Funcionamento e tipos de caixas de marchas para sistemas de transmissão automotivos


Crédito foto: http://www.bearingkits.co.uk/

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A propulsão de um automóvel é realizada por um motor de combustão interna, o desempenho desse motor, ou seja, seus torque e potência variam dentro de uma margem de rotação. Entretanto, estes são nominais, e em diversas situações, podem não serem suficientes para fazer o carro superar a carga que lhe é imposta, seja ela uma ladeira ou uma ultrapassagem. A caixa de marchas é um componente do sistema de transmissão desenvolvido para permitir ao automóvel, superar qualquer regime de carga que lhe for demandado.

Uma caixa de marchas padrão possui cinco marchas, mas houve tempos em que esse número era menor, três ou quatro marchas, sem incluir marcha-à-ré. Atualmente, há caixas com até seis marchas manuais e, em alguns casos, de oito a dez marchas em câmbios automáticos. As marchas são relações entre rotação e o torque transmitido, são chamadas de acordo com sua órdem de acionamento (primeira, segunda, terceira, etc.). Além disso, a caixa de marchas pode ser alocada em diferentes posições do veículo, tudo depende da finalidade do projeto.

Função e princípios básicos

No projeto do powertrain de um veículo é tomado em consideração a capacidade do motor, pois sabendo que o veículo estará sempre enfrentando um carga que opõe o seu movimento, o motor deve ser capaz de superar essa carga. A capacidade do motor é determinada pela energia produzida na combustão, e no torque produzido pela multiplicação daquela com a manivela do virabrequim. Esse torque é proporcional (até certo ponto) a rotação do motor, mas a partir de uma determinada rotação o binário torque cai, e ocorre o aumento da potência, o veículo ganha velocidade. Entretanto, em alguma situações, a carga imposta ao veículo é grande o suficiente para fazer este perder velocidade até o ponto que, se não houvessem marchas, o veículo morreria. A essa carga, chamamos de torque resistente. Este se opõe ao torque produzido pelo motor. Então, as marchas da caixa de marchas são engrenagens que fazem variar a rotação e o torque fornecido pelo motor, para que estes se adequem ao torque resistente do momento, e possibilitem ao veículo superar aquele torque e se deslocar.

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

As engrenagens da caixa de marchas fazem essa variação através da relação entre as engrenagens contidas na árvore primária, secundária e intermediária. A relação entre as engrenagens funciona da seguinte maneira. Sabendo que o torque é uma força qualquer multiplicada pela distância na qual ela é aplicada, temos que nas engrenagens em geral, os dentes servem como um espécie de braço de alavanca, sendo o raio da engrenagem a distância na qual a força é aplicada.

Dentro da caixa de marchas, temos uma engrenagem motora, que é a engrenagem que recebe o torque do motor, e o transmite para as demais engrenagens. A engrenagem que recebe o torque da engrenagem motora, é chamada de engrenagem movida. Quando uma engrenagem motora aciona uma engrenagem movida, a quantidade de dentes em cada engrenagem se relacionam, e essa relação chamamos de redução ou desmultiplicação. Basicamente a relação de marchas é quociente entre a quantidade de dentes da engrenagem movida e da engrenagem motora:

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

Quando a relação entre as engrenagens é uma redução, significa dizer que a quantidade de dentes da engrenagem movida é maior que a quantidade da engrenagem motora, logo temos uma redução da velocidade da engrenagem movida em relação a engrenagem motora, mas um aumento do torque resultante na engrenagem motora em relação ao torque fornecido pela engrenagem movida.

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

Contrariamente ocorre quando a engrenagem motora possui uma quantidade maior de dentes em relação a engrenagem movida, neste caso temos que a engrenagem movida passa a girar com maior velocidade em relação a engrenagem motora, porém transmitindo menos torque as rodas.

A caixa de marchas se baseia inteiramente nessas relações, a engrenagem da árvore primária é a engrenagem motora, e esta engrena com a primeira engrenagem da árvore intermediária. Temos então a primeira relação. As relações seguintes, sempre se multiplicam com a relação já adquirida no engrenamento daquelas, e então é o torque e a velocidade resultante são transmitidos as rodas.

Tipos
  • Caixa de marchas manual;
  • Caixa de marchas automática;
  • Transmissão continuamente variável – CVT;
  • Caixa de marchas automatizada.

Caixa de marchas manual

Crédito foto: http://www.thetruthaboutcars.com/

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A tradicional caixa de marchas manual ainda é dominante no mercado automotivo, é barata, eficiente e confiável. É fabricada em ferro fundido e com engrenagens feitas em aço. O cambio manual necessita de uma alavanca de acionamento, esta se liga as hastes que movimentam o garfo seletor de marchas.

Dotada de uma árvore eixo primária, intermediária e o secundária, a caixa de marchas possui engrenagem ligadas a estas árvores, porém, apenas na árvore secundária, temos engrenagens que giram livres (entre elas e a árvore existem rolamentos) enquanto não são acopladas por conjuntos sincronizadores, estes sim girando a mesma velocidade do árvore secundária.

Nas primeiras caixas de transmissão desenvolvidas, as marchas eram engrenadas na base do tranco, pois não havia sincronismo entre a velocidade da árvore primária e da árvore secundária. Os motoristas eram obrigados a desenvolver uma técnica para conseguir trocar de marcha com o máximo de suavidade, a chamada dupla embreagem. Técnica essa que consistia na colocação veículo em ponto-morto momentos antes de acionar a marcha seguinte, e só após acelerar o motor, é que então passava-se para a marcha superior.

Atualmente, há um dispositivo de acoplamento, chamado conjunto sincronizador. E com este acabou-se com o problema de trancos nas trocas de marchas. Pois o acoplamento do conjunto sincronizador com a engrenagem passou a ser feito por cones macho (na engrenagem) e fêmea (no anel retardante ), que no momento do encaixe, através do atrito entre estes, sincroniza a velocidade da árvore secundária com a engrenagem selecionada. Tudo de forma suave e com o mínimo de trancos, eliminando a necessidade da dupla embreagem.

As caixas de marchas manuais são projetadas de dois tipos básicos, a convencional e a compacta. Ambas estão em plena utilização na indústria automotiva, mas são utilizadas de acordo com o interesse do projeto. Caixas compactas alojam no mesmo invólucro todas as engrenagens, árvores primária, intermediária e secundária, além do diferencial e saídas para os semi-árvores. São muito utilizadas em carros nos quais se faz necessário um conjunto compacto, ou seja, carros com tração dianteira e motor dianteiro transversal, tração traseira e motor central transversal e tração traseira com motor traseiro na transversal. A caixa compacta também pode fornecer torque para sistemas de tração integral nas quatro rodas.

Caixa de marchas convencional são utilizadas em trens de força no qual o motor está disposto na transversal, seja em posição dianteira ou central. A diferença entre as duas configurações é sentida no espaço aproveitado dentro da carroceria e na distribuição de peso do carro.

Caixa de marcha automática

Crédito foto: http://www.samarins.com/

Crédito foto: http://www.samarins.com/

O primeiro sistema desenvolvido para dispensar a troca de marchas manuais, a transmissão automática com conversor de torque e engrenagens epicicloidais (também chamada de engrenagem planetária) elevou o sistema de transmissão a um patamar de suavidade de funcionamento e eficiência não obtidos nas caixas de cambio manuais.

A caixa de cambio automática possui um conversor hidrodinâmico de torque (saiba mais sobre ele aqui) que atua como embreagem hidráulica, não apenas, transmitindo o torque do motor para a caixa de marchas, como também absorvendo vibrações e multiplicando o torque do motor. O conversor de torque é capaz de duplicar o torque fornecido pelo motor, no momento do arranque contudo.

A transmissão do torque do motor para a caixa de marchas é feita pela árvore primária. Esta recebe o torque do motor através da turbina do conversor de torque, e envia para o conjunto de trens epicicloidais. Estes, geralmente, estão em número de 2 a 5, e cada um pode reproduzir duas marchas, ou seja, temos 3 a 10 marchas que podem ser reproduzidas por conjunto de trens epicicloidais.

Em se tratando de eficiência, temos que os câmbios manuais desempenham uma eficiência de 99%, enquanto que esse número diminui um pouco quando se trata de câmbios automáticos. Esta redução é decorrente do escorregamento entre a bomba e a turbina do conversor de torque, então parte do torque motor se perde nesse momento. Entretanto, essa desvantagem é compensada pela capacidade do conversor de torque elevar o torque produzido pelo motor para cerca de 2, até 2,5 vezes mais, além disso há uma central eletrônica que, através de informações provenientes de sensores, comanda atuadores para acionar as marchas adequadas de forma a garantir que o motor trabalhe em regimes mais econômicos. Como em todo carro de rua, convenhamos.

CVT – Transmissão Continuamente Variável / Continuously variable Transmission

Crédito foto: http://cdn.wemotor.my/

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Trata-se de uma criativa caixa de marchas desenvolvida para automóveis de passeio e pequenas motos. Ao longo de sua história, chegou a equipar carros de corrida da F1 dos anos 60, mas não passou apenas de testes. Novamente, nos anos 90 o CVT foi cogitado para retornar ao certame da F1, dessa vez pela equipe Williams, mas o planos não se concretizaram a ponto de participar de corridas. Entretanto, não foi por falta de capacidade técnica, e sim de regulamento da competição, pois o cambio CVT possui vantagens interessantes sobre o sistema manual.

O CVT possui duas variações mais aplicadas na área automotiva, uma delas é o sistema de polias variáveis. Um sistema dotado de um par de polias, cada polia é ligada a árvore primária e o secundária respectivamente. As polias são ligadas entre si por uma correia ou por corrente, as polias são cônicas e capazes de se variar seu diâmetro. Tendo em mente do que os dois conjuntos de polias são capazes, conclui-se que a partir daí se obtêm a variação na relação entre as polias. Essa variação é considerada infinita, mas sempre respeitando o diâmetro mínimo e máximo das duas polias. Dessa forma, o CVT é capaz de prover uma aceleração do motor sem interrupção do torque, comum em câmbios manuais e automáticos, redução no consumo de combustível e no peso total do cambio (em relação aos câmbios automáticos convencionais).

A outra variação do sistema CVT, é o toroidal, trata-se de um sistema que em princípio, funciona da mesma forma que o CVT de polias variáveis. Naquele, ao invés de polias, temos discos cônicos dispostos no sentido do eixo da caixa de marchas. Um deles se liga a turbina do conversor de torque, enquanto o outro se liga ao cardã. Entre os dois existem dois roletes que se deslocam radialmente. Estes roletes estão em contato com ambos os disco cônicos, logo relacionam a velocidade do disco motor com o disco movido, de acordo com o diâmetro da seção do cone que os roletes encostam. Dessa forma é possível variar, dentro dos limites minimo e máximo de diâmetro dos discos cônicos, as relações de marcha adequadas para o deslocamento do automóvel.

Caixa de marchas automatizada

Crédito foto: http://www.team-bhp.com/

Crédito foto: http://www.team-bhp.com/

A caixa de marchas automatizada é a que mais se aproxima, em termo de componentes e princípio de funcionamento, da caixa de marchas manual. Na verdade, em algumas variações, a caixa de marchas é exatamente a mesma utilizada em sistemas manuais, mudando apenas a parte de embreagem e acionamento da marchas, que neste caso é feito por um sistema eletro-hidráulico e atuadores substituem pés e mãos humanas. Este sistema é chamado de caixa automatizada de embreagem única, e é utilizado em carros de baixo custo em mercados emergentes.

A outra variação da caixa de marchas automatizada, é caixa automatizada de dupla embreagem (DSG ou DCT). Nesta, a caixa de marchas possui não apenas um, mas duas árvores correspondentes a árvore primária da caixa de marchas convencional. Porém, estas são concêntricas, com uma passando por dentro da outra, sendo então capazes de girar de forma independente. Ambas se ligam ao conjunto de embreagem dupla, cada árvore primária está engrenada com um conjunto de engrenagens (marchas), contidas em duas árvore secundárias. Os garfos seletores de marchas, neste caso, trabalham através de atuadores hidráulicos, que quando engrenam uma marcha, já pré-engatam a marcha seguinte, cabendo então ao sistema apenas a troca de acionamento da embreagem correspondente a marcha seguinte. Assim é possível obter trocas de marcha em fração de segundos (8 milissegundos), mais rápido do que qualquer piloto bem treinado. Este sistema foi um dos responsáveis pela vitória de Nigel Mansell sobre Ayrton Senna no grande prêmio do Brasil de Fórmula 1 em 1990.

Componentes:

Caixa de marchas manual

Embreagem: A embreagem para caixa de marchas manual está completamente detalhada em uma matéria dedica somente a ela, devido a complexidade do componente.

Árvore primária:

Crédito foto: http://www.diffandgear.com.au/

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Uma árvore com uma engrenagem em uma de suas extremidades, a outra extremidade se apoia na bucha de bronze contida no volante do motor. A árvore possui estrias nas quais o disco de embreagem se desloca, sua função é receber o torque transmitido pelo disco de embreagem e enviar a árvore intermediária.

Árvore intermediária:

Crédito foto: http://mdhmotors.com/

Crédito foto: http://mdhmotors.com/

Trata-se de uma árvore que recebe o torque motriz fornecido pela árvore primária, mas não apenas isso, ela também é responsável pelo alojamento de engrenagens fixas, estas que se engrenam com as engrenagens da árvore secundária. Deste engrenamento é obtido as relações de transmissão necessárias para o bom desempenho do automóvel, ou seja, as marchas.

Árvore secundária:

Crédito foto: http://www.classictiger.com/

Crédito foto: http://www.classictiger.com/

A árvore secundária tem uma importante função, transmitir o torque motor após redução ou desmultiplicação para as rodas. Para isso, a árvore secundária aloja engrenagens e conjuntos sincronizadores. É estriada, nela se deslocam os sincronizadores que se encaixam nas engrenagens. As engrenagens contidas na árvore secundária não giram solidárias a este, elas giram loucas, pois não estão diretamente recebendo torque daquela, entre a árvore e a engrenagem estão rolamentos que intermediam esse contato, e giram ao invés das engrenagens.

Conjunto sincronizador:

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

Trata-se de um componente que atua sincronizando a velocidade do árvore secundária com a engrenagem selecionada pelo motorista. O conjunto sincronizador é composto por luva de engate e anel retardador, ambos estão na árvore secundária, girando solidário a esta. A luva de engate recebe o garfo seletor, que comanda o deslocamento da mesma. O anel retardador é um anel dotado, externamente, de dentes, e internamente por um cone fêmea, este último se encaixa no cone macho contido nas engrenagens do eixo secundário. Quando o garfo seletor empurra a luva de engate contra a engrenagem selecionada pelo motorista, este arrasta consigo o anel sincronizador, a medida que ambos se aproximam da engrenagem, o cone macho adentra no cone fêmea, o atrito entre ambos ajuda a sincronizar a velocidade entre engrenagem e árvore secundária. Dessa forma é possível trocar de marchas de forma rápida e sem trancos.

Engrenagens:

Crédito foto: https://somanyhobbies.files.wordpress.com

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A caixa de marchas funciona através da relação entre engrenagens, uma maior gira uma menor e vice e versa. Basicamente são feitas em aço, providas de dentes retos ou helicoidais. Na realidade, apenas a marcha à ré é feita com dentes retos por questão de custos, motivo pelo qual é tão ruidosa, as demais são engrenagens helicoidais, onde sua maior característica é a suavidade de funcionamento, logo o silêncio ao rodar. As engrenagens da caixa de marchas podem ser fixas na árvore intermediária, montadas em estrias.

Garfo seletor:

Crédito foto: http://www.f150forum.com/

Crédito foto: http://www.f150forum.com/

Nos conjuntos sincronizadores, existe uma fresta, um espaço destinado ao encaixe do garfo seletor. Este é ligado a alavanca de mudanças, e quando a acionamos, estamos na verdade deslocando o garfo seletor pela árvore secundária, logo o sincronizador.

Alavanca de mudanças:

Crédito foto: https://kaizenfactor.files.wordpress.com

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Alavanca na qual realizamos as trocas de marchas, a peça na qual fica exposta no habitáculo do automóvel é o pomo do cambio. Abaixo dele há uma haste de aço, geralmente, esta se liga a uma cruzeta que se apoia em buchas de material sintético, chamamos essa cruzeta de trambulador. O trambulador se liga a hastes de aço, e esta sim acionam os garfos seletores. Toda vez que deslocamos a alavanca pelos caminhos indicados no pomo do cambio, estamos escolhendo qual garfo iremos utilizar, então quando empurramos a alavanca para baixo ou para cima, estamos empurrando o conjunto sincronizador contra a engrenagem da marcha selecionada.

Corpo da caixa de marcha:

Crédito foto: http://image.4wheeloffroad.com/

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É o componente que suporta todos os componentes da caixa de marchas, além de ser reservatório do seu próprio óleo. Pode ser feita em ferro fundido ou em alumínio, varia com a finalidade do projeto, pois o alumínio é notoriamente mais leve, mas não tão abafador de ruídos como o ferro fundido. O corpo da caixa pode ser dividido em partes, o que é comum em aplicações para linha automotiva leve, mas também pode ser apenas um invólucro inteiro, que é mais aplicado em utilitários leves até aplicações pesadas.

Caixa de marchas automática

Árvore primária:

Crédito foto: http://www.tcsproducts.com/

Crédito foto: http://www.tcsproducts.com/

Possui a mesma função em relação a árvore primária da caixa de marcha manual. Entretanto, em câmbios automáticos, esta é acionado diretamente pela turbina do conversor de torque, é a responsável por acionar a engrenagem planetária do trem epicicloidal, e assim produzir as reduções ou desmultiplicações necessárias para fornecer o torque adequado ao veículo.

Árvore intermediária:

Crédito foto: http://photos.motoiq.com/

Crédito foto: http://photos.motoiq.com/

Enquanto que a árvore primária aciona o primeiro trem epicicloidal, o árvore intermediária, diferente de sua aplicação na caixa de marchas manual, aciona as engrenagens planetárias dos demais trens epicicloidais, que em geral vão de 2 a 5.

Árvore secundária:

Crédito foto: http://www.marks4wd.com/

Crédito foto: http://www.marks4wd.com/

É a árvore que transfere para o diferencial, o torque reduzido ou desmultiplicado dentro da caixa de marchas. A árvore secundária recebe o torque do trem epicicloidal que estiver girando.

Trem epicicloidal: É o responsável pela relações do cambio automático, ou seja, as marchas. Cada trem epicicloidal pode reproduzir 2 ou 3 marchas, dependendo do tipo. Logo, as caixas automáticas utilizam mais de um trem epicicloidal. Os trens estão dispostos em seqûencia dentro da caixa, sendo um montado no outro. Disposição que forma o chamado trem epicicloidal composto, no qual todos estão engrenados um no outro e são atravessados centralmente pela árvore intermediária.

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

O trem epicicloidal é composto de uma engrenagem planetária, que fica no centro, e rodeada de engrenagens satélites. Estas, geralmente em número de 2 ou 3, estão apoiadas em um suporte que gira em torno do próprio eixo, este por sua vez coincide com o eixo da engrenagem planetária. As engrenagens podem girar em torno do próprio eixo ou em torno do eixo da engrenagem planetária. Completando o conjunto, temos a engrenagem anel, uma engrenagem no qual planetária e satélites estão engrenadas internamente a ela. Na parte interna da engrenagem anel estão dispostos os dentes que engrenam nas satélites, e estas por sua vez, engrenam na planetária. As relações das engrenagens contidas no trem epicicloidal são obtidas através do travamento de uma das engrenagens deste, assim se obtém diferentes reduções ou desmultiplicações.

Parking gear / Engrenagem de estacionamento:

gearbox21

Basicamente, a engrenagem de estacionamento são dentes usinados no suporte das engrenagens satélites de um dos trens epicicloidais. Os dentes são retos, e sua função é engrenar com o gancho da alavanca que é acionada quando selecionamos a posição “P” (Parking), assim a caixa de marchas fica totalmente travada e nenhum torque é transmitido as rodas, bem como estas ficam travadas.

Embreagem:

Crédito foto: http://www.amsoil.com/

Crédito foto: http://www.amsoil.com/

Neste caso, o que chamamos de embreagem na caixa de marchas automáticas possui uma função diferente da embreagem das caixas manuais. Elas são um conjunto de discos de dois tipos, um deles feito em aço, com dentes internos e externos, e outro feito em material resistente a fricção (assim como nos discos de embreagem), este por sua vez é montado entre os discos de aço. A embreagem é então um conjunto de discos montados externamente à engrenagem anular, nesta, apenas os discos de aço engrenam e giram solidário. Cada trem epicicloidal possui sua embreagem, com atuadores eletro-hidráulicos responsáveis por travar dos discos da embreagem, logo o trava-se o respectivo trem epicicloidal.

Central eletro-hidráulica:

Crédito foto: http://www.yas-group.com/

Crédito foto: http://www.yas-group.com/

É a ECU da caixa de marchas automática, esta controla todos os atuadores que o sistema possui. O sistema, através de informações de sensores do sistema de injeção, posição da alavanca de cambio, dos pedais de freio e do acelerador, controlam os atuadores que liberam ou travam as embreagens dos trens epicicloidais. As marchas são trocadas quando, a ECU desaciona uma eletro-válvula e aciona outra, ou seja, travando um trem e liberando outro. Dessa forma é possível a troca de marchas com o mínimo de trancos e a máxima suavidade.

CVT – Transmissão Continuamente Variável / Continuously variable transmission

Os componentes básicos para o cambio CVT de polias variáveis são:

Correia trapezoidal (V) de borracha / Correia de metal / Corrente:

Crédito foto: http://www.dragonfireracing.com/

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Independente de ser correia ou corrente, e do seu material de fabricação, ambas possuem a função de ser o meio de transmissão de torque da polia motora para a polia movida.
As correias de borracha são correias trapezoidais, ou também chamadas de correia V, pois sua sessão transversal possui a forma de V, geralmente com ângulos de 20. Embora sejam mais baratas em relação as correias de metal e correntes, as correias V de borracha são ruidosas, além de possuírem um limite de torque máximo suportável inferior as suas similares metálicas, o deslizamento da correia de borracha impediria a transmissão do torque máximo.

Crédito foto: http://www.autoguide.com/

Crédito foto: http://www.autoguide.com/

As correias de metal ou correntes são claramente mais resistentes que as correias trapezoidais, emitem menos ruídos e admitem maior torque a ser transmitido por ela. Contudo, são mais caras de serem fabricadas. Correias de metal são feitas com duas cintas compostas por diversas camadas de feixes metálicos, entre as cintas estão lâminas metálicas projetadas em formato que sempre permita o encaixe com as polia, em qualquer variação do diâmetro desta, vale ressaltar.

Polias variáveis:

Crédito foto: http://www.hybridcars.com/

Crédito foto: http://www.hybridcars.com/

São polias metálicas capazes de variar o seu diâmetro, estão dispostas em par dentro da caixa de marchas. As polias são compostas por duas metades cônicas, que podem se deslocar uma em relação a outra, se distanciando ou aproximando. Esse deslocamento é possibilitado por meio de pistões, estes controlados pela ECU da caixa de marchas. Quando acionados, as metades se aproximam, aumentando o diâmetro da polia, logo, quando reduzida a pressão de óleo sobre o pistão, as metades se afastam reduzindo o diâmetro da polia. O diâmetro mínimo e máximo do par de polias, é o que determina as relações do sistema de transmissão.

Árvores primária e secundária. Crédito foto: http://www.avtoakpp-cvt.com/

Árvores primária e secundária.
Crédito foto: http://www.avtoakpp-cvt.com/

Árvore primária: Possui a mesma função que nas demais caixas de relações, sua diferença é acionar as embreagens de marcha à ré e de marcha a frente. É acionado pela turbina do conversor de torque, no qual seu estriado se encaixa.

Árvore secundária: Fornece o torque reduzido ou desmultiplicado pelo conjunto de polias variáveis, sendo acionado pela polia movida do par de polias. A árvore secundária aciona o diferencial, que então envia o torque para as rodas.

Cambio automatizado

Como dito em outra sessão da matéria, o cambio automatizado pode ser de embreagem simples ou dupla. No primeiro caso, a caixa de marchas é idêntica a caixa utilizada em transmissões manuais, enquanto que no segundo, existe uma caixa própria, e desta detalharemos seus componentes básicos.

Árvores primárias:

Crédito foto: http://www.autoparts.uk.com/

Crédito foto: http://www.autoparts.uk.com/

Embora tenha a mesma função em relação aos demais tipos de caixa de marchas, a aplicação em câmbios automatizados requer duas árvores primárias. Entretanto, estas são concêntricas, uma passa por dentro da outra e acionam engrenagens diferentes. A árvore externa aciona as engrenagens das marchas pares, enquanto que a interna aciona as engrenagens das marchas ímpares. As árvores estão ligadas a dupla embreagem, mais precisamente, a cada conjunto de embreagem par e ímpar.

Árvores secundárias:

gearbox29

São as árvores que transmitem o torque reduzido ou desmultiplicado para o diferencial ou para o cardã. Na aplicação automatizada, são necessárias duas árvores secundárias. Igualmente à aplicação nos câmbios manuais, as árvores secundárias contem as engrenagens responsáveis pelas marchas e os conjuntos sincronizadores, que funcionam da mesma forma que nas caixas manuais. Cada engrenagem das árvores secundárias engrenam com as engrenagens da árvore primária, as relações obtidas destes engrenamentos, são as marchas acionadas pelos garfos seletores. Na extremidade de cada árvore secundária, está montado um pinhão, e este engrena com o diferencial.

Garfo seletor:

gearbox30

Peça idêntica ao garfo seletor que equipa as caixas manuais, também realizam a mesma função, acionar as engrenagens das marchas. Entretanto, como os garfos são controlados por atuadores eletro-hidráulicos, aqueles dispõem de pontas magnéticas, que em seu movimento de vai e vem, são detectadas por sensores. Os sensores enviam para a ECU do cambio, a informação da posição do garfo, e assim é possível identificar a marcha engatada no momento.

Funcionamento:

Caixa de marchas manual

Quando o disco de embreagem é pressionado contra o volante do motor, aquele passa a transmitir o torque do motor à árvore primária que o é conectada. Assim o motor passa a girar a árvore primária, que possui uma engrenagem em sua extremidade e está engrenada com outra engrenagem, esta pertencente a árvore intermediária. Esta gira de acordo com a relação obtida entre a engrenagem da árvore primária e da árvore intermediária. Na árvore intermediária estão engrenagens que giram solidárias a aquela, estas estão engrenadas com as engrenagens da árvore secundária, que giram sem transmitir torque algum.

Crédito foto: Mercedes-Benz

Crédito foto: Mercedes-Benz

No momento que, com a alavanca de mudanças, selecionamos uma marcha, estamos deslocando o garfo seletor, que empurra o conjunto sincronizador contra a engrenagem da marcha pedida. O conjunto sincronizador arrasta consigo o anel retardador, que sincroniza a velocidade de giro daquele (velocidade da árvore secundária) com a velocidade de giro da engrenagem. Assim, a relação da marcha selecionada é obtida pelo produto da relação entre a engrenagem da árvore primária e intermediária, com a relação entre a engrenagem que está engrenada com a engrenagem da respectiva marcha, esta última na árvore secundária. Dessa forma, a árvore secundária transmite o torque reduzido ou desmultiplicado pela relação entre as engrenagens. Ao mudar de marcha, o processo é o mesmo.

Esquema de marchas: 

O esquema abaixo irá exemplificar o funcionamento de um cambio manual básico de quatro marchas:

Ponto morto:

Crédito foto: SMO - SENAI.

Crédito foto: SMO – SENAI.

Quando colocamos a alavanca em uma posição que não é relativa a nenhuma marcha, longe dos cantos indicados no diagrama do pomo do cambio, dizemos que câmbio está em ponto morto, ou seja, os conjuntos sincronizadores estão em suas posições de repouso. Nenhuma engrenagem está engatada pelo conjunto sincronizador, portanto as engrenagens giram loucas, sem transmitir torque algum.

Primeira marcha:

Crédito foto: SMO - SENAI.

Crédito foto: SMO – SENAI.

É a marcha que possibilita o veículo partir da inércia, portanto precisa de muita força. Para isso, a engrenagem da árvore intermediária é menor que a engrenagem na árvore secundária. Neste caso temos uma redução da velocidade do motor, com o consequente aumento de torque, que é transmitido pela árvore secundária.

Segunda marcha:

Crédito foto: SMO - SENAI

Crédito foto: SMO – SENAI

Quando passamos da primeira para segunda marcha, temos então superado a inércia, precisamos de mais velocidade. Logo a engrenagem da árvore intermediária que engrena com a engrenagem da segunda marcha na árvore secundária, é um pouco maior do que a engrenagem anterior. A engrenagem de segunda marcha também tem seu tamanho reduzido em relação a engrenagem de primeira marcha. Assim, temos um pouco mais de velocidade, e menos torque.

Terceira marcha:

Crédito foto: SMO - SENAI.

Crédito foto: SMO – SENAI.

Quando passamos da segunda para terceira marcha, o torque já não é mais tão influente, sendo por esse motivo que esta nova relação produz mais velocidade. Para isso, temos que a engrenagem da árvore intermediaria, que engrena com a engrenagem da terceira marcha, é maior que as duas anteriores. O inverso ocorre com a engrenagem da árvore secundária, no caso a terceira, ela é menor que as duas engrenagens anteriores, de segunda e primeira marchas.

Quarta marcha:

Crédito foto: SMO - SENAI

Crédito foto: SMO – SENAI

Neste exemplo a quarta marcha é a última, mas atualmente o mínimo de marcha que um carro disponibiliza é cinco. O mesmo funcionamento para esta quarta marcha, vale para toda em qualquer última marcha de qualquer cambio manual em que temos uma prise direta. O conjunto sincronizador, passa a acoplar este à árvore secundária. Dessa forma, a relação de marcha passa a ser de 1:1, mesmo assim existem casos, em que a última marcha passa a ser uma desmultiplicação, ou seja, a árvore secundária gira mais rápido do que o motor, o chamado overdrive.

Marcha à ré:

Crédito foto: SMO - SENAI.

Crédito foto: SMO – SENAI.

A marcha à ré, para ser possível, deve ter uma engrenagem entre as engrenagens de ré e da árvore intermediária. Essa engrenagem, chamada de engrenagem intermediária ou inversora, é a responsável por inverter o sentido de giro da árvore secundária. Além disso, a marcha à ré possui uma redução na mesma proporção da primeira marcha, que possibilite o veículo vencer a inércia. Geralmente, a engrenagem da marcha à ré é fabricada com dentes retos, por isso são tão ruidosas.

Cálculo da velocidade de troca e velocidade máxima de cada marcha

Crédito foto: http://www.damec.ct.utfpr.edu.br

É muito simples calcular as velocidades de troca de cada marcha, e velocidade máxima de cada marcha do veículo. Para isso basta ter alguns dados a cerca do veículo, estas informações são encontradas em manuais e, algumas, em revistas especializadas. São elas:

  • Relação de transmissão da marcha (I);
  • Rendimento de cada marcha (R);
  • Relação do diferencial (Id);
  • Rendimento do diferencial (Rd);
  • Rotação máxima do motor;
  • Rotação de potência máxima;
  • Rotação de torque máximo;
  • Raio do pneu (r).

Para realizar o cálculo são necessárias algumas equações. Para calcular a rotação de troca de marcha, ou seja, a rotação ideal para troca de marcha aproveitando toda a faixa de torque do motor, dado importante para motoristas que procuram guiar dentro da faixa econômica, basta utilizar a equação abaixo:

  • η(troca) = η(máxima) ⋅ (Iseguinte / Iatual)

Onde:

  • η – Rotação em RPM;
  • I – Relação de marcha.

Uma vez com a informação da rotação de troca ideal, basta utilizar essa informação na equação de velocidade em função das relações de marcha, do diferencial e da rotação que sai da caixa de marchas.

  • V = [(2Πη/60) ÷ (I ⋅ Id ⋅ R ⋅ Rd)] ⋅ r ⋅ 3,6

O termo 3,6 está na equação para converter o valor numérico para a unidade de quilômetros por hora (Km/h). A equação acima pode ser utilizada também para encontrar a velocidade máxima de cada marcha, bastando substituir na incógnita referente a rotação (η), o valor da rotação máxima do motor.

Dessa forma, com os valores obtidos para cada marcha temos informações para construir o gráfico de rotação por velocidade. A partir desse gráfico podemos visualizar o quanto o motor reduz sua rotação após uma troca de marcha, e assim saber se a relação de marcha está adequada ou não. É possível, também verificar se ocorre uma queda muito grande de rotação a ponto desta estar abaixo da rotação de torque máximo, ou se essa queda coloca o motor na rotação de torque máximo ou um pouco acima desta, o que seria o ideal. Assim é possível ter um prévia do desempenho do veículo e projetar as engrenagens da caixa de marcha e o diferencial de acordo com as relações adequadas para o propósito deste.

Vamos tomar com exemplo o seguinte caso ilustrado na tabela abaixo:

Engrenagens Relação de transmissão Rendimento
Diferencial 4,11 0,99
Primeira 3,46 0,98
Segunda 2,33 0,98
Terceira 1,44 0,98
Quarta 1 0,98
Quinta 0,8 0,98

A tabela acima indica as informações da caixa de marcha e do diferencial do veículo fictício em questão. Abaixo vemos a tabela com dados do motor:

Rotação máxima (RPM)
8000
Rotação de torque máximo (RPM)
4500
Rotação de potência máxima (RPM)
6500

Com essas informações, basta aplicar as fórmulas acima e chegaremos ao seguinte gráfico:

 

Neste podemos visualizar as velocidades máximas de cada marcha, bem como as rotações nas quais cada marcha perde quando é trocada. As linhas horizontais em vermelho representam a faixa de torque máximo e potência máxima. Perceba que em todas as marchas, a queda de rotação permanece entre a linha de torque máximo e a linha de potência máxima. Isso significa que, após a troca o veículo terá boa disposição para ganhar velocidade.

Caixa de marchas automática

gearbox37Ao ligar o motor, o torque deste funcionando em marcha lenta é muito baixo, não suficiente para girar a turbina do conversor de torque. Quando aceleramos, o torque aumenta e a turbina começa a girar. Consequentemente a árvore primária da caixa de marchas também começa a girar, a ECU do cambio entende que o motorista quer se deslocar, e comanda os atuadores para prover o travamento dos trens epicicloidais, de forma a deixar apenas um girando, neste caso, o da marcha a ser utilizada naquele momento. As relações entre a quantidade de dentes das engrenagens planetária e anel definem a relação de marcha utilizada. A medida que o veículo ganha velocidade ou o motorista altera a pressão aplicada ao acelerador, a ECU do cambio vai mudando de marcha, objetivando a utilização da marcha mais adequada. Quando a condução do veículo se faz em estrada, em velocidade de cruzeiro, a central eletrônica comanda os atuadores para acionar a marcha mais alta, ou seja, a última. Na maioria dos casos, esta é uma sobremarcha (overdrive), no qual a velocidade do motor é menor que a velocidade da árvore secundária. Dessa forma, é possível obter um rodar econômico, além de macio e com pouco ruído do motor, pois a rotação passa a ser bem baixa (cerca de 2000 – 3000 Rpm).

CVT – Transmissão continuamente variável / Continuously variable transmition

gearbox38O torque motor também é transmitido a árvore primária através de um conversor de torque, aquela esta ligada diretamente a polia motora. Quando o motor está em funcionamento, a rotação da árvore primária aciona uma bomba de óleo interna à caixa de cambio, a bomba pressuriza o óleo que irá alterar o diâmetro das polias motora e movida. Quando aceleramos, a ECU entende a ideia de se deslocar, e comanda os atuadores responsáveis pelos os pistões que alteram o diâmetro das polias, a relação entre o diâmetro destas, é a relação de marcha necessária a exigência imposta ao veículo naquele momento. De acordo com informação de diversos sensores do sistema eletrônico do veículo, a ECU do câmbio comanda os atuadores de forma a combinar o diâmetro das marchas de acordo com a necessidade de torque. Por exemplo, quando partimos da inércia, o diâmetro da polia motora é o menor possível, enquanto o diâmetro da polia movida é o maior possível. E a medida que ganhamos velocidade, a necessidade de torque diminui, e a potência se faz mais necessária, assim a ECU comanda novamente seus atuadores para alterar o diâmetro das polias de acordo com o torque resistente imposto ao veículo. Assim é possível extrair mais torque do que rotação na saída da árvore primária.

Caixa de marchas automatizada

Crédito foto: http://www.mathworks.com/

Crédito foto: http://www.mathworks.com/

A caixa automatizada é o que há de mais semelhante a caixa de marchas manual, naquela temos uma embreagem dupla que está conectada a árvore primária da caixa automatizada. Quando o motor está em funcionamento, o veículo parado e colocamos a alavanca na posição D, a embreagem correspondente a primeira marcha é acionada. Atuadores comandam o garfo seletor que empurra o conjunto sincronizador contra a engrenagem da primeira marcha. Antes mesmo de alcançar a rotação de troca de marcha, a ECU do cambio já comanda o pré-engrenamento da segunda marcha, e as demais trocas acima, ocorrem da mesma forma. No momento de uma redução, novamente, a ECU já comanda o conjunto sincronizador para pré-engatar a marcha a ser reduzida. De acordo com as informações obtidas dos diversos sensores do sistema eletrônico e injeção eletrônica, a ECU comanda a troca de marcha no momento mais favorável a um condução econômica. No momento da troca, ocorre apenas o desacionamento da embreagem da marcha engatada, para o acionamento das marchas pré-engatadas, seja para redução ou avanço de marcha. Dessa forma é possível trocar de marcha com o máximo de rapidez (8 milissegundos), e o mínimo de solavancos.

Principais defeitos
Dentes de engrenagem arrancados, desgaste excessivo, situação extrema. Crédito foto: http://www.msprotege.com/

Dentes de engrenagem arrancados, desgaste excessivo, situação extrema.
Crédito foto: http://www.msprotege.com/

Nas caixas de câmbio manuais, as mais comuns no mercado, alguns problemas são bastante conhecidos das oficinas de reparação automotiva. Convenhamos, mesmo sendo um componente de longa vida útil, ocorre desgaste nos seus componentes, principalmente os giratórios. O desgaste mais comum é o das engrenagens, com o uso estas, mesmo sobre constante lubrificação, se desgastam expelindo pequenas limalhas de óleo, que ficam concentradas no parafuso (imantado) de dreno do óleo do câmbio. A consequência desse desgaste são ruídos, mais precisamente, roncados que são escutados de dentro do veículo. Esses roncados podem ser originados tanto do desgaste das engrenagens, como pelo fim da vida útil dos rolamentos, em caso mais extremos pode ser gerado em decorrência de algum vazamento de óleo. Com menos óleo, os ruídos aumentam, além do desgaste.

Outro problema corriqueiro em câmbios manuais, são as marchas que escapam durante a condução, ou seja, quando engrenadas, desengrenam como se o acoplamento do conjunto sincronizador e a engrenagem não estivesse sido realizado corretamente. Este é um caso de conjunto sincronizador desgastado, que não consegue mais se manter acoplado a engrenagem, as superfícies de atrito do cone fêmea do conjunto sincronizador não desempenham a mesma fricção de quando novas, além dos dentes do anel retardador estarem desgastados e não proverem o perfeito acoplamento na engrenagem. Então, o conjunto sincronizador é expulso da engrenagem, o que chamamos de “escapada de marcha”. Este problema, é o agravamento do problema de marchas arranhando, ou seja, marchas que não conseguem serem engatadas com a mesma facilidade de antes, o conjunto sincronizador não consegue mais alinhar as velocidades da árvore secundária com a da engrenagem, então elas não acoplam corretamente e arranham, produzindo um ruído característico.


Acadêmico de Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Ceará (UFC), Técnico em mecânica automotiva pelo Senai-CE e IFCE, certificado Six Sigma Green Belt. Profissional dedicado a área automobilística, com 8 anos de experiência no mercado automotivo, do setor de peças a qualidade em montadoras. Atualmente participa do projeto de extensão Siara Baja da Universidade Federal do Ceará.

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