O que é a Transmissão? (Parte I)

Transmissões 

Compreensão dos fenómenos básicos sobre sistemas de transmissão em veículos automóveis.

- Descoberta dos principais órgãos de transmissão e objetivos de funcionamento.

É bastante frequente a confusão na mente da maioria das pessoas acerca das diferentes configurações de funcionamento de diversos produtos do ramo automóvel.

Como é compreensível, a estratégia tecnológica aplicada a um determinado produto automóvel dependerá sempre do seu tipo de utilização, pelo que não fazem sentido algumas afirmações do tipo “A é melhor que B”.

Por exemplo, se ter um binário (força motora) elevado fosse motivo para dizer que um produto é melhor que a maioria dos seus pares, então, a generalidade  das pessoas utilizaria tratores agrícolas para se deslocar no dia-a-dia.

Ter “mais isto ou menos aquilo” num determinado produto automóvel, não faz com que seja melhor ou pior. Primeiro, devemos saber para que foi concebido (objetivo de utilização), depois devemos conhecer as tecnologias disponíveis no mercado para esse tipo de utilização e, só depois, se poderá fazer uma análise correta sobre as vantagens e desvantagens dessas tecnologias face ao uso que pretendemos.

Um dos capítulos que mais controvérsia suscita no ramo automóvel é o capítulo das transmissões – forma de transmitir movimento do motor para as rodas. Já sabemos que para transmitir movimento do motor para as rodas de um automóvel temos de nos socorrer de uma caixa de velocidades (de modo a podermos dosear mais força ou velocidade no veículo), pelo menos um diferencial (órgão que permite mudar a direção do movimento que provém do motor para as rodas e permitir que estas assumam diferentes velocidades) e, finalmente, veios de transmissão que transportam movimento para os eixos do veículo (designados por semi-eixos quando levam movimento dos diferenciais para a rodas de tração).

É claro que, se o veículo em causa tiver mais do que um eixo de tração, a complexidade das transmissões aumenta, aumentando também a dificuldade de compreensão para a generalidade das pessoas.

É sobre este aspecto em particular que nos vamos debruçar, de modo a evitar afirmações incorretas.

Vamos então, gradualmente, partir dos conceitos mais simples para os mais complexos.

 

O que são transmissões ?

Transmissões são conjuntos de engrenagens que transportam movimento provindo de um motor de automóvel para as rodas de tração (rodas responsáveis por movimentar o veículo). Engrenagens são conjuntos de rodas dentadas que transmitem movimento entre si.  Na figura ao lado pode ver-se como é constituída uma roda dentada. Os dentes exteriores servem para “engrenar” com os dentes de outra roda a quem se pretenda transmitir movimento.

Na figura ao lado podemos ver o exemplo de uma engrenagem - emparelhamento de duas ou mais rodas dentadas. Neste caso pretende-se que a transmissão de movimento se mantenha na mesma direção – daí a razão dos veios que suportam as rodas serem paralelos. Como adiante se poderá concluir, este é o caso utilizado nas caixas de velocidades dos automóveis.

Se, porventura, pretendermos que o movimento a transmitir mude de direção (como o caso da figura ao lado), teremos de utilizar rodas dentadas cónicas (em formato de cone). Como se pode observar na figura, o movimento é transmitido de forma perpendicular (ângulo de 90º). Vamos descobrir mais adiante que este tipo de engrenagens revelar-se-á vital para o caso dos diferenciais de automóveis.

 

 

 

Como se consegue obter mais velocidade ou força (binário) na transmissão de movimento obtido a partir de engrenagens ?

Observemos as figuras seguintes:

Neste caso, podemos observar que o diâmetro das rodas é igual (rodas de igual dimensão). Assim sendo, facilmente podemos concluír que, quando uma completa uma volta em torno de si própria, a roda emparelhada descreve exatamente uma volta também. 

Contrariamente, no caso da figura ao lado, as rodas assumem dimensões muito díspares. Se a roda de maior dimensão for 6 vezes maior que a restante, por cada volta que der, obrigará a mais pequena a rodar 6 vezes. Neste caso, tratar-se-ia do objetivo de transmitir bastante velocidade – por cada volta na roda maior, várias voltas (6) na roda mais pequena. 

Vamos imaginar que a engrenagem da figura anterior faz parte de uma caixa de velocidades de um automóvel. Vamos partir do princípio que é a roda maior que recebe movimento do motor e a mais pequena que reenvia esse movimento para o diferencial do automóvel. A ser assim, se o motor do automóvel estiver a produzir 3.000 rotações por minuto, a roda mais pequena rodará a 3.000 x 6 = 18.000 rotações por minuto (por ser 6 vezes mais pequena do que a que recebe movimento do motor).

Vamos agora inverter o raciocínio. Vamos imaginar que é a roda mais pequena que recebe movimento do motor e a roda maior responsável por reenviar esse movimento “para fora da caixa de velocidades” em direção ao diferencial do automóvel.

Se assim for, por cada volta que a roda pequena der, a grande só rodará 1/6 de volta. Neste caso, se o motor de automóvel rodar a 3.000 rotações por minuto, transmitindo esse movimento à roda pequena, a grande transmitirá “para fora da caixa de velocidades” 3.000/6 = apenas 500 rotações por minuto em direção ao diferencial. A ser assim, trata-se de um caso de necessidade de transmissão de força, em detrimento da velocidade.

Podem perguntar alguns: “Já percebemos que, nestas circunstâncias anteriores, a rotação de saída na caixa de velocidades decresce face à rotação entregue pelo motor, mas como é que se produz força ?”

Muito simples ! Vamos ao conceito de binário:

Em termos físicos, binário é igual à multiplicação de um força por uma distância (B = F x d).

Vamos imaginar um cenário que conhecemos:

Quando temos um furo e pretendemos mudar o pneu utilizando uma chave de rodas demasiado pequena, temos de exercer muita força e, por vezes, nem conseguimos movimentar os pernos das jantes. No entanto, se utilizarmos uma chave de rodas de grande dimensão, exercendo a mesma força (a nossa força), facilmente conseguimos rodar os pernos. Isto acontece porque multiplicamos a nossa força por via de uma maior distância em relação ao ponto de aplicação (perno da jante).

Se transportarmos este fenómeno para a engrenagem exemplificada na figura anterior, rapidamente percebemos que a força exercida pelos dentes da roda mais pequena está a uma distância considerável do centro de rotação da roda grande. É este afastamento que permite multiplicar a força exercida pela roda mais pequena junto da maior.

Posto isto podemos concluír:

Quando uma roda pequena transmite movimento a uma roda maior, reduz-se a velocidade de transmissão mas aumenta-se a força a transmitir. Se for a roda maior a comandar o movimento, reduz-se a força de transmissão, mas aumenta-se a velocidade a transmitir.

 

 

Conceito de “rapport”.

Com base no que acabámos de descobrir, facilmente se percebe o conceito de “rapport” muito utilizado na “gíria” automóvel.

Se afirmarmos que a 1ª velocidade de uma caixa de velocidades de um automóvel tem “rapport” 3, isto quer dizer que o motor tem que dar 3 voltas para que saia apenas 1 volta da caixa de velocidades em direção ao diferencial – neste caso estamos a privilegiar a força em detrimento da velocidade. Como todos sabemos, as 1ªs velocidades servem apenas para gerar força e vencer o peso do automóvel no arranque (início da marcha).

Pelo contrário, se afirmarmos que a 5ª velocidade de uma caixa de velocidades de um automóvel tem “rapport” 0,7, isto quer dizer que por cada 0,7 voltas do motor, a caixa de velocidades transmite 1 volta ao diferencial – neste caso estamos a privilegiar a velocidade do veículo em detrimento da força.

 

Como se obtém a relação de transmissão (velocidade) em engrenagens ?

Consideremos “n” a rotação das rodas dentadas em que:

- n1 é a rotação da roda “mandante” (que envia movimento para outra roda)

- n2 é a rotação da roda “mandada” (que recebe rotação da anterior)

Consideremos “d” o diâmetro das rodas dentadas em que:

- d1 é o diâmetro roda “mandante” (que envia movimento para outra roda)

- d2 é o diâmetro da roda “mandada” (que recebe rotação da anterior)

Pela expressão “n1 x d1 = n2 x d2” obtém-se facilmente a resposta sobre o comportamento das engrenagens. Senão vejamos:

Imaginemos que uma roda dentada com um diâmetro de 6 cm transmite 1.000 rotações por minuto (roda 1 – mandante) a outra com 3 cm de diâmetro (roda 2 – mandada). Posto isto, queremos saber qual a velocidade imprimida na roda mandada (2).

Através de “n1 x d1 = n2 x d2”, obtemos:

1.000 x 6 = n2 x 3 ó n2 = 1.000 x 6 : 3 ó n2 = 2.000 rotações por minuto.

Resposta: A roda mandada rodará a 2.000 rotações por minuto se a mandante estiver a 1.000 rotações por minuto. Como a mandante tem o dobro do tamanho da mandada, a rotação transmitida duplica. Neste caso o “rapport” é de 2 – tamanho da mandante a dividir pela mandada (6 cm/3 cm = 2).

Extremamente fácil, não é verdade ?

Quando estiver a apreciar um catálogo de automóvel que contenha  informações sobre a caixa de velocidades, como o exemplo seguinte ...

 

Relações de transmissão (ditos “rapports” na gíria automóvel):

1ª – 3,872

2ª – 2,845

3ª – 1,560

4ª - 1,000

5ª – 0,789

... já vai saber concluir sobre uma série de fenómenos, como por exemplo:

  • Em primeira velocidade, por cada 3,872 voltas de motor sai apenas 1 volta da caixa de velocidades em direção ao diferencial;
  • Em 4ª velocidade, por cada volta do motor, sai igualmente 1 volta da caixa de velocidades em direção ao diferencial;
  • Em 5ª velocidade, por cada 0,789 voltas de motor sai 1 volta na caixa de velocidades em direção ao diferencial ou, dito de outra maneira igualmente válida, por cada volta de motor (1) saem 1,267 (1:0,789) voltas na caixa de velocidades.
  • Que a roda mandante da 1ª velocidade tem um diâmetro 3,872 superior à roda mandada, quando está engrenada a 1ª, ou que a roda mandante da 3ª velocidade tem um tamanho (mesmo que assumir diâmetro) 1,560 vezes superior à roda mandada quando está engrenada a 3ª velocidade.

 

Nota: conclusões tendo em conta as relações de transmissão mencionadas anteriormente.

Se tiver na sua mão duas rodas dentadas e queira descobrir a sua relação de transmissão sem ter acesso à informação correta dos seus diâmetros, pode calcular por via dos dentes – basta contá-los manualmente, porque a expressão de há pouco “n1 x d1 = n2 x d2” pode ser substituída por uma outra equivalente “n1 x z1 = n2 x z2”, em que “z” representa o número de dentes de cada roda. Não esqueça no entanto, que o conceito de “rapport” depende de quem manda em quem – se colocar uma roda a transmitir movimento para outra e, subitamente, inverter o papel de cada uma delas (trocar da mandante para mandada) o “rapport” ou relação de transmissão inverte-se também.

Nota: Até agora temos estado a referir-nos a caixas de velocidades manuais, as mais simples, pelo que existe uma grande variedade de soluções tecnológicas nesta área – caixas robotizadas, caixas epicicloidais, caixas de dupla embraiagem, de variação contínua, etc… No entanto, os cálculos e as conclusões apresentadas anteriormente são válidos para qualquer tipo de caixa.

Até agora, já vimos que as caixas de velocidades dos automóveis são o primeiro conjunto de engrenagens que se encontram a seguir ao motor e respetiva embraiagem (órgão que permite ligar/desligar o movimento provindo do motor para a transmissão, isto é, caixa => diferencial => rodas do automóvel).

Vejamos agora a representação completa de uma caixa de velocidades manual (tradicional) com os seus diferentes pares de engrenagens acoplados consoante a relação de transmissão engrenada (“mudança”):

 

A última figura representa a marcha atrás. Para obtermos “marcha atrás” temos de inverter o movimento de rotação à saída da caixa de velocidades. Para isso recorre-se ao chamado “carreto inversor”. Trata-se tão simplesmente de um carreto (roda dentada) que, pelo facto de intermediar o par de carretos (rodas dentadas) que se encarregam de produzir o “rapport” da marcha atrás, inverte o movimento de saída – rotação de sentido inverso para impulsionar as rodas de tracção ao contrário do movimento normal (para a frente).

 

Vejamos em pormenor este tipo de engrenagem (marcha atrás):

Como se pode ver na figura ao lado, o carreto central “A” serve para inverter o sentido do movimento normal, à saída da caixa de velocidades.

O rapport é fruto da relação de transmissão dos 3 carretos.

Mas o movimento que sai das caixas de velocidades dos automóveis não “encaixa diretamente nas rodas de tração”. E porquê ? Vejamos a figura seguinte:

1 – Representação do motor do automóvel.

2 – Representação da caixa de velocidades.

3 – Representação do veio de transmissão que envia movimento da caixa de velocidades em direção ao eixo de tração (onde estão as rodas que o movimentam) – neste caso, tração traseira (atrás).

4 – Diferencial – “distribuidor” do movimento provindo da caixa de velocidades para as rodas esquerda e direita do eixo de tração. 

Facilmente podemos observar que seria impossível passar movimento do motor e caixa de velocidades para as rodas de tracção deste “automóvel” aqui representado sem a colaboração de outra engrenagem fundamental – o diferencial.

Porquê ? Basta pensar assim – como é possível que o movimento que provém do motor, descrevendo um sentido longitudinal (ao longo do corpo do automóvel), consegue passá-lo para as rodas (colocadas a 90º nas pontas do eixo traseiro) sem que haja uma engrenagem de ligação que distribua esse movimento ? 

 

(Continua na próxima semana...)