construtiva permite quatro alternativas de relação de transmissão conforme o componente que mantido solidário à carcaça do redutor. Têm-se, portanto, os seguintes tipos de redução: 1) Tipo Estrela: nesta configuração o componente fixo é a estrela, sendo que as engrenagens solar e planetária giram em sentidos contrários. Proporciona a marcha à ré em uma caixa de câmbio automática. Sendo z o número de dentes de cada engrenagem, relação de transmissão fica definida como

z coroa z solar 2) Tipo Planetária: neste caso o componente fixo é a coroa, sendo que as engrenagens solar e planetária giram no mesmo sentido. É a configuração da marcha lenta de um grupo redutor auxiliar, ou da primeira marcha em uma caixa de câmbio automática. A relação de transmissão fica definida como: i = −

i

= 1+

z coroa z satélite

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3) Tipo solar: aqui o componente fixo é a engrenagem solar, com a coroa e a estrela girando no mesmo sentido. Proporciona a Segunda marcha de uma caixa de câmbio automática. A relação de transmissão fica definida como:

z satélite z coroa 4) Tipo Direto: no tipo direto dois componentes, entre coroa, estrela e solar, são acoplados, de modo que o conjunto torna-se "rígido". Fornece a marcha rápida de um grupo redutor auxiliar ou a terceira marcha de uma caixa de câmbio automática. É uma marcha direta, apresentando rendimento superior ao das demais marchas. Isto justifica a escolha deste tipo de transmissão como auxiliar em relação à uma caixa de câmbio principal. A relação de transmissão é unitária, i = 1. Como qualquer engrenamento, as transmissões epicíclicas apresentam algumas condições de projeto que devem ser mantidas e levadas em consideração quando do dimensionamento de um redutor epicicloidal: • Adequação das distâncias entre centros z coroa = z satélite + 2 ⋅ z planetária i

= 1+

• Engrenagens com número inteiro de dentes z satélite + z planetária ∈ N j Onde j é o número de planetárias do conjunto. • Controle de interferência nos engrenamentos 180º z planetária + 2 〈 (z satélite + z planetária )⋅ sen j

71

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Figura 73: Esquema de funcionamento de uma transmissão epicicloidal. 4.1.7 Caixa de transmissão automática As caixas de transmissão automáticas proporcionam a mudança de marcha de maneira automática, sem a necessidade de intervenção do operador. A seleção da marcha a ser empregada em cada instante é feita, basicamente, em função da velocidade do veículo, da rotação do motor e da posição do acelerador do motor. Os mecanismos empregados nas caixas automáticas são os engrenamentos epicicloidais, isoladamente ou um conjunto deles, conforme o número de marchas que for necessário para a caixa de câmbio. Algumas caixas empregam transmissões em conjunto com outros tipos de engrenamentos. O acoplamento do motor com a caixa automática é feito através de um conversor de torque.

Figura 74: Transmissão automática para caminhões, ônibus e veículos especiais com retarder integrado (ZF Ecomat 5 HP 500). 1 Conversor de torque hidrodinâmico com lockup; 2 Retarder hidrodinâmico; 3 Conjunto planetário com 5 velocidades; 4 Bomba de óleo; 5 Controle da transmissão. 72

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As caixas de transmissão automáticas têm algumas vantagens em relação às caixas "mecânicas". Estas vantagens podem ser assim descritas: • Melhor seleção torque / carga • Aplica potência de maneira suave • Protege motor / equipamento de sobrecargas • Aumenta a vida útil • Absorve variações entre motores em instalações múltiplas • Diminui a fadiga operacional • Melhora a tração na partida Há dois tipos básicos de caixas automáticas: as caixas epicicloidais (AIlison, ZF, Borg-Warner, etc.) e as caixas convencionais servo-controladas (Eaton Fuller, AP, etc.). Nas caixas epicicloidais a seleção das marchas é feita pelo bloqueio de componentes do conjunto, ou componentes dos conjuntos quando mais de um, do trem epicicloidal. Este bloqueio é feito por freios e embreagens de fricção acionados por sistemas hidráulicos controlados por servo-válvulas. Pode ocorrer, também, o corte de ignição ou de injeção do motor durante mudanças. O controle pode ser hidráulico, eletrônico ou eletro / hidráulico. O consumo de combustível tende a aumentar com o emprego de transmissões automáticas, em função, principalmente, das perdas por aquecimento no conversor de torque. Entretanto, novas configurações estão em testes, para aplicação também em veículos com motores pequenos - em tomo de 1 litro - com maior número de marchas, para melhorar os índices de consumo.

Figura 75: Caixa de câmbio automática Borg-Wamer 65. 73

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Nas caixas convencionais servo-controladas os mecanismos são os mesmos de uma caixa de câmbio manual. Apenas o acionamento dos elementos de mudança, que é feito através da alavanca de mudanças na caixa manual, é feito por atuadores pneumáticos, elétricos ou hidráulicos. O sistema de controle dos atuadores é da mesma forma que nas caixas automáticas epicicloidais.

Figura 76: Caixa de câmbio convencional com acionamento automático. Os sistemas de acionamento, normalmente hidráulicos ou pneumáticos, com controle eletrônico, são constituídos de um conjunto de válvulas e atuadores para bloquear ou liberar embreagens e freios de fricção. Estes, por sua vez, bloqueiam alguns elementos dos trens epicicloidais proporcionando as diferentes relações de transmissão necessárias ao movimento do veículo. Os sistemas de controle mais sofisticados, como o sistema Tiptronic, gerência as trocas de marcha em função de mais de um programa pré-definido a escolha do usuário. Além de coletar as informações sobre a posição da alavanca seletora, a posição do acelerador, a rotação do motor, a rotação da turbina do conversor de torque, a redução do eixo de transmissão, a carga, o seletor de programa (quando existir), a posição do kickdown switch chave indicadora de fim de curso do pedal do acelerador, forçando reduções de marcha -, pode acumular informações como a aceleração lateral e frontal, a velocidade de acionamento do acelerador e da atuação do pedal de freio, simulando as características de condução do motorista.

74

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Figura 77: Caixa de câmbio convencional com acionamento automático.

Figura 78: Motor e caixa de câmbio convencional de motocicleta. 75

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Figura 79: Caixa de câmbio automática.

Figura 80: Diagrama de processo de estratégias de mudança de marcha no câmbio Tiptronic.

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Figura 81: Diagrama de desempenho da caixa de câmbio automática de 5 velocidades ZF 5 HP 18.

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Figura 82: Sistema de controle da caixa de câmbio automática AP.

Figura 83: Sistema de controle eletrônico de transmissão. 78

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Figura 84: Esquema da caixa de câmbio automática ZF 5 e ZF 6 HP 5000. 79

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4.2

Transmissões Auxiliares

As transmissões auxiliares são caixas de engrenagens mais simples, normalmente apresentando duas opções de velocidade, aplicadas em série com a caixa de câmbio do veículo. A aplicação em série pode ser antes ou depois da caixa principal. Ocorre em caminhões, particularmente os pesados e extra-pesados, veículos off-road e em tratores. Quando uma transmissão auxiliar é aplicada em série depois da caixa principal, é denominada usualmente de grupo redutor, proporcionando marchas lentas e marchas rápidas. Ou seja, quando na transmissão auxiliar foi selecionada a opção de redução todas as relações de transmissão da caixa principal ficam amplificadas pela relação de transmissão do grupo redutor - são as marchas lentas (maior redução). Quando na transmissão auxiliar não é selecionada a opção de redução - geralmente não há uma opção de amplificação, restando reduzir mais ou transmitir diretamente ao eixo motriz - as relações de transmissão da caixa principal são mantidas - são as marchas rápidas (menor redução). É possível intercalar marchas lentas e rápidas, ora acionando ora não acionando o grupo redutor. Um grupo redutor pode ser aplicado tanto em caixas de câmbio com marcha direta como em caixas com marchas totalmente indiretas. Quando uma transmissão auxiliar é aplicada em série antes da caixa principal, é denominada usualmente de conjunto splitter. Um conjunto splitter consiste na opção de duas relações primárias na caixa de câmbio, proporcionando marchas altas e baixas. Portanto, somente se aplica a caixas de câmbio de 3 eixos. Ou seja, quando na transmissão auxiliar for selecionada a relação de transmissão primária de maior valor obtêm-se as marchas baixas - de maior redução. Quando na transmissão auxiliar for selecionada a relação de transmissão primária de menor valor obtêm-se as marchas altas - de menor redução. A intercalação de marchas altas e baixas é menos flexível em relação a um grupo redutor, em função dos mecanismos de seleção necessários. É comum a aplicação de um conjunto splitter associado a um grupo redutor em uma caixa principal. Dessa forma consegue-se multiplicar por 4 o número de relações de transmissão possível com a caixa principal. Essa é a principal vantagem das transmissões auxiliares: permite maior número de relações de transmissão com construções menos complexas da caixa de câmbio principal. Em função do serviço previsto pode-se escolher o spread - razão entre relações de transmissão de marchas consecutivas - de uma caixa de câmbio. Por exemplo, em uso urbano ou off-highway escolhe-se um escalonamento pequeno em marchas mais reduzidas. Em uso rodoviário escolhe-se um escalonamento pequeno em marchas menos reduzidas.

Figura 85: Caixa de câmbio SCANIA com 10 marchas (5 x 2) empregando grupo redutor. 1 Árvore principal; 2 -Caixa de mudanças principal; 3 - Seção planetária; 4 - Árvore de saída. 80

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1 Eixo primário; 2 Sistema de comutação; 3 Eixo secundário; 4 Haste de comutação; 5 Conjunto planetário; 6 Eixo de saída; 7 Eixo intermediário; 8 retarder hidrodinâmico integrado; A Grupo Splitter; B Grupo principal; C Grupo de reduzida. Figura 86: Caixa de câmbio ZF - VOLVO, Mercedes-Benz - com 16 marchas (2x4x2) empregando splitter e grupo redutor e integral retarder (ZF-16 S 220 Ecosplit). Tabela 3: Relações de transmissão da caixa ZF-16 S 220. Torque (Nm) 2200 2300

1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª Ré Low High Low High Low High Low High Low High Low High Low High Low High Low High 16,4713,79 11,32 9,48 7,79 6,52 5,48 4,58 3,59 3,01 2,47 2,07 1,70 1,42 1,20 1,00 13,32 11,15 13,8011,55 9,59 8,02 6,81 5,70 4,58 3,84 3,01 2,52 2,09 1,75 1,49 1,24 1,00 0,84 12,23 10,24

SR 1700/1900

C - Alojamento da embreagem S - Grupo desmultiplicador B - Caixa básica R - Grupo redutor Figura 87: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor.

81

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Figura 88: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor.

Figura 89: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor. 82

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Figura 90: Caixa de câmbio VOLVO com 14 marchas (2 + (2 x 3 x 2) empregando splitter e grupo redutor

83

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Figura 91: 1 Árvore secundária; 2 Engrenagem solar; 3 Porta-planetárias; 4 Rolamento de agulhas; 5 Engrenagem planetária; 6 Coroa; 7 Disco de acionamento; 8 Cubo de sincronização; 9 Dispositivo de sincronização; 10 Luva de engate; 11 Árvore de saída; 12 Engrenagem acionadora; 13 Rolamento de esferas; 14 Sensor de velocidade; 15 Acionamento do velocímetro; 16 Flange de acoplamento. 84

Figura 92: Acionamento de grupos redutores planetários.

4.3

Conversores de Torque

O conversor de torque é uma evolução da embreagem hidráulica. Permite o acoplamento entre o motor e o câmbio de forma suave e progressiva como na embreagem hidráulica. Além disso, promove uma amplificação do torque transmitido do motor ao câmbio com relações de amplificação variáveis de um máximo até a unidade. Um conversor de torque é composto de três componentes: um rotor (bomba) ligado ao motor, um rotor (turbina) ligado ao eixo propulsor e um rotor (estator) fixo sobre uma roda livre. Todos os rotores, como acontece na embreagem hidráulica, trabalham imersos em óleo específico para a função. A transmissão de força entre rotores ocorre por acoplamento fluido. O funcionamento pode ser descrito em três situações diferentes: • Baixa rotação do motor: a bomba aplica sobre o óleo força centrífuga insuficiente para girar a turbina; • Média rotação média: a bomba acelera e impele o óleo contra a turbina, fazendo-a girar. O estator redireciona o óleo para o rotor, auxiliando-o, promovendo a multiplicação do torque. A multiplicação de torque diminui à medida que a turbina adquire rotação. O estator está montado sobre um roda livre que o impede de girar no sentido contrário; • Alta rotação do motor: quando a rotação da turbina se aproxima da rotação da bomba o óleo atinge o verso das palhetas do estator, fazendo-o girar na mesma direção da turbina e do rotor. O conjunto torna-se uma embreagem hidráulica. Da mesma forma que na embreagem hidráulica, ocorre uma perda no conversor. Para evitar esta perda há o bloqueio do conversor através de uma embreagem de fricção que acopla a bomba à turbina, em altas rotações, eliminando a perda por "slip".

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Figura 93: Conversor de torque hidrodinâmico com lockup. 1- Lockup; 2 – Turbina; 3 Bomba; 4 – Estator; 5 – Roda livre.

Figura 94: Conversor de torque Trilok (curva de desempenho típica para veículo de passageiros).

Figura 95: Conversor de torque. 86

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Figura 96: Conversor de torque Allison. 87

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4.4

Transmissões Continuamente Variáveis

As transmissões continuamente variáveis podem converter cada ponto da curva de operação do motor em um ponto próprio de operação. As vantagens sobre as transmissões convencionais - com variação discreta de relação de transmissão - está na melhor performance com maior economia de combustível e na menor emissão de poluentes já que o motor trabalha na faixa de melhor desempenho. As transmissões continuamente variáveis (CVT) podem operar mecanicamente através de correia ou rodas de atrito, hidraulicamente ou eletricamente. As transmissões continuamente variáveis de maior avanço tecnológico empregam correias metálicas construídas com ligas especiais para minimizar o desgaste. Normalmente montadas em veículos com tração dianteira e motor transversal. Os principais componentes são: • Acoplamento do motor com a transmissão - embreagem hidráulica ou elétrica, conversor de torque; • Polias cônicos ajustáveis axialmente; • Correia de transmissão; • Controle eletrônico-hidráulico (centrífugo em aplicações mais simples); • Modo reverso (marcha à ré); • Redução final com diferencial. Ainda não é um tipo de transmissão empregada em grande escala comercial, apresentando algumas desvantagens como o tamanho, faixa de trabalho, custos de produção, eficiência da transmissão e a faixa de potência aplicável. As transmissões por CVT foram aplicadas em veículos Triumph Dolomite e Leyland Temer com rodas de atrito, e em veículos Daf, Volvo, Fiat Uno, Fiat Strada, Ford Fiesta e Ford C7X 811 com polias cônicas e correrias metálicas.

Figura 97: Transmissão continuamente variável do Ford CTX 811. 88

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Figura 98: Transmissão Variomatic com correia (CVT).

Figura 99: Transmissão Variomatic Van Doorne (CVT).

89

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Figura 100: Transmissão continuamente variável por polias cônicas e correia metálica.

Figura 101: Transmissão continuamente variável por rodas de atrito. 90

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5

EIXO MOTRIZ

O eixo motriz é o eixo que transmite as forças de tração para o piso, fazendo com que o veículo se mova nas condições de força e velocidade proporcionais aos valores de torque do motor e das resistências que opõem ao movimento. A relação de transmissão total entre motor e piso é o produto de cada redução fixa na caixa de transmissão pela transmissão intermediária (em aplicações mais severas – caminhões, 4x4), pela redução final do eixo motriz, pela redução nos cubos (se houver) e pelo braço de alavanca com dimensão igual ao raio do conjunto roda e pneu. A redução final fica localizada, normalmente, no eixo motriz, incorporando o sistema diferencial, de onde partem os semi-eixos que acionam as rodas. Com a redução final diminui-se o torque na caixa de transmissão possibilitando a construção de caixas com menor peso, menor volume e, conseqüentemente, menor custo. Ainda, permite maior flexibilidade para o trem motriz, em termos das possibilidades de combinação entre caixas de câmbio e eixos motrizes, proporcionando uma gama razoável de veículos semelhantes mas com características diferentes. Como o torque de saída da caixa é menor em relação ao torque necessário nas rodas, os elementos de ligação entre caixa e eixo motriz (eixo cardan, corrente) podem ser mais esbeltos, diminuindo as forças de inércia envolvidas. 5.1

Tipos

A redução final normalmente é constituída por engrenamentos – em automóveis, caminhões, tratores e máquinas agrícolas, alguns modelos de motocicletas, etc. – e por transmissão por corrente ou correia – motocicletas, veículos de serviço interno, etc. Quanto aos tipos por engrenamento, pode-se citar: • Por engrenamento cônico hipoidal – normalmente em veículos com motor longitudinal, tanto com tração traseira quanto dianteira, apresentando •

•

5.2

rendimento da ordem de η = 0,90; Por engrenamento cilíndrico helicoidal – normalmente em veículos com motor

transversal e tração dianteira. Apresentando rendimento da ordem de η = 0,97; Por parafuso sem-fim e coroa – em desuso (veículos até 30’s) apresentando baixo rendimento.

Velocidade

A velocidade do veículo, levando-se em conta os valores das relações de transmissão e das dimensões das rodas, em função da rotação do motor fica: C ⋅ n ,onde: v = 0 ,006 (1 − s ) im ⋅ ic n = rotação do motor (rpm) im = relação de transmissão do eixo motriz ic = relação de transmissão da caixa, conforme a marcha engrenada (incluindo a transmissão auxiliar, se for o caso) s = fator de escorregamento, dado por

s=

v − v r , onde: v

91

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v = velocidade do veículo (km/h) vr = velocidade circunferencial da roda (km/h) C = circunferência dinâmica da roda (m) (nas condições reais), dada por: C = C s ⋅ (1 + 0 ,01 ⋅ k v ) , onde: Cs = circunferência estática da roda (m), a 60 km/h e com pressão interna de 1,8 bar (automóveis) Kv = fator de velocidade, conforme a tabela abaixo: Tabela 4: Fator de velocidade. V (km/h) 60 90 120 150 180 210 240

Kv 0 0,1 0,2 0,4 0,7 1,1 1,6

Desvio padrão de Kv ± 0,1 ± 0,2 ± 0,4 ± 0,7 ± 1,1 ± 1,6

Para um veículo leve, com caixa de transmissão de cinco marchas, podem-se assumir os seguintes valores para s: 1ª marcha 0,08 2ª marcha 0,065 3ª marcha 0,05 4ª marcha 0,035 5ª marcha 0,02 5.3

Configurações As configurações mais comuns para eixos motrizes são as seguintes: • Eixo motriz com simples redução; • Eixo motriz com dupla redução; • Eixo motriz com redução nos cubos; • Eixo motriz com dupla redução com dupla velocidade.

5.3.1 Eixo motriz com simples redução O eixo motriz com simples redução é o mais comum, tanto em aplicações leves quanto pesadas, apresentando apenas um valor fixo para a relação de transmissão final. A redução final é obtida por um engrenamento cônico espiral ou hipoidal, ou, ainda, cilíndrico de dentes inclinados. Valores típicos para reduções estão entre 2,5 até 7,2 : 1. É a configuração mais simples e econômica. Praticamente 100% dos veículos de passeio apresentam esta configuração. Quanto à suspensão, é possível a construção com eixo rígido ou suspensão independente, de qualquer tipo.

92

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Figura 102: Redução simples por engrenamento cônico hipoidal. 5.3.2 Eixo motriz com dupla redução Um eixo motriz com dupla redução permite maiores reduções finais, já que esta ocorre em dois estágios. Tem como aplicação veículos pesados, onde grande capacidade de tração é exigida. Apresenta redução de até 10:1. Pode ser construído de diversas maneiras e configurações, como segue: • Por engrenamento cônico, tanto espiral quanto hipoidal em série com um engrenamento cilíndrico espiral; • Por engrenamento cônico, espiral ou hipoidal, em série com um engrenamento epicicloidal; • Melhora o rendimento da redução final quando esta é grande, assim como permite engrenagens mais robustas. Os arranjos para a combinação das duas reduções com o sistema diferencial são os seguintes: • Engrenamento cônico + Engrenamento cilíndrico simples com diferencial – mais simples. • Engrenamento cônico com diferencial + Engrenamento cilíndrico duplo – diferencial mais esbelto, mais caro (duplo engrenamento cilíndrico) • Engrenamento cilíndrico + Engrenamento cônico com diferencial – eixo de entrada mais elevado • Engrenamento cônico com diferencial + Engrenamento Epicicloidal duplo – diferencial mais esbelto, mais caro; • Engrenamento cônico + Engrenamento Epicicloidal simples com diferencial – mais compacto • Engrenamento por parafuso sem-fim + Engrenamento Epicicloidal duplo com diferencial.

Figura 103: Dupla redução por engrenamento cilíndrico + engrenamento cônico. 93

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Figura 104: Dupla redução por parafuso sem-fim + engrenamento epicicloidal (Kirkstall).

Figura 105: Dupla redução por engrenamento cônico + duplo engrenamento cilíndrico.

Figura 106: Dupla redução por engrenamento cônico + engrenamento epicicloidal duplo. 94

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Figura 107: Dupla redução por engrenamento cônico + engrenamento cilíndrico. 5.3.3 Eixo motriz com redução nos cubos Um eixo motriz com redução nos cubos também é um eixo com dupla redução. A segunda redução acontece nos cubos das rodas motrizes, geralmente através de um engrenamento epicicloidal. A aplicação é em veículos pesados, como caminhões e tratores. A principal vantagem é a diminuição do diâmetro dos semi-eixos, em função do menor torque transmitido por eles, já que o torque final total será obtido após a redução nos cubos. Logo, a dupla redução pode ser obtida com um acionamento convencional do eixo traseiro (simples redução). Os arranjos mais comuns são por engrenamento cilíndrico convencional no cubo, por engrenamento cônico no cubo e por engrenamento epicicloidal no cubo. Em alguns tratores uma redução epicicloidal ocorre nos semi-eixos, porém não exatamente nos cubos de rodas. É uma dupla redução com a segunda redução intermediária entre o diferencial e o cubo de roda.

Figura 108: Redução nos cubos por engrenamento cilíndrico.

1 – Conjunto planetário; 2 – Bloqueio de diferencial; 3 – Diferencial; 4 – Acionamento final. Figura 109: Redução nos cubos por engrenamento epicicloidal. 95

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Figura 110: Redução nos cubos por engrenamento cônico. 5.3.4 Eixo motriz de dupla redução com dupla velocidade Um eixo motriz de dupla redução com dupla velocidade é um eixo motriz com a opção da combinação de um estágio de redução com duas possibilidades de redução no outro estágio, proporcionando duas velocidades para os semi-eixos, conforme a opção escolhida. O acoplamento é realizado através sistemas de sincronização, sendo acionados mecanicamente, pneumaticamente ou hidraulicamente. Portanto, a dupla redução no eixo motriz duplica o número de marchas da transmissão, substituindo uma transmissão auxiliar com essa função e empregando uma caixa de transmissão mais simples. A construção mais comum é a que emprega um engrenamento cônico associado a um engrenamento cilíndrico helicoidal com diferencial. Assim como ocorre na combinação de uma caixa de câmbio com uma transmissão auxiliar, a combinação de uma caixa de câmbio com um eixo motriz de dupla velocidade proporciona uma ampliação da gama de opções de relações de transmissão disponíveis para o veículo. Dependendo da relação entre a marcha mais curta (mais reduzida) e da marcha mais longa (menos reduzida ou normal) da transmissão auxiliar ou do eixo motriz – denominada de spread – tem-se configurações com aplicação distinta. Transmissões auxiliares ou eixos motrizes com menor spread proporcionam marchas mais próximas, oferecendo um conjunto final com menor spread, onde a seqüência de mudança de marchas, empregando todas as disponíveis, seria 1L1H2L2H ... 5L5H ..., onde L indica marcha reduzida (Low) e H representa marcha normal (High). Transmissões auxiliares ou eixos motrizes com maior spread proporcionam marchas menos próximas, oferecendo um conjunto final com maior spread, onde a seqüência de mudança de marchas, empregando todas as disponíveis, seria 1L2L3L ... 5L... / 1H2H ... 5H ..., onde L indica marcha reduzida (Low) e H representa marcha normal (High). Normalmente uma transmissão auxiliar apresenta pequeno spread enquanto um eixo motriz com dupla velocidade apresenta spread maior. Uma transmissão auxiliar pode facilmente ser acionada, como ocorre em conjuntos com pequeno spread. Um eixo motriz com dupla redução é de acionamento menos rápido, sendo, portanto, acionado apenas na mudança de marchas altas para marchas baixas. Logo, um eixo motriz de dupla velocidade é empregado em uso preferencialmente off-highway enquanto que as transmissões auxiliares em uso onhighway.

96

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Figura 111: Dupla redução com dupla velocidade.

Figura 112: Eixo motriz de caminhão pesado com redução nos cubos por engrenamento epicicloidal.

Figura 113: Carcaças de eixos motrizes.

97

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Figura 114: Esquema de eixo motriz com diferencial.

5.4

Diferencial

O diferencial é um mecanismo que permite a compensação da diferença de rotação entre as rodas de um mesmo eixo durante trajetórias curvas, e entre os eixos motrizes em veículos com mais de um eixo motriz. Foi criado em 1827 por Pecquer. Como os raios das trajetórias das rodas de um eixo diferem entre si, faz-se necessário ajustar a velocidade de cada roda para que o veículo apresente um trajetória média consistente e o trem motriz não sofra esforços desnecessários. Em pisos com pouca aderência essa diferença de velocidade pode ser compensada com o deslizamento da roda mais rápida. Porém, dessa forma, a trajetória, a aderência e a estabilidade ficam comprometidas. Uma alternativa ao uso seria a tração em uma única roda – como no primeiro veículo Benz e no GM SunRaycer. Em um eixo motriz sem diferencial ocorreria um deslizamento entre o pneus e a pista de magnitude ∆v. Com o emprego do diferencial esta diferença de velocidade é absorvida como movimento de corpo rígido de todo o conjunto diferencial, que gira em relação aos semi-eixos. Dessa forma ocorre uma distribuição igual de torque entre as rodas do eixo motriz proporcional à menor resistência ao deslizamento, e a distribuição de velocidades entre as rodas do eixo motriz de modo que a velocidade do veículo é igual à média entre as velocidades das rodas.

98

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ve

vi

Ri Rm Re t

∆ v =

R

e

− R R i

i

=

t R

i

O torque máximo que se pode fornecer ao uma roda motriz é função da capacidade de aderência desta ao piso, de forma que o torque aplicado possa ser traduzido em força longitudinal ao veículo, para movê-lo sobre a pista. Quando a roda desliza sobre piso de pouca aderência – lama, areia – o torque absorvível é muito pequeno. Como o diferencial propicia a distribuição de torque de forma igual entre as duas rodas, se uma roda estiver deslizando sobre o piso e a outra estiver sobre pista firme, esta receberá o mesmo torque absorvível pela outra. Logo, o veículo fica imóvel. Assim que a roda que deslizava consegue alguma aderência o torque absorvível por ela aumentará. Se o novo valor de torque, agora, for capaz de superar as resistências ao movimento, o veículo se moverá, tracionado pela roda em piso firme que recebeu este acréscimo de torque. Portanto, o diferencial fornece torque às rodas no valor máximo que a roda com menor aderência pode absorver, igualitariamente às duas rodas. Isso também ocorre entre eixos de veículos com tração integral. Nos veículos 4 × 4 – não integral – cada eixo recebe sempre metade do torque disponibilizado pelo motor. Entre o diferencial e o piso há a roda, os semi-eixos e os mancais destes. Logo, o torque transmitido pelo diferencial será igual ao torque absorvível pelo contato pneu – pista adicionado do torque necessário para vencer os atritos internos do próprio eixo. Então: Torque transmitido = torque de tração + torque do atrito interno. E com uma roda deslizando sem tração: Torque transmitido = torque do atrito interno. Portanto, quanto maior for o atrito interno do conjunto maior será o torque transmitido para a roda sobre piso firme quando uma estiver deslizando sem tração. Este é o princípio de funcionamento dos sistemas de bloqueio automático de diferencial – os diferenciais autoblocantes. Portanto, têm-se três situações: a situação limite com diferencial aberto, a situação limite sem diferencial e a situação intermediária com diferencial autoblocante. 99

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Eixo bloqueado

Autoblocante

- máxima tração - nenhuma compensação em curvas

Diferencial aberto

- melhor tração - ótima compensação em curvas

- tração depende do menor deslizamento entre rodas - máxima compensação em curva O mecanismo do diferencial é um engrenamento que podendo ser um diferencial cônico, um diferencial por engrenagens cilíndricas, um diferencial ZF ou com engrenamento epicicloidal.

Figura 115: Sistema diferencial. 5.4.1 Diferencial aberto O diferencial aberto é o de emprego mais comum, na grande maioria dos veículos de passeio e comerciais leves. Proporciona uma distribuição igualitária de torque entre rodas do eixo motriz. O atrito interno gerado é proveniente do engrenamento, pinos, e rolamentos, e do atrito viscoso devido à agitação do lubrificante. Por ser aberto, sem opção de travamento, a força de tração fica limitada pela da roda com menor aderência. Permite construções com distribuição desigual de torque, por exemplo, no diferencial central em sistemas de tração integral. A dirigibilidade é excelente devido à perfeita compensação de velocidades em curvas. Pode ser construído por engrenamento cônico, que é o caso mais comum, como por engrenamento epicicloidal. Ë possível obter-se rotações diferentes em cada semi-eixo de saída de um diferencial, dependendo das relações de transmissão dos engrenamentos que o compõem.

Figura 116: Esquemas de diferencial aberto. 100

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Figura 117: Diferencial aberto por engrenamento cônico e por engrenamento epicicloidal.

Figura 118: Diferencial aberto por engrenamento epicicloidal com distribuição desigual de torque e velocidade entre os semi-eixos.

101

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Figura 119: Diferencial aberto com engrenagens cônicas. 5.4.2 Eixo bloqueado Em um eixo bloqueado, ou seja, sem diferencial, a distribuição de torque depende das características dos pneus (não-lineares), da aderência dos pneus com a pista. É adequado para pisos constantemente com pouca aderência operando a baixa velocidade. A força de tração é limitada pela soma das capacidades de aderência dos pneus. A dirigibilidade é ruim devido ao arraste dos pneus sobre a pista durante a execução de trajetórias curvas. 5.4.3 Diferencial com deslizamento controlado Os diferenciais com deslizamento controlado, ou autoblocantes, atenuam a ação diferencial quando as diferenças de rotação entre os semi-eixos de tração é maior que a diferença necessária para a execução da curva com raio mínimo. A eficiência desta atenuação depende do tipo de sistema de bloqueio utilizado. A eficiência de 100% somente é conseguida com sistemas de bloqueio manual total dos semi-eixos, não podendo ser automático. Os tipos mais comuns são os seguintes: • Dana Trac-Loc™ Consiste de um pacote de embreagens de discos metálicos imersos em lubrificante adequado, bloqueando o semi-eixo à carcaça sob certas condições de rotação. Quando a rotação da planetária aumenta demasiadamente, indicando que uma roda perdeu tração e está patinando, o óleo é expulso de entre os discos metálicos aumentado o atrito do conjunto. Com o aumento do atrito tem-se um aumento do torque transmitido para a roda que está deslizando e, também, para a que está em piso firme. O conjunto se mantém pré-carregado pela ação de molas, além da carga axial devido ao engrenamento que é 102

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função do ângulo de pressão e do ângulo de hélice das engrenagens. Sua eficiência quando novo pode chegar a 70% mais vai diminuindo com o desgaste natural do conjunto.

Figura 120: Diferencial autoblocante Dana Trac-Loc™. 103

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• Salisbury / Thornton Powr-Lok Semelhante ao diferencial Trac-Loc™, apresenta, também, pacotes de embreagens de discos metálicos em banho de óleo. A diferença resida na pré-carga, que aqui não é realizada por molas e sim pela ação dos eixos das engrenagens satélites, apoiando-se sobre blocos em ‘V”. Quando o conjunto gira devido a uma diferença de velocidade entre os semi-eixos, os eixos das satélites tendem a se deslocar pelas rampas em “V”, pressionando o pacote de discos metálicos. A pré-carga pode ser definida pelo ângulo de rampa dos blocos em “V”.

Figura 121: Diferencial autoblocante Salisbury. 104

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• Torsen™ (TORque SENsing) Formado por engrenagens helicoidais reversas, proporcionando razões de torque entre 6:1 até 2,5:1, em função do ângulo de hélice das engrenagens, do tratamento superficial e do tipo de rolamentos utilizados. O princípio de funcionamento tem por base o fato de que um engrenamento helicoidal reverso pode ser irreversível, ou seja, não pode ser acionado através da coroa. Neste diferencial, os engrenamentos não chegam a ser irreversíveis, porém, apresentam rendimento muito baixo quando acionados pela coroa, gerando grande atrito. Como o atrito interno ao diferencial aumenta, o torque transmissível também aumenta.

Figura 122: Diferencial autoblocante Torsen™. • Torsen II™ Semelhante ao Torsen™, porém com engrenagens helicoidais montadas em eixos paralelos. Como as perdas por atrito são menores, proporciona razões de torque entre 1,8 e 3:1.

Figura 123: Diferencial autoblocante Torsen II™. 105

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• Diferencial viscoso Diferencial aberto autoblocante pela ação de pacotes de embreagens formadas por discos metálicos em banho de óleo. Com grandes diferenças de rotação o óleo (a base de silicone) se aquece aumentando a pressão interna do conjunto e pressionado os discos. Como os discos são perfurados o óleo entre eles escorre e surge o contato metal-metal, que gera atrito interno elevado. Com o aumento de atrito interno ocorre o aumento de torque transmissível aos semi-eixos. Como o aquecimento do óleo está associado à rotação do conjunto, sua aplicação preferencial é como diferencial central em sistemas de tração integral. Nesta situação o diferencial fica sujeito à rotação de saída da caixa de câmbio, antes da relação de transmissão final, portanto com rotação maior do que teria como diferencial de eixo motriz. Pode ser montado ligando os dois semi-eixos ou ligando um semi-eixo à carcaça. Na ligação entre semi-eixos o torque transmissível é significativamente maior.

Figura 124: Diferencial viscoso instalado entre semi-eixo e carcaça do eixo.

Figura 125: Diferencial viscoso instalado entre semi-eixo e semi-eixo. 106

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• Diferencial ZF O diferencial autoblocante ZF é composto por cames e seguidores, sendo de construção simples, leve e compacta. Por outro lado, apresenta grande desgaste, não se aplicando para a transmissão de grandes torques. Este diferencial compõe-se de três partes: um suporte de seguidores solidário à coroa, dois discos de cames ligados, cada um, a um semi-eixo e um conjunto de seguidores, montados sobre o suporte. A partir de certa diferença de velocidade entre os semi-eixos os seguidores arrastam, através dos cames, o disco correspondente promovendo o bloqueio necessário.

Figura 126: Diferencial autoblocante ZF. Tabela 5: Resumo dos diversos diferenciais autoblocantes. Marca

Tipo

Fabricante Formerly Borg-Warner, now Auburn Sure-Drive Freewheel Gear Inc. ZF Cam-and-pawl Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF) Lok-0-Matic Multi-plate clutch, ramp-actuated Zahnradfabrik Friedrichshafen (ZF) Multi-plate clutch, ramp-actuated GKN Axles Ltd, Light Division, ZF, Powr-Lok and rampless Spicer Axle Division, Dana Corporation Multi-plate clutch, rampGKN Axles Ltd, Light Division, ZF, Trac-Aide actuated, but rampless Spicer Axle Division, Dana Corporation GKN Axles Ltd, Light Division, ZF, Trac-Loc Multi-plate clutch,rampless Spicer Axle Division, Dana Corporation Traction Lok Multi-plate clutch,rampless Ford Traction Equaliser Clutch type Rockwell Formerly Borg-Warner, now Auburn Sure-Grip Cone clutch Gear Inc. Formerly Borg-Warner, now Auburn Super Traction Cone clutch Gear Inc. No-SPIN Face dog clutch Tractech, Dyneer Corporation Detroit Locker Face dog clutch Tractech, Dyneer Corporation True Trac Hclical gear Tractech, Dyneer Corporation Knight Helical and worm Knight-Mechadyne Ltd Gleason, Power Systems Division and Torsen Worm and spur Quaife Power Systems Ltd Variable leverage gear Max-Trac Fairfield Manufacturing Co. Variable leverage gear, with Super Max-Trac Fairfield Manufacturing Co. friction 107

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TRAÇÃO 4X4, 6X4 E INTEGRAL

A grande maioria dos veículos é equipada com tração em apenas um eixo – ditos 4x2, 6x2, etc. Algumas categorias de veículos são equipadas com tração em mais de um eixo – ditos 4x4, 6x4, 8x4, 6x6. Tradicionalmente eram veículos comerciais e utilitários, de uso mais rústico e difícil, desprovidos de maior conforto e requinte. Atualmente é comum encontrar-se a opção de tração integral em vários veículos de passeio, com os mesmos itens de acabamento e conforto das versões 4x2. Este fato está apoiado na melhor dirigibilidade e segurança de um veículo com tração integral e nas novas soluções tecnológicas para diminuir o consumo de combustível e melhorar o conforto de marcha. Ainda, com as já citadas melhorias, os veículos da tradicional categoria de utilitários vêm se difundindo no gosto dos usuários impulsionando ainda mais os investimentos na busca de novas melhorias no segmento. A recente a criação da categoria sport-utility, como sendo um misto entre o utilitário tradicional com o veículo de passeio, congregando a robustez, a capacidade de realizar serviço pesado e características off-road com bons níveis de conforto, acabamento e opcionais. Cabe, aqui, diferenciar entre veículos com tração 4x4 e veículos com tração integral. Nos veículos com tração 4x4 é possível selecionar entre tração total – 4x4 – e tração parcial – 4x2. O acionamento da tração total é manual, ou seja, depende de uma ação do motorista, através de dispositivos mecânicos, elétricos ou pneumáticos. Neste caso, não há compensação de rotação entre os eixos dianteiro e traseiro. Uma possível diferença de rotação entre eles será absorvida por deformações elásticas do trem motriz e por deslizamento das rodas sobre a pista. Por esse motivo é recomendável o uso de tração total apenas em pisos com pouca aderência, evitando sobrecargas ao trem motriz. São exemplos a grande maioria dos jipes tradicionais (Jeep – Willys, Ford, Wrangler - , Toyota Bandeirante e Hilux, Troller, JPX, Engesa, Suzuki Samurai, Suzuki Vitara, etc.), picapes 4x4 (Ranger, S10, F1000, Toyota Bandeirante e Hilux, L200, Nissan Frontier, etc.) e caminhões 4x4 e 6x6 (Mercedes-Benz LA, e versões militares das demais marcas). Nos veículos com tração integral os eixos dianteiro e traseiros são continuamente motrizes, não havendo a possibilidade de tração 4x2. Neste caso faz-se necessário um dispositivo que compense as diferenças de rotação entre os dois eixos – o diferencial central. Logo, os veículos com tração integral têm três diferenciais. Quando o diferencial central é um diferencial aberto baste que apenas uma roda do veículo perca a aderência com o piso para que o veículo perca tração. Existe, então, o bloqueio do diferencial central, que é feito manualmente. Nesta situação, o veículo com tração integral passa a se comportar como um veículo com tração 4x4, sofrendo as mesmas restrições que este. Enquadram-se aqui os veículos off-road de melhor desempenho e mais atuais (Land Rover (Defender, Discovery, Range Rover), Pajero (GLS, TR-4), Jeep Cherokee, Lada Niva, Toyota Prado, etc.).

Figura 127: Sistema de tração integral do Daimler UNIMOG. 108

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Figura 128: Sistema de tração 4x4 do FIAT Campagnolo.

1 – Eixo primário; 2 – Eixo motriz dianteiro; 3 – Diferencial central; 4 – Bloqueio do diferencial central; 5 – Eixo motriz traseiro. Figura 129: Sistema de tração integral do Audi Quattro. Quando o diferencial central for autoblocante não se faz necessário o bloqueio manual, porém este dispositivo pode estar presente. Como um diferencial autoblocante não apresenta eficiência de 100% este tipo de configuração é empregada em veículos de passeio com uso on-road. Por outro lado, em veículos com tração não integral – 4x4 – a frenagem é menos eficiente: se um eixo trava completamente, ou seja, as duas rodas travam simultaneamente, o outro eixo também é freiado pela transmissão, já que o conjunto é mecanicamente solidário. Os diferenciais centrais autoblocantes podem ser construídos com os mesmos tipos de engrenamento que os diferenciais dos eixos motrizes. Porém, é muito comum o emprego de diferenciais viscosos, em função de que o funcionamento de um diferencial viscoso ocorre pelo aquecimento do óleo funcionado melhor em rotações maiores. Como o diferencial central está localizado antes do eixo motriz, trabalha com rotação maior que esse. As configurações mais comuns para o diferencial central são as seguintes: diferencial central cônico, diferencial central Torsen, diferencial central planetário e diferencial central viscoso. 109

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Em veículos com tração integral desenvolvidos para uso on-road, derivados de versões 4x2, normalmente é necessário uma distribuição desigual de torque entre o eixo dianteiro e o eixo traseiro, por motivos de dirigibilidade e estabilidade. Nestes casos, o diferencial central é construído com engrenamento epicicloidal que transfere um torque maior para um eixo e menor para o outro, de modo que os torques somados correspondem ao torque de saída da caixa de câmbio. Esta distribuição desigual de torque é benéfica no equilíbrio do conjunto em trajetórias curvas e em pisos de pouca aderência. Em trajetórias lineares a distribuição de torque volta a ser equalitária, já que o diferencial não atua nesta condição.

Figura 130: Diferenciais viscosos e Torsen empregados como diferenciais centrais em sistemas de tração integral. 110

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O acionamento de mais de um eixo simultaneamente exige uma transmissão adicional, denominada de caixa de transferência, acoplada à saída da caixa de câmbio do veículo. É muito comum esta caixa de transferência apresentar uma redução adicional como opção, acionada manualmente por dispositivo mecânico, elétrico ou pneumático. A relação de transmissão da reduzida é normalmente 2:1 ou um valor muito próximo disto. Como a reduzida fica localizada entre a caixa de câmbio e o eixo motriz, e como o eixo motriz em veículos 4x4 é projetado para o torque máximo do motor multiplicado pela máxima redução da caixa de câmbio, o acionamento da reduzida sobrecarregaria o eixo motriz com o dobro do torque de projeto. Por este motivo, somente deve ser possível o acionamento da reduzida com tração total, onde o torque de saída da caixa fica dividido por 2, metade para cada eixo motriz. As caixas de transferência podem ser acionadas por engrenagens ou por correntes. A configuração por engrenagens é mais comum nas caixas de transferência com caixa de reduzida integrada, ocorrendo em caminhões e utilitários. É um pouco mais ruidosa e mais pesada. A configuração por corrente é mais comum nas caixas de transferência sem reduzida, normalmente em sport-utilities e veículos de passeio. Quando a caixa de transferência é acionada por correntes e o veículo apresenta reduzida, a caixa reduzida não é integrada com a caixa de transferência. A definição é apenas por características construtivas e de leiaute. A caixa de reduzida de um veículo multitração é uma transmissão auxiliar. Portanto, a gama de relações de transmissão da caixa de câmbio principal fica multiplicada por dois. Porém, a intercalação de marchas normais e marchas reduzidas não é eficiente devido à necessidade de se acionar a tração total quando do uso de marchas reduzidas.

Figura 131: Caixa de transferência com reduzida empregando engrenagens.

Figura 132: Bloqueio manual de diferencial por acionamento pneumático, bloqueando o semi-eixo na carcaça diferencial. 111

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Figura 133: Caixa de transferência e diferencial central do BMW 525iX.

Figura 134: Sistema de transmissão integral do BMW 525iX. As vantagens do sistema de tração integral podem ser observadas na Figura 135, que mostra a capacidade de subida de um veículo em piso homogêneo, em função do coeficiente de atrito entre as rodas e o piso, para sistemas de tração dianteira, traseira, integral e total (integral bloqueado).

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Figura 135: Vantagem da tração integral e 4x4 na subida de rampa e em pisos lisos. Na Figura 136 é mostrado o desempenho de um Vauxhall Cavalier sobre neve compactada (µ = 0,2), onde as forças de tração são analisadas em função do tipo de tração e do tipo e pneus – pneus para inverno e para verão.

Figura 136: Comparação entre tração integral e dianteira, e entre pneus de verão e de inverno. 113

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O recurso da tração 6x4 é comum apenas em caminhões pesados e extra pesados. Apresenta como vantagens a maior capacidade de carga, uma melhor tração e frenagem e uma melhor distribuição de esforços sobre o chassi. Encontra aplicação mais intensa em veículos destinados a serviço mais pesado ou em terrenos acidentados, como em pedreiras, reflorestamento, canaviais, madeireiras, etc., ou mesmo em aplicações onroad no transporte de grandes cargas indivisíveis. Nestas situações é comum, também, caminhões com tração 4x4, porém para capacidades de carga menores. A tração 6x6 é utilizada quase que exclusivamente em veículos militares, não sendo economicamente interessante em aplicações comerciais em função dos custos adicionais de produção e manutenção. A tração 6x4 é conseguida através de eixo cardan intermediário partindo do primeiro eixo motriz para o segundo ou de um eixo cardan partindo diretamente da caixa de transferência. É possível, ainda, apresentar duas velocidades nos eixos motrizes.

Figura 137: Sistema de tração 6x4 de caminhões.

Figura 138: Sistema de suspensão e tração 6x4 tipo boogie (Scammell Routeman).

Figura 139: Sistema de tração 6x4 de caminhão mostrando os dois eixos motrizes e o diferencial central (aqui deslocado para a parte anterior do conjunto). 114

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Figura 140: Sistema de tração 6x4 de caminhões.

Figura 141: Sistema de tração 4x4 de veículo leve com motor dianteiro transversal. Os sistemas de transmissão outros equipamentos, como tratores agrícolas e de terraplanagem, são específicos para cada gama de aplicações. Normalmente empregam uma caixa de transmissão básica associada a outras caixas de transmissão e, ainda, a transmissões auxiliares, gerando um número bastante grande de relações de transmissão possíveis.

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Figura 142: Esquema geral de uma transmissão de trator agrícola 4x4.

Figura 143: Esquema detalhado de uma transmissão com 12 marchas de trator agrícola 4x4.

Figura 144: Esquema detalhado de uma transmissão com 20 marchas de trator agrícola 4x4.

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6.1

Controle de Tração

Algumas condições contribuem para o deslizamento das rodas sobre a pista (patinagem): aderência limitada da superfície da pista, aceleração excessiva, execução de trajetórias curvas acentuadas ou arrancadas em subidas íngremes. Rodas travadas ou patinando limitam a aderência lateral e a estabilidade, gerando, também, altas taxas de desgaste de pneus e de componentes do trem motriz (diferencial). O controle de tração – ASR – proporciona a aplicação otimizada da força de tração evitando a patinagem das rodas. Normalmente o sistema ASR é uma extensão do sistema de controle de frenagem ABS, que já possui sensores e atuadores necessários. A capacidade de tração, particularmente em situações mais críticas, é proporcional à aderência da roda em pior situação. O ASR pode funcionar interligado a um sistema de controle do motor do veículo, normalmente denominado EMS, que ajusta a posição da válvula de entrada de ar/mistura ou a posição do sistema de injeção de Diesel, controlando o torque aplicado às rodas mesmo que a posição do pedal do acelerador se mantenha inalterada (drive-by-wire). Ao perceber que alguma roda motora está patinando o sistema age sobre o sistema ABS aplicando o freio a esta roda. Com isso, aumenta-se o atrito e a resistência neste semieixo. Logo, o torque disponibilizado para a outra roda motriz aumentará, melhorando as condições de tração do veículo. Os sistemas ASR Bosch são os seguintes: • ABS/ASR 2I (Bosch) •

Utiliza o sistema EMS (Eletronic Engine Power Control), controlando a posição da válvula de entrada de ar/mistura em relação à posição do acelerador

•

Emprega o sistema ABS para frear a roda que está patinando, melhorando a tração.

•

•

ABS/ASR 2P (Bosch) •

Emprega o sistema ABS e EMS

•

Melhor controle de frenagem

•

Atua também no tempo de ignição do motor

ABS/ASR 2E (Bosch) •

Emprego apenas no sistema ABS

•

Apresenta servomotores próprios para atuar na válvula de entrada de mistura ar/mistura do sistema de admissão sem empregar o EMS

•

MSR •

Módulo adaptável ao sistema ASR para otimizar a ação do freio motor sobre pisos muito lisos, evitando o travamento das rodas

A Figura 145 mostra curvas de adesão / escorregamento para: 1 – Asfalto molhado (adesão); 2 – Neve compactada; 3 – Concreto; 4 - Asfalto molhado (escorregamento).

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µ - coeficiente de atrito; ? – coeficiente de aderência lateral. Figura 145: Curvas de adesão / escorregamento. A Figura 146 mostra um esquema para controle de tração integrado ao gerenciamento do motor do veículo (EMS), onde aparece: 1 – Unidade de controle do sistema de freios ABS e de tração ASR; 2 – Unidade de gerenciamento do motor SEM; 3 – Pedal do acelerador; 4 – Servomotor (drive by wire); 5 – Borboleta de admissão ou 6 – Bomba de injeção Diesel.

Figura 146: Sistema eletrônico de controle de tração integrado ao gerenciamento do motor. 118

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Figura 147: Sistema eletrônico de controle de tração integrado ao gerenciamento do motor. Na Figura 147 é mostrado um esquema de funcionamento de controle de tração em caminhão. Os elementos da figura são: 1 – Sensor de velocidade da roda; 2 – Disco gerador de pulsos; 3 – Válvula de controle de pressão; 4 – Válvula solenóide 2/2 vias; 6 – Válvula de duas vias; 7 – Válvula do freio de serviço; 8 – Regulador de pressão do freio; 9 – Cilindros de freio das rodas; 10 – Unidade de controle SEM; 11 – Pedal do acelerador; 12 – Sensor de posição do pedal do acelerador; 13 – Servomotor; 14 – Bomba injetora do motor.

Figura 148: Sistema ABS/ASR 2I de controle de tração para carro de passageiros. Na Figura 148 os elementos indicados são: 1 – Sensor de velocidade da roda; 2 – Modulador hidráulico do sistema ABS/ASR; 3 – Unidade de controle do sistema ABS/ASR; 4 – Unidade de controle EMS; 5 – Atuador da borboleta de aceleração. 119

Transmissões Automotivas – Carlo Giuseppe Filippin

Figura 149: Sistema de controle de tração para carro de passageiros. Na Figura 149 os elementos indicados são: 1 – Unidade de controle do sistema ABS/ASR; 2 – Unidade de controle Motronic; 3 – Unidade de controle EMS; 4 – Trem de potência; 5 – Diferencial; 6 – Fonte de pressão do sistema ASR; 7 – Modulador hidráulico do sistema ABS; 8 – Cilindro hidráulico mestre de freios; 9 – Freios nas rodas; 10 – Roda direita; 11 – Roda esquerda; 12 – Sensor de velocidade da roda; 13 – Superfície de rodagem da roda direita; 14 – Superfície de rodagem da roda esquerda; 15 – Massa do veículo m, Pressão do sistema de freios p, Velocidade da roda, v, Velocidade do veículo, vF, Escorregamento, ?, Inércia da roda, ?R, Força de tração, Ma, Força de frenagem, Mf, Resultante de forças atuando na roda motriz, Mr, Forças de superfície, Ms. Os sistemas de tração 4x4 e integral não são compatíveis, por natureza, com sistemas de controle de frenagem ABS e, conseqüentemente, de sistemas de controle de tração ASR. Nos sistemas de tração integral com diferencial central viscoso, um segundo acoplamento viscoso é utilizado para acoplar ou desacoplar a tração em um dos eixos apenas nas frações de segundo quando o sistema ABS é utilizado. É o mecanismo empregado pelos veículos com tração integral mais elaborados, inclusive sport-utilities, como Jeep Cherokee, Land Rover Discovery e Range Rover, Mercedes-Benz ML230 e ML320, BMW X3 e X5, Nissan XTerra.

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Figura 150: Sistema de diferencial viscoso compatível com sistema antitravamento de freios.

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7

JUNTAS UNIVERSAIS

Forma de conexão entre dois eixos concorrentes em rotação. Os eixos são interligados por uma cruzeta, articulação em forma de cruz, que é apoiada em dois pontos em cada eixo. Estes pontos de apoio são os braços da cruzeta, diametralmente opostos. A cruzeta apresenta movimento de rotação como corpo rígido e movimento relativo de rotação em torno de direções ortogonais aos eixos em que faz ligação. Este mecanismo é conhecido como junta universal de Hooke. Existem dois tipos construtivos: junta tipo cruzeta e junta anelar. Ainda, quanto à maneira construtiva, as juntas podem ser rígidas ou flexíveis. Juntas flexíveis são mais econômicas, porém permitem menores ângulos de desalinhamento. Dentre as juntas flexíveis pode-se citar a junta flexível Layrub, a junta Metallastik e a junta Moulton. As juntas com base no mecanismo de Hooke não apresentam velocidade angular constante. O eixo acionado por uma junta universal de Hooke, com o eixo acionado r girando a velocidade constante, apresenta durante ¼ do movimento velocidade maior que o eixo acionador; no próximo ¼ do movimento apresenta velocidade menor, repetindo novamente o ciclo, ou seja, no terceiro ¼ do movimento apresenta velocidade maior e no último ¼ do movimento apresenta velocidade menor que o eixo acionador. Ou seja, uma junta universal apresenta aceleração angular não nula em cada rotação. É claro que há constância de rotação entre os dois eixos, porém não instantaneamente. Uma maneira de contornar o problema é aplicar no mesmo eixo duas juntas universal em série e fora de fase. Em cada ¼ do movimento da primeira junta, em que a velocidade é maior, a segunda junta, que está defasada de 90o , estará se movendo no seu ¼ do movimento onde a velocidade é menor. Entre a entrada e a saída da junta assim formada tem-se, então, a velocidade angular constante. Esta junta é denominada de junta de velocidade constante, ou de eixo Cardan. Para que as duas juntas universais que compõem um eixo Cardan estejam defasadas de 90o os seus eixos devem ser montados paralelos. Também, os três eixos que compõem um eixo Cardan, o eixo de entrada que se conecta através da primeira junta universal ao eixo intermediário, que por sua vez se conecta, através da segunda junta universal, ao terceiro eixo, o eixo de saída, devem formar ângulos iguais. Ou seja, o ângulo formado entre o eixo de entrada e o eixo intermediário deve ser igual ao ângulo formado entre o eixo intermediário e o eixo de saída. Outros tipos de juntas apresentam velocidade constante, mesmo que montadas isoladamente. Desta categoria pode-se citar a junta Tracta, a junta Bendix-Weiss, mais conhecida como junta homocinética, a junta Rzeppa e a junta Birfield.

Figura 151: Junta universal de Hooke. 122

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Figura 152: Gráfico mostrando as variações de velocidade e aceleração angular, para ½ volta do eixo de acionamento (180o). Neste caso a junta apresenta um ângulo de 30o entre os eixos de entrada e de saída.

Figura 153: Junta elástica Layrub.

Figura 154: Junta elástica Metalastik. 123

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Figura 155: Junta elástica Moulton.

Figura 156: Junta de velocidade constante Bendix Tracta.

Figura 157: Junta de velocidade constante Bendix Weiss. 124

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Figura 158: Junta de velocidade constante Dana Rzeppa.

Figura 159: Junta de velocidade constante Birfield.

Figura 160: Par de juntas universais formando um eixo FWD (Four Wheel Drive Company), de velocidade constante.

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Figura 161: Par de juntas universais formando um eixo Glaenzer, de velocidade constante.

Figura 162: Par de juntas universais formando um eixo Kirkstall, de velocidade constante.

Figura 163: Vista frontal do motor do BMW 525iX, DOHC 24V. O veículo básico apresenta tração 4x2 traseira. Para a versão 4x4 foi necessário modificar o Cárter para acomodar o eixo motriz dianteiro. Aqui se vê os dois semi-eixos ligados por duas juntas homocinéticas. 126