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Como entender as transmissões

Veja aqui conceitos, terminologia e dicionário das caixas de câmbio.

10.11.2015 | 21:59 (UTC -3)

Na primeira parte desta série dedicada às transmissões analisou-se sua missão específica: modificar simultaneamente o torque e a rotação que vem do motor. Partindo desta idéia, vamos analisar os distintos componentes que uma transmissão inclui. Para isto, vejamos primeiro os caminhos que pode seguir a transmissão.

O caminho da transmissão

Pensemos que estamos situados no virabrequim de um motor como em uma estação de saída de trens e que as rodas motrizes é a estação de destino que vamos tomar. Consideremos somente o trajeto “motor-rodas” traseiras e deixemos outros itinerários para outra ocasião, como o “motor-rodas” dianteiras e o motor-tomada de potência, para não falar dos múltiplos trajetos como aqueles cujo destino são os elementos que o próprio motor precisa acionar para seu funcionamento, como o ventilador, diversas bombas e todos os mecanismos do sistema hidráulico.

Nosso percurso passaria então pela embreagem, a caixa de câmbio, o diferencial e as reduções finais.

Para que servem cada um desses elementos?

A embreagem

A embreagem permite tornar o motor independente das rodas, isto é, que o motor gire e as rodas estejam paradas. Se a transmissão for mecânica, isto não é possível, ao menos que exista algo que permita separá-los, já que, se estivessem unidos e um extremo parasse, o outro também pararia. No entanto, quando intervém a hidráulica, a coisa muda, porque já não há uma união mecânica completa entre o motor e as rodas. Por isso, quando há uma embreagem hidráulica (turboembreagem) ou uma transmissão hidrostática, em teoria, não há necessidade da embreagem (no entanto, sempre vem a prática, que sempre é diferente da teoria).

Tradicionalmente, a embreagem se situa depois do motor, antes da caixa de câmbio. Normalmente existe um pedal para comandar seu funcionamento. Quando não se pisa o pedal, a potência circula do motor para a caixa de câmbio. Diz-se que a embreagem está “embreada”. Pisar a embreagem é “desembrear”, isto é, deixar de transmitir o movimento do motor à caixa de câmbio.

Tradicionalmente, a embreagem é do tipo mecânico, de discos. O funcionamento é simples. O virabrequim e o eixo de entrada à caixa de câmbio (se costuma chamá-lo de primário) não são os mesmos. Este primário é unido a um disco que gira com ele e, por sua vez, pode deslocar-se, porque o eixo primário e o disco são estriados. Se o disco se desloca até o volante do motor e “cola” por aderência ao mesmo (aproveitando a grande superfície do volante), ambos girarão juntos. Transmissão embreada. Quando se separam, o movimento não se transmite à caixa de câmbio. Transmissão desembreada. O encarregado de deslocar o disco é o “prato de pressão” que, tradicionalmente, se move graças a uma série de mecanismos acionados pelo movimento do pedal da embreagem.

Como princípio de funcionamento, devemos recordar que a embreagem é um transmissor de torque. Não o modifica. Ou manda ou não manda, o que também se pode descrever como colado ou descolado, mas, em ambas situações, sem mover-se com relação à embreagem. Assim deve funcionar. Precisamente o incorreto é que não trabalhe nestas duas condições extremas. O termo “colado” é muito intuitivo para descrever estas duas condições de funcionamento, porque se o disco está “mais ou menos colado” é porque não está colado totalmente ao volante, está se movendo e este atrito desgasta sua superfície prematuramente. No entanto, todos temos pisado muitas vezes o pedal “mais ou menos” para evitar que se apague o motor em algumas manobras difíceis. É um pecado, mas o grave é fazê-lo trabalhando (transmitindo muito torque), como temos visto algumas vezes em tratores arando. Poderia-se pensar em colocar uma recomendação no manual de instruções desta forma:

Atenção!!!! Durante o trabalho de tração, manter o pé longe do pedal de embreagem.

Inicialmente as embreagens de disco eram “a seco”, mas agora são em banho de óleo, que tem uma duração e rendimento superiores (Quando se diz “rendimento” nos estamos referindo, claro, à capacidade de transmitir torque motor).

Com a entrada da hidráulica nos veículos para “assistir” as operações que antes se faziam à base da força muscular de braços (ou pés), aparecem as embreagens mecânicas de acionamento hidráulico. A embreagem, em si, é igual, com disco (ou discos), mas o prato de pressão é substituído por uma série de pistões acionados por óleo, cuja missão é deslocar o disco contra o volante. Neste caso, quando não se pisa a embreagem (embreado), é porque o distribuidor hidráulico do sistema manda óleo com pressão aos pistões para que colem o disco ao volante. A embreagem “atua”. Quando se pisa a embreagem (desembrear), se libera a pressão sobre os pistões e o disco se separa. A embreagem “não atua”.

O termo embreagem de discos de acionamento hidráulico transcende ao mecanismo anterior (associado ao volante do motor). Em muitos outros elementos da transmissão se verá este tipo de elemento, com o mesmo fundamento que a embreagem anterior, mas com a estrutura de dois jogos de discos (porque já não há um disco, e sim vários), dois eixos e pistões para pressionar um jogo de discos contra o outro. Cada um dos jogos de discos é unido a um eixo. Com o óleo sob pressão, os pistões aproximam os jogos de discos e os dois eixos giram a igual velocidade. Diz-se que “atua” a embreagem ou posição “embreada”. Se o óleo não tem pressão, os dois eixos são independentes. A embreagem “não atua” ou posição “desembreada”.

As restrições de emprego da embreagem mecânica são duas: o salto para frente que o trator pode dar e o fato de apagar o motor. Se ao embrear, o motor tem força suficiente para a carga que tem que vencer (por exemplo, entrar em movimento em uma subida), porque se pisou no fundo o acelerador, o veículo sai bruscamente e dá um salto para frente. Se, ao contrário, o motor não tem força, se apagará. Resumindo, a embreagem mecânica deve ser de:

• Ação progressiva (para evitar saltos).

• Ação total (tudo ou nada, não há meio termo).

Para corrigir estes problemas da embreagem mecânica apareceu a embreagem hidráulica (turboembreagem), na qual não há uma união mecânica (disco) entre o motor e a caixa de câmbio. A transmissão se faz entre duas meias-rodas providas de aletas (palhetas), uma unida ao motor e a outra ao eixo primário da caixa de câmbios. Ambas meias-rodas se juntam para formar uma câmara que tem um óleo especial. A câmara é como uma roda de um trator, lastrada com água (neste caso, óleo) que estivesse dividida em duas pelo plano médio e tivesse as garras (muito perpendiculares à direção de deslocamento) por dentro, ao invés de por fora. Ao acelerar o motor, a meia-roda unida a ele começa a impulsionar o óleo com suas palhetas. O óleo adquire velocidade e choca contra as palhetas da meia-roda unida ao primário da caixa de câmbios. A velocidade do óleo produz uma força centrífuga que é a que acaba arrastando a roda da caixa de câmbios e transmitindo o torque motor, da mesma maneira que a embreagem mecânica é um transmisssor de torque e não o modifica. Consegue-se arrastar o primário na mesma velocidade do motor e, se não consegue porque a velocidade do motor não produz suficiente força centrífuga para arrastá-lo, se dedica a “mover” o óleo no interior da câmara. Por isso, este óleo deve ter uma série de aditivos (antiespumante, etc) e não é conveniente que esteja assim muito tempo, porque também se aquece. Mas o interessante é que o motor não se apaga, porque pode seguir funcionando mesmo que as rodas parem. Além disso, tampouco haverá saltos do trator, porque a inércia do óleo até que a tração comece faz com que, ainda que se levante o pé bruscamente, a entrada em funcionamento seja progressiva e suave.

A teoria nos diz que uma embreagem hidráulica suaviza o funcionamento, evita que se apague o motor e haja necessidade do “tudo ou nada” e ... elimina a embreagem. Já não a necessitamos. Com o motor, “traciono” ou não. No entanto, tem também seus condicionantes: Diferentemente da embreagem mecânica, não se chega a produzir a independência absoluta “motor-transmissão”. Seu problema é, sim, a opção “desembrear”, que aqui consistiria em “deixar de acelerar”. Inclusive com o motor quase “morto”, sempre há um certo “arraste”, devido a que sempre circula óleo, ainda que seja com muito pouca força. Quando atrás da embreagem se encontra uma caixa de câmbios com dentes que devem engrenar-se (ainda que seja sincronizada), mover-se é um problema. Para a caixa de câmbios não tem a mínima graça. Tanto é assim que, a maioria dos veículos que tem embreagem hidráulica, tem, além dela, uma embreagem mecânica. Essa solução busca a comodidade (nada de saltos, nem motores apagados), mas também a independência na hora de engrenar.

Temos tudo (e o pagamos, claro).

A caixa de câmbio

A caixa de câmbio consiste no conjunto de elementos cujo objetivo é modificar o torque motor e o regime de rotação do virabrequim.

Além desse objetivo principal, com a caixa de câmbio se pode conseguir:

• Liberar a embreagem de manter a posição de “desembreado” com o veículo parado (ponto morto);

• Inversão do sentido de deslocamento do veículo (marcha a ré);

• Não parar o veículo para trocar de marchas (câmbio sincronizado);

• Não desembrear para cambiar (câmbio em carga).

Nem todas as caixas de câmbio contam com todas estas possibilidades. A estrutura é, em geral, modular, com sub-caixas postas em série e admite todo tipo de combinações nestas sub-caixas, umas são de câmbio em carga, outras são sincronizadas, outras agrupam a embreagem e o inversor, etc.

Nos projetos mais antigos, a caixa de câmbio era uma caixa de quatro ou cinco “marchas” com três eixos, o primário, o intermediário e o secundário. O eixo de entrada era o primário (que vinha da embreagem). Nesse eixo havia um pinhão que estava sempre engrenado com outra engrenagem situada no eixo intermediário. Nesse eixo, além disso, estavam outros três ou quatro pinhões, de distinto tamanho e número de dentes, todos girando solidariamente com o eixo, isto é, todos ao mesmo regime de rotação. No eixo de saída da caixa, o secundário tem uma série de pinhões, que formam par com os do intermediário. Cada par determina uma relação de transmissão, ou seja, uma “marcha”. Com esta disposição haveria quatro ou cinco marchas: os 3-4 pares dariam 3-4 marchas e a conexão direta do primário com o secundário outra mais. Quando nenhum par está “ativo”, a caixa se encontra em posição de ponto morto.

Para o comando da caixa há três possibilidades:

• Se a caixa é por “engrenagens deslizantes”, os pinhões do secundário são unidos com ele, mas em ponto morto não engrenam com nenhum do intermediário. As alavancas do câmbio deslizam, ao longo do secundário, a engrenagem que interesse para a marcha selecionada e o fazem engrenar com seu par.

• Se a caixa é por “deslizantes”, os pinhões do secundário estão “loucos” sobre o eixo, mas em união constante com seus pares do intermediário. Existem umas peças chamadas “deslizantes” que, como seu nome indica, são as que se deslizam pelo secundário. As engrenagens, não. Ao mover as alavancas do câmbio,se move o deslizante, que tem um dentado para engrenar com os dentados do lado às distintas engrenagens do secundário.

• Se a caixa é por “sincronizador”, se trata então de um deslizante provido de um dispositivo que iguala as velocidades dos dois elementos que vai unir (deslizante e pinhão do secundário), antes que se faça o engate dos elementos dentados ligados a cada um deles. Dessa maneira se facilita muito o acoplamento dos elementos dentados e não há necessidade de parar o veículo para trocar de marchas (mas sim pisar a embreagem).

A razão de parar ou não e pisar ou não a embreagem é similar ao exemplo da corrida de revezamento. Para entregar-se o bastão com certa segurança, deve ocorrer uma de duas opções: ou estão os dois parados ou vão os dois à mesma velocidade. Pois bem, quando há necessidade de encaixar um dentado em outro, ocorre o mesmo. Nos dois primeiros casos descritos, deve-se engrenar, por isso o veículo deve ser parado. Há “pequenas soluções” como a “dupla embreagem” (não confundir com a “embreagem dupla”) que se empregam para reduzir a marcha (passar a uma mais curta), mas são soluções de emergência. Pelo contrário, os sincronizadores permitem igualar as velocidades dos elementos que serão engrenados, assim não necessita parar o veículo. De outra forma, engrenar é necessário, não sendo necessário parar o veículo, mas se deixa de transmitir torque (sempre o torque...) porque é como se fôssemos pedir às engrenagens que suportem o torque, enquanto uns dentes tratassem de engatar-se nos outros, é demais. Portanto, com sincronizadores, deve-se pisar a embreagem.

A marcha direta, que se menciona em muitas ocasiões, se conseguia por meio de um acoplamento de garras que tinham tanto o primário como o secundário e, ainda que não fosse por engrenagens devia-se, encaixar as garras, isto é, não era sincronizada. Com esta disposição é necessário parar o veículo.

O normal é que uma destas quatro ou cinco marchas que tinha a caixa, fosse a marcha a ré que se consegue intercalando um pinhão adicional em um dos pares intermediário-secundário.

Depois veio a redutora. Tratava-se de uma caixa com duas velocidades que se colocava geralmente antes da caixa de marchas, de maneira que o eixo de saída da redutora se convertesse no primário da caixa de marchas. Se a redutora tem duas possibilidades, se duplica o número de velocidades da caixa de marchas. Em alguns casos, as relações dentro desta mini-caixa eram, uma marcha direta (nesta subcaixa, não confundir com a “direta” da caixa de marchas) e uma marcha mais curta ou reduzida, que dava nome à caixa.

Depois, começamos a aumentar as possibilidades. A redutora deixa de chamar-se assim, porque já não tinha duas marchas, e sim 3,4.... e passa a chamar-se caixa de gamas, denominando as diferentes relações (gamas) que se podiam conseguir com termos como: baixa, média e alta; A, B, C e D; curtas, médias e longas ou denominações similares. Se multiplicarmos as marchas de uma pelas da seguinte e, assim, sucessivamente, nos encontramos com tratores de 24, 48, 72 marchas. Muitíssimas opções, com as quais se começa a vislumbrar que necessitamos alguma coisa que nos ajude a “gerenciar” e tirar proveito de tantas possibilidades. Deve-se ir pensando em sistemas automáticos.

E o câmbio em carga? Aquele que não é necessário parar o veículo nem pisar a embreagem. Evidentemente, com os tipos de caixas descritas até agora não há solução. A forma de conseguir o câmbio em carga é:

• Com um conversor de torque

• Com pares de engrenagens de dentes retos comandadas por embreagens de acionamento hidráulico

• Com engrenagens planetárias

Dos três sistemas, o mais usado é o baseado em planetárias, que trataremos em outra parte desta série.

O conversor de torque é uma modificação da embreagem hidráulica. Tem suas duas meias-rodas com palhetas, mas além disto tem um anel, também com palhetas, chamado reator, que funciona de uma maneira muito peculiar. Assim como as duas meias-rodas, o reator somente pode girar em um sentido. Se estas giram a mesma velocidade, o reator as acompanha e o mecanismo trabalha como embreagem, transmitindo o regime de rotação e o torque. No entanto, se as duas meias-rodas não estão na mesma velocidade, em concreto, se a que está do lado de saída do mecanismo diminui sua velocidade porque o veículo assim o fez ante um aumento da resistência sobre o mesmo, o reator pára imediatamente e atua como elemento de apoio (daí seu nome) do óleo que circula. Este varia a direção na qual se move, com relação à que levaria se não houvesse reator e esta modificação da direção modifica também sua velocidade e, conseqüentemente, a força centrífuga e o torque transmitido. Neste caso, já não é uma embreagem. É, em essência, uma caixa de câmbios autônoma, que modifica o torque motor. Evidentemente, a modificação é sob carga. Nos tratores agrícolas não é um mecanismo muito difundido, pelo menor rendimento na transmissão com relação às transmissões mecânicas, mas são alternativas muito usadas em máquinas de movimento de terra.

No caso de câmbio em carga, com pares de engrenagens retos, comandados por embreagens de acionamento hidráulico, os órgãos de manobra são embreagens de discos de acionamento hidráulico. As engrenagens estão em movimento constante, mas não há deslizantes nem sincronizadores. Cada engrenagem do eixo de saída da caixa se associa a um dos jogos de discos de uma embreagem de acionamento hidráulico. No outro jogo de discos, cada embreagem é unida ao próprio eixo de saída da caixa de câmbio. O movimento das alavancas de câmbio o que faz é, “ordena” ao distribuidor do sistema hidráulico que comanda a caixa, que envie óleo sob pressão à embreagem que interessa, de maneira que o eixo de saída tome a velocidade da engrenagem que está associada a esta embreagem. Para uma caixa com muitas marchas, o problema desta solução é o excessivo número de embreagens que necessita.

O câmbio em carga por excelência nos tratores agrícolas está baseado nas engrenagens planetárias, mas esse tipo de engrenagens requer uma dedicação especial. Como conceito, deve-se mencionar que é uma solução compacta, que oferece muitas possibilidades e que, para transmissões em que a potência se baseia em altos torque e baixas velocidades, fica muito atrativa a possibilidade de repartir o torque entre um maior número de dentes do que com um único par, como ocorre com as engrenagens em eixos paralelos.

Diferencial

Nesta parte da série de artigos, do diferencial somente deve-se mencionar sua missão (pois será objeto, também, de um capítulo aparte).

Como seu nome indica, o diferencial tem como objetivo permitir diferenças de velocidade entre as rodas de um eixo motriz, para que possam fazer curvas.

Como objetivo complementar, realiza uma forte redução das rotações (ou um forte incremento do torque) mediante o engate pinhão de ataque-coroa.

O problema das rodas em uma curva é que temos uma série de elementos que devem permanecer alinhados quando fazem a curva. O exemplo é o desfile de uma tropa. O soldado que anda pelo interior vai com passinhos curtos e o que vai pelo exterior avança a passos longos. Nos veículos, se não há diferencial, o trabalho das rodas seria muito problemático. Vocês já notaram o incômodo que é dar a volta nos extremos dos corredores do supermercado com o carrinho de compras, que não tem diferencial? Sobretudo se o carro está cheio.

No caso do trator, vamos por partes:

• A velocidade de giro de uma roda (de qualquer uma) é igual a velocidade de deslocamento dividido pelo raio da roda (unidades de medida a parte)

• As rodas de cada eixo são do mesmo diâmetro

• É evidente que, em uma curva, a roda interior percorre menos caminho que a exterior.

• A velocidade de deslocamento da roda interior tem que ser menor que a da roda exterior e tendo o mesmo diâmetro, a interior tem que girar mais devagar.

• Quando um eixo é conduzido, não está unido cinematicamente ao motor. Que quer dizer isto? Quer dizer que a sua velocidade não vem imposta pelo motor. Neste caso, em uma curva estamos salvos. Como não foi imposta a velocidade, cada roda girará a velocidade que precise para fazer a curva.

• Quando o eixo é motor, a velocidade vem imposta e se o eixo que une as duas rodas fosse rígido, a velocidade de ambas rodas seria a mesma. Como se soluciona isto? Intercalando no eixo (que deixa de ser rígido) um mecanismo como o diferencial que permite conseguir estas diferenças de velocidade entre as rodas do mesmo eixo. Na linha reta vão à mesma velocidade, mas têm liberdade para comportar-se de maneira diferente na curva.

Os veículos de passeio têm resolvido o problema das curvas com o diferencial, mas os tratores têm o problema adicional do terreno (como sempre, o bandido do filme). Este mecanismo tão necessário pode ser um inconveniente em algumas condições sobre terreno solto e, nestes casos, deve-se “anulá-lo”. Por isto, os tratores (como outros veículos “off road” que compartilham com o trator a necessidade de enfrentar-se com um terreno não preparado para circular) dispõem a opção de “bloqueio do diferencial”.

Reduções finais

Os veículos que aproveitam a potência mediante torque (força) e a pequena velocidade se encontram com o problema de que nas transmissões o que lhes dói, claro, é o torque. Como a potência em um eixo em rotação é o produto do torque pelo regime de rotações, quanto menor seja este, maior será o torque, para a mesma potência transmitida. Os dentes das engrenagens devem resistir, forças maiores quanto maior seja o torque que transmitem e já se compreende que quanto maior a força suportada, maior qualidade (e custo) do material.

Interessa, pois, que a caixa de câmbio, sobretudo, tenha pouca redução de rotações do motor, ou pouco incremento de torque, deixando para depois da caixa fortes reduções. Já dissemos antes que no diferencial se faz uma grande redução no mecanismo pinhão de ataque-coroa. Os tratores, além disto, deixam uma última redução (daí seu nome de “redução final”) no próprio eixo das rodas motrizes.

As reduções finais mais difundidas (ainda que não sejam as únicas) são do tipo de transmissão por planetárias.

independente ou à marcha a ré

Com o esquema tradicional de caixa de marchas e redutora, a marcha a ré era uma das opções da caixa de marchas. Depois, com a organização em “caixa de gamas” e “caixa de marchas”, a marcha ré se converte em uma marcha a mais, para ter várias possibilidades de funcionamento também para trás. À frente (ou entre as caixas), a embreagem de marcha, independe das sub-caixas.

Nos últimos anos se aumentou o emprego de uma sub-caixa de câmbios que agrupa as funções da embreagem e a marcha ré, comandada por embreagens e freios de acionamento hidráulico. São os inversores em carga, que normalmente têm três possibilidades de funcionamento: neutro, à frente e para trás. Neste caso, o conceito tradicional de embreagem (conectado ou não conectado) se modifica porque as posições de trabalho são:

• À frente: seria equivalente a embreado;

• Neutro: seria o equivalente a desembreado;

• Para trás: marcha a ré.

A diferença está em que, ao estarem combinados no mesmo mecanismo a embreagem e a marcha a ré, para conseguir as funções embreado e desembreado deve-se jogar com os dois órgãos de comando do inversor, geralmente um freio e uma embreagem. Em posição “à frente” (embreado), a embreagem tem que estar atuando, mas isto não basta, que, necessariamente, o freio tem que estar desativado. Na posição “neutro” (desembreado) a embreagem e o freio não atuam. Em “marcha a ré”, atua o freio, mas, necessariamente, a embreagem não deve atuar. A diferença é que antes a embreagem era independente e agora está associada com a marcha a ré.

Estes mecanismos costumam estar baseados também em engrenagens planetárias (ainda que nem sempre) e de suas posições de trabalho; a mais curiosa é a neutra. Vejamos por que:

Na embreagem tradicional ou independente há dois eixos, o de entrada e o de saída

• Na posição “embreaado”, estão unidos através do sistema de discos unidos a ambos

• Na posição “desembreado”, são absolutamente independentes um do outro.

No inversor, pela associação da embreagem e da marcha a ré, há 3 eixos: entrada, saída e outro intermediário ou auxiliar do mecanismo. Se o inversor é por planetárias, existem sempre os tres eixos.

• Na posição “à frente”, dois eixos estão unidos e o terceiro não deve estar freado. Todo o conjunto gira a uma velocidade igual.

• Na posição “a ré” o freio imobiliza o eixo intermediário, e o eixo de saída gira no sentido contrário (e a velocidade que seja, geralmente algo maior) que o de entrada. É lógico, a embreagem não atua.

• Na posição “neutra” não atuam nenhum dos órgãos de comando, o movimento chega do motor ou da caixa anterior e o eixo de saída pára.