O CÂMBIO NOSSO DE CADA DIA – Autoentusiastas
O CÂMBIO NOSSO DE CADA DIA
em Análises, CM, Tecnologia
A transmissão tem o fundamental papel de transferir o torque do motor para as rodas, resultando na força de tração que movimenta o veículo. Na realidade o motor transforma a energia potencial do combustível em trabalho, que é transferido às rodas através da transmissão. Esta reúne embreagem ou conversor de torque, câmbio, em muitos carro a árvore de transmissão, conhecida também por cardã, e o eixo motriz, onde fica o diferencial e sempre mais uma redução da transmissão.
Note o leitor que a potência do motor é o resultado da multiplicação do torque pela sua rotação em cada ponto e a potência na roda é igual à força de tração multiplicada pela velocidade do veiculo. Obviamente, a potência na roda é igual à potência do motor multiplicada pelo rendimento do sistema, representando as perdas por atrito em forma de calor desperdiçado.
Para que haja a interação entre a força de tração entre o pneu e o solo com as velocidades operacionais do veículo, a transmissão deve garantir os seguintes pontos:
> Garantir a força de tração em primeira marcha e também em marcha à ré para o veiculo partir e subir rampas com facilidade.
> Garantir a velocidade máxima estabelecida para o veículo no plano. A regra é atingi-la em última marcha na rotação de potência máxima do motor menos 5%. Isso serve para o caso do trecho ser em leve descida ou houver vento de cauda, de modo a evitar a rotação de potência máxima seja ultrapassada. Outra possibilidade é adotar o critério de alongar mais a última marcha visando a economia de combustível, estabelecendo que a velocidade máxima do veículo ocorra na penúltima marcha. Por exemplo, um câmbio de cinco marchas se torna um "4+E".
> Com a primeira e a última marcha definidas, as outras serão escolhidas proporcionalmente com degraus sempre decrescentes.
Como referência, para maiores detalhes ver matéria Casamento obrigatório no AE.
Os câmbios se encaixam em quatro tipos básicos, o manual, o automático, o CVT e o automatizado (ou robotizado)
O câmbio manual é o mais simples e o mais comum, se aplicando à maioria dos veículos mundialmente. É o sistema convencional de três pedais, a embreagem, o freio e o acelerador, onde o motorista é livre para escolher a marcha que ele julgar melhor para uma determinada situação de tráfego e também é livre para modular o pedal da embreagem à sua maneira. De modo geral o câmbio propriamente dito não requer manutenção; o óleo lubrificante é permanente, não requerendo trocas periódicas; os anéis sincronizadores das marchas, também muito resistentes para a aplicação, duram praticamente a vida útil do veículo.
A caixa manual de maneira geral é composta de pares de engrenagens de dentes helicoidais, dispostos de maneira sequencial para todas as marchas e com duas árvores principais, a primário ligada ao motor e a secundário para as rodas através do conjunto do diferencial. A eficiência de uma caixa manual fica em torno de 99%, ou seja, a perda por atrito gerando calor é somente 1%.
Os modos de falha da caixa manual são mais referentes à embreagem que à ele própria. Por exemplo, motoristas que imobilizam o veiculo em ladeiras, patinando a embreagem e controlando o acelerador sem a utilização do freio. Este modo errôneo de dirigir acaba com o disco da embreagem em pouco tempo. Ninguém mais dirige assim, creio, por aprendizado contínuo ao longo dos anos. A geração excessiva de calor também cria pontos de desgaste irregular tanto do disco quanto do platô, empenando o conjunto e causando trepidação durante a modulação do pedal da embreagem.
Câmbio de três marchas do Jeep, Willys-Overland do Brasil (acervo do autor)
O câmbio automático é o sistema de dois pedais, freio e acelerador, dispensando o pedal da embreagem e que escolhe automaticamente a relação de marcha apropriada para cada situação de carga que o veículo é submetido, seja da cidade ou na estrada,
É composta por um arranjo complicado de engrenagens epicicloidais ou planetárias e um conversor de torque hidráulico que faz a função da embreagem, transmitindo o torque do motor ao câmbio propriamente dito. O conversor tem também função multiplicadora de torque principalmente na partida em rampas com altas cargas. Esta relação multiplicadora é variável entre zero e dois e meio, em média. Na estrada em velocidades constantes, o conversor de torque tem relação praticamente um para um, ou seja, não patina a não ser nas trocas de marcha.
Câmbio automático visto em corte, mostrando o conversor de torque na cor azul (samarins.com)
Modelo de conjunto epicicloidal ou planetário (google images)
A alavanca seletora normalmente indica os pontos de trabalho da caixa, por exemplo, R (marcha à ré), D (drive), "2" (primeira e segunda), "1" (primeira) e N (ponto morto). A posição "D" escolhe automaticamente as marchas, as posições "1" e "2" mantêm a marcha escolhida pelo condutor engatada, servindo principalmente para manter o freio-motor do veículo em descidas pronunciadas. As caixas modernas reduzem as marchas automaticamente, quando o pedal do acelerador é aliviado.
Nos Estados Unidos principalmente, a valorização do câmbio automático é muito grande por parte da população que não quer ter o trabalho de usar o pedal da embreagem e a alavanca de mudanças de marcha, principalmente no trânsito de cidade, anda e para. É acelerar e frear, sendo muito comum esquecer também o freio em subidas, controlando e imobilizando o veículo no pedal do acelerador, simplesmente. Nesta situação o conversor de torque gera muito calor com consequente perda significativa de energia; porém o sistema é confiável e normalmente superdimensionado para a aplicação.
De maneira geral, a caixa automática é muito confiável e sua manutenção requer somente a substituição do fluido hidráulico a cada 50.000 km em média. Vazamentos internos são os principais modos de falha, podendo ocorrer quando o sistema é muito solicitado com frequência. Trepidações espúrias e ruídos são os principais sintomas.
Veja abaixo um gráfico real de um veículo brasileiro com câmbio automático (a ética não me permite mencioná-lo) mostrando uma situação real, anda e para em uma subida, controlando somente o pedal do acelerador. Note as altas temperaturas que são atingidas no fluido da transmissão por patinagem do conversor de torque.
Gráfico de um veículo com câmbio automático mostrando as temperaturas atingidas com altas cargas de trabalho, o fluido do câmbio chegou a 132 °C (acervo do autor)
O câmbio CVT (Continuously Variable Transmission) é uma criativa "engenhoca" também automática e sem pedal da embreagem, reproduzindo um sistema de infinitas marchas. Explicando melhor, no projeto é definida a primeira marcha mais curta e a última mais longa e entre as duas, são geradas várias relações intermediárias, automaticamente com a demanda de carga do veículo
A maioria das caixas CVT adota o princípio de um par de polias em "V" em que este fica mais estreito ou mais largo, uma polia inversamente à outra, variando assim o diâmetro do ponto de contato da correia especial que as liga, variação esta sensível à rotação do motor e à posição do pedal do acelerador do veículo. Na realidade, o sistema procura sempre a rotação de torque máximo do motor que é o ponto de menor consumo específico. Existe também um sistema que desacopla o motor da transmissão com o veiculo parado. Dirigir um CVT é uma experiência interessante, sentindo a velocidade do veículo crescendo com a rotação praticamente constante do motor.
O câmbio automático CVT também é muito confiável não necessitando manutenção periódica. O seu principal modo de falha é relativo ao funcional da correia metálica por desgaste, gerando trepidações espúrias ou patinagem.
Como curiosidade veja o esquema em corte de um dos primeiros CVT, veículo holandês DAF Variomatic de 1958:
Transmissão CVT instalada no veículo holandês DAF Variomatic
Note que são dois conjuntos de polias em vez de um nos CVT atuais. Com essa arranjo o veículo não precisava de diferencial no eixo motriz. A invenção do câmbio CVT cabe ao holandês Hub van Doorne e o DAF foi o primeiro veículo a utilizá-lo.
O câmbio automatizado (ou robotizado) também elimina o pedal da esquerda e de maneira geral é um câmbio manual com um sistema que controla automaticamente a embreagem e também os engates das marchas. Na verdade, em algumas variações, a caixa é mantida exatamente a mesma da versão convencional, com adição de mecanismo elétrico ou eletro-hidráulico de acionamento da embreagem e engate das da marchas — o "robô". É um sistema relativamente barato e seu principal modo de falha é o disco e o platô da embreagem que se deterioram com facilidade dependendo do emprego do veículo.
Em trafego de cidade anda e para, principalmente em subidas e com o veículo carregado, o sistema da embreagem acoplando e desacoplando com patinagem relevante do disco que acaba elevando a sua temperatura níveis críticos. Neste caso um sistema de proteção desacopla a embreagem deixando o veículo sem tração. Imagine você leitor, esperando a embreagem esfriar em um trânsito congestionado, com todos buzinando no seu ouvido. Por isso deve-se evitar "segurar o carro no motor" nas subidas, que acaba por destruir a embreagem em pouco tempo ou causar trepidações do acoplamento embreagem/platô em deterioração.
Alguns carros possuem um dispositivo, o HSA, hill start assist ou HLA, hill launch assist que atua segurando o freio por dois ou três segundos evitando que o veiculo vá para trás durante a partida em ladeiras para quem tem dificuldade em manter o carro imóvel freando com o pé esquerdo.
Na verdade câmbio automatizado funciona bem na estrada e na cidade, sendo confiável desde que utilizado corretamente. Há quem reclame que suas trocas de marchas são algo lentas, mas nada que seja desagradável ou um estorvo.
Lembro-me na década de 1960 de sistemas semiautomáticos sem o pedal da esquerda, com conversor de torque para justamente simular um câmbio automático, havendo no conjunto uma pequena embreagem de acionamento eletropneumático somente para possibilitar as trocas de marchas manuais. As marchas com engrenagens helicoidais normais não eram escolhidas automaticamente e sim engatadas pelo motorista através alavanca de mudanças, em cuja base havia um microinterruptor para acionar o servo da embreagem. Mesmo com conversor de torque era muito mais simples e barata que uma caixa automática convencional e acabou fazendo sucesso. Como exemplos o Fiat 850, o Fusca e o Porsche 911 tinham este sistema disponível como item opcional.
Fusca, câmbio semiautomático chamado Stick Shift com conversor de torque
A outra variação das automatizadas é a com o sistema de dupla embreagem. Nesta, são duas arvores primárias concêntricas, com uma passando por dentro da outra, sendo capazes de girar de forma independente. Ambas se ligam ao conjunto de embreagem dupla, cada árvore primária está engrenada ao conjunto de engrenagens da marcha correspondente. Os garfos seletores das marchas trabalham com atuadores hidráulicos, que quando engrenam uma marcha, já pré-engatam a marcha seguinte, dando rapidez e precisão às mudanças de marcha, já que a troca efetiva se dá quando uma embreagem desacopla e outra acopla.
Sistema com dupla embreagem seca (flatout.com)
Este sistema de dupla embreagem também é susceptível aos mesmos problemas das automatizadas mais simples, ou seja, dirigir somente com o pedal do acelerador em subidas em tráfego intenso anda e para e com o veículo carregado é querer ficar na mão.
A versão de dupla embreagem banhada em óleo é a melhor, pois mesmo não sendo totalmente à prova de abuso, cumpre a função, permitindo alguns deslizes por parte do motorista. A Ford, por exemplo, adotou o sistema PowerShift de dupla embreagem seca e não se deu muito bem, com muitas reclamações por parte do consumidor, trepidação e imobilização por temperatura crítica. Se tivesse escolhido o sistema de embreagem em banho de óleo como a VW/Audi adotam para os motores mais fortes, por exemplo, teria certamente muito mais sucesso, com uma diminuição significativa no número de reclamações.
Creio que o futuro nos contemplará com projetos de câmbios sem o pedal da esquerda, que unirão os pontos positivos do manual e do automático, simultaneamente, utilizando sistema com engrenagens helicoidais, muito mais barato e também conversor de torque e embreagem menores e mais simples. A embreagem funcionaria no serviço mais leve, estradas e cidades com poucas ladeiras, oferecendo engates mais rápidos com pouca patinagem, enquanto que o conversor de torque ajudaria no serviço pesado, trafego intenso anda e para e ladeiras com tráfego congestionado; configuração parecida com os modelos da década de 1960 citados anteriormente.
Encerro a matéria com um elogio à icônica e confiável caixa automática Tiptronic, com conversor de torque, que permite ao motorista a escolha de dirigir, ou com o câmbio trocando as marchas automática ou manualmente; através da alavanca de mudanças ou borboletas no volante da direção.
Porsche 911, alavanca de câmbio mostrando as posições fixas e as variáveis "+" e "-" , acionadas sequencialmente subindo ou reduzindo as marchas.
Volante do Ferrari 458 com as borboletas para engate manual das marchas, subir pela borboleta direita e reduzir, pela esquerda