O que é a Transmissão? (Parte II)

(Continuação...)

Diferencial – engrenagem de ligação caixa de velocidades => rodas de tração

Voltemos a uma das figuras do início deste capítulo:

 

Através desta representação da figura ao lado, facilmente se percebe que, se utilizarmos rodas dentadas cónicas, consegue-se mudar a direção do movimento. Se imaginarmos que a roda dentada mais pequena desta figura está na ponta do veio de transmissão (nº3 da figura anterior), facilmente percebemos que, agora sim, conseguimos transformar o movimento longitudinal (ao longo do veículo) em movimento transversal (perpendicular ao veículo), transmitindo-o para as rodas esquerda e direita do eixo de tração.

Mas, um diferencial não tem apenas duas rodas dentadas. Vejamos a representação completa:

 

 

 

1 – Pinhão – carreto fixo na extremidade do veio de transmissão que transporta movimento provindo da caixa de velocidades.

2 – Roda de Coroa – responsável por alterar a direção do movimento do veio de transmissão (passando-o na perpendicular ao veículo -90º - em direção às rodas).

 

O diferencial não foi inventado apenas para transferir o movimento longitudinal oriundo do motor e caixa de velocidades para o eixo de tração (perpendicular ao veículo). Se assim fosse, bastariam apenas 2 engrenagens cónicas (pinhão e coroa), como já se observou.

O objetivo do diferencial é permitir que as rodas do eixo de tração possam assumir velocidades diferentes quando descrevem uma trajetória curva. E porquê?

Porque, quando um veículo descreve uma trajetória curva, a roda exterior do eixo de tração tem de percorrer um espaço (distância) maior que a roda interior. Assim sendo, é vital que consigam assumir velocidades diferentes – a roda exterior à curva tem de “rodar mais depressa” (porque tem de percorrer uma distância maior) que a roda interior.

Nota: Se o diferencial fosse constituído apenas por 2 engrenagens cónicas com o exclusivo objetivo de alterar a direção da transmissão de movimento provindo da caixa de velocidades para o eixo de tração, as rodas dentadas (pinhão e coroa) acabariam “desfeitas” logo após a primeira curva – a diferença de velocidades entre as rodas esquerda e direita provocaria um esforço de torção nas engrenagens (tipo “como quem torce” uma toalha molhada para a escorrer).

Para evitar a torção e consequentes danos nas engrenagens principais do diferencial (pinhão e roda de coroa) temos de recorrer a outros 2 jogos (pares) de  engrenagens – umas denominadas planetários e outras a que se dá o nome de satélites.

Observando a figura seguinte torna-se mais fácil identificar “quem é quem”.

Os planetários são rodas dentadas que estão fixas na extremidade interior dos semi-eixos (varões de aço que transportam movimento do diferencial para as rodas esquerda e direita do eixo de tração) – na figura estão representados na cor vermelha.

Os satélites são engrenagens capazes de girar em torno de si próprias ou em torno dos planetários, descrevendo um movimento de translação – daí o nome “satélites”, como os que giram em torno dos planetas. Na figura seguinte estão representados na cor azul.

 

1 – Roda de coroa – recebe movimento por via do pinhão (pequena roda dentada fixa na extremidade do veio de transmissão que transporta movimento provindo do motor/caixa de velocidades do automóvel).

2 – Pinhão

3 – Planetários (rodas dentadas “vermelhas”)

4 – Satélites (rodas dentadas “azuis”)

 

Vamos fazer um pequeno esforço de concentração para percebermos os efeitos proporcionados pelo diferencial – vital para a compreensão posterior de qualquer automóvel  (SUV’s, todo-o-terreno, veículos de tracção total permanente, etc...).

 

Na figura ao lado podemos ver o comportamento do diferencial com o veículo a circular em linha reta. Neste caso o pinhão de ataque faz movimentar a roda de coroa que, por sua vez, transmite igual velocidade aos planetários (carretos vermelhos). Nesta situação os satélites (carretos azuis) mantém-se imóveis (não giram em torno do si próprios), limitando-se a executar um movimento de translação (movimento representado pela elipse com setas vermelhas), acompanhando a rotação dos planetários ligados (engrenados) a si.

Neste caso, como os planetários (carretos vermelhos) rodam à mesma velocidade, os semi-eixos das respetivas rodas esquerda e direita rodam também à mesma velocidade – o veículo segue em frente com a sua capacidade máxima de tração (aderência).

 


Na figura ao lado podemos ver o comportamento do diferencial com o veículo a descrever uma trajetória curva. Se reparamos bem na figura, a roda do semi-eixo à nossa direita está a rodar mais depressa – quer dizer que se trata da roda na posição exterior da curva. Esse “excesso de velocidade” da roda direita “é absorvido” pela rotação (em torno de si próprios) dos satélites (carretos azuis). Assim, torna-se possível que as duas rodas do eixo de tração tenham velocidades diferentes (durante uma trajetória curva) sem que haja o risco dos carretos principais do diferencial (pinhão e roda de coroa) sofrerem danos.  Pela mesma razão, os pneus não arrastam no asfalto – o que aconteceria se tivessem velocidades iguais e não existissem satélites no diferencial.

Não obstante, esta genealidade do diferencial é também o seu “calcanhar de aquiles”.

Vejamos um caso que quase todos nós já presenciámos. Nas praias, por vezes, vemos pessoas aflitas para retirar os seus carros do estacionamento quando a areia está muito fofa. Basta que uma roda comece a perder aderência (patinar “loucamente”) para que a restante fique completamente imóvel – isto deve-se ao facto dos satélites absorverem de tal forma o excesso de velocidade da roda, que o diferencial não consegue passar movimento para a roda contrária. Vamos chamar a este fenómeno o “efeito de praia” – “calcanhar de aquiles” do diferencial normal.

Para “combater o efeito de praia”, temos de recorrer a um diferencial especial – diferencial autoblocante.

Diferencial Autoblocante (que se bloqueia parcialmente a si próprio)

Face ao diferencial normal, o diferencial autoblocante tem mais um dispositivo – tratam-se de uns discos (vários encostados entre si) colocados junto aos planetários (carretos existentes na ponta dos semi-eixos) – como se pode ver na figura seguinte (identificado por 1).

Assim, quando se dá o “efeito de praia” e uma roda patina “loucamente” por falta de aderência, a centrifugação (efeito de rotação rápida) dos discos fá-los comprimirem-se uns contra os outros.

Esta compressão dos discos provoca atrito entre os eles (aderência), passando movimento para a roda do semi-eixo contrário.

Quando um veículo dispõe de um diferencial autoblocante, a patinagem de uma das rodas provoca transferência de movimento para a restante do mesmo eixo, mantendo-o (eixo) com aderência suficiente para continuar a movimentar o veículo.

Porque razão se equipam apenas alguns veículos com diferencial autoblocante ?

Pelo simples facto de só se justificar nalguns casos, como por exemplo:

1 – Veículos de alta performance (vocação desportiva) – nestes casos o objetivo é ajudar o veículo a “curvar” com mais eficácia. Quando o veículo descreve uma trajetória curva, a carroçaria inclina-se para o exterior da curva por ação da força centrífuga. Isto provoca maior aderência na roda exterior à curva (por via do maior peso da carroçaria concentrada em si) e menor aderência na roda interior à curva (por falta de peso da carroçaria). Nesta situação, existe tendência para a roda interior patinar por falta de apoio no asfalto (falta de peso do veículo). Se o condutor acelerar no meio de um curva (desapoiando ainda mais a roda interior), passa movimento (tração) para a roda exterior por via dos discos colocados no diferencial autoblocante. Este efeito não deixa que o eixo de tração perca energia (aderência) e, como a roda exterior coloca mais tração no asfalto, ajuda o carro a rodar para o interior da curva, descrevendo-a com mais eficácia e velocidade.

2 – Veículos todo-o-terreno (vocação fora de estrada) – nestes casos o objetivo é combater o “efeito de praia” já referido. Bastaria um pouco de areia fofa ou uma poça de lama para tornar inerte (imóvel) o eixo de tração, caso o veículo não fosse equipado com um diferencial autoblocante (daí a sua óbvia necessidade para este tipo de utilização). Se uma roda patinar, a roda contrária do mesmo eixo ganha energia, mantendo o veículo com tração para continuar a progredir no terreno.

Podem perguntar alguns: “Então, no que consiste o bloqueio de diferencial ?”

Isso é outra “história” completamente diferente do que aprendemos até agora.

Bloqueio do Diferencial

O bloqueio do diferencial é um dispositivo que bloqueia o efeito do diferencial, isto é, não deixa que o diferencial exerça a sua função – que as rodas esquerda e direita do eixo de tração possam assumir velocidades difrerentes (independentes) durante uma trajetória curva.

Perguntarão outros: “Então se o diferencial nasceu para fazer essa função, porque é que vamos retirá-la ?”

Muito simples de perceber !

Quando um veículo está com sérias dificuldades de tração, nem os diferenciais autoblocantes “lhe valem”. Basta que o terreno seja bastante lamacento para comprometer totalmente a progressão do veículo e, nestes casos, precisamos de uma solução “mais radical”.

A forma de o fazer é inibindo o funcionamento dos satélites. Bloqueando os satélites não existe qualquer hipótese de estes absorverem o excesso de velocidade de uma roda que pretenda rodar mais depressa que a sua congénere do eixo de tração – durante uma trajetória curva.

Assim, asseguramos que a velocidade das rodas esquerda e direita do eixo de tração sejam sempre iguais.

Perguntarão alguns ainda: “Então, o que é que se ganha com isso ?”

Simples! Máxima tração (aderência) no eixo (ambas as rodas de tração a exercer a mesma força e velocidade).

Quando se bloqueia um diferencial fica-se com um eixo “à Fintstone”... Lembra-se desses desenhos animados pré-históricos que utilizavam carros com eixos simples e rodas de madeira nas pontas (e, claro está, sem diferencial) ... ?

Perguntarão outros: “Então e como é que se pode curvar assim ?”

Não pode ! Nem pensar nisso é bom...!

Se curvar com um veículo após ter bloqueado (trancado) o diferencial, vai torcer todas as engrenagens que o constituem  – como se estivesse a torcer “a toalhada molhada” que falávamos há pouco.

Só se bloqueia um diferencial para saír de uma situação de manifesta falta de aderência, movimentando o veículo com o volante da direção apontado “a direito”.  Após saírmos da zona lamacenta ou arenosa do terreno e conseguirmos ganhar novamente tração, desbloqueamos o diferencial para voltar a colocá-lo a funcionar normalmente.

Perguntarão ainda: “Então, como se bloqueia e desbloqueia o diferencial ?”

Quando os veículos têm bloqueio de diferencial, existe um dispositivo elétrico que o bloqueia e desbloqueia a partir de um botão colocado no interior do habitáculo.

Normalmente, os veículos que têm bloqueio de diferencial são aqueles que têm necessidade de grande eficácia (performance) fora de estrada – todo o terreno. Adicionalmente, os chamados “camiões de estaleiro”,  por terem grande necessidade de aderência durante os invernos chuvosos aquando das manobras de carga e descarga em áreas sujeitas a terraplanagem (exemplo: zonas com obras de envergadura – minas, construção de autoestradas, etc...)

Continuarão a perguntar os mais atentos: “Então, se o diferencial é um conjunto de engrenagens, também produz o “seu rapport ... “

Certíssimo !! A relação de transmissão do diferencial vem, normalmente, especificado em alguns catálogos de automóveis.

Nesse caso, pode-se descobrir o efeito total da transmissão no desempenho do veículo.

Voltemos ao caso do veículo com a caixa de velocidades de há pouco:

 

Relações de transmissão (caixa de velocidades):

1ª – 3,872

2ª – 2,845

3ª – 1,560

4ª - 1,000

5ª – 0,789

Imaginemos que este veículo traz um diferencial com uma relação de transmissão de 3,7.

A ser assim, podemos calcular o “rapport” final do veículo em cada velocidade – basta multiplicar as relações de transmissão da caixa de velocidades com a relação do diferencial.

Vamos ver como se faz:

Relação final em 1ª velocidade – 3,872 x 3,7 = 14,3264

Relação final em 2ª velocidade – 2,845 x 3,7 = 10,5265

Relação final em 3ª velocidade – 1,560 x 3,7 = 5,772

Relação final em 4ª velocidade - 1,000 x 3,7 = 3,700

Relação final em 5ª velocidade – 0,789 x 3,7 = 2,9193

Daqui se conclui, por exemplo, o seguinte:

  • Em primeira velocidade, será necessário que o motor rode 14,3264 voltas para que as rodas do eixo de tração consigam rodar apenas 1 vez.
  • Em compensação, na 5ª velocidade, será apenas necessário que o motor rode 2,9193 voltas para produzir uma volta nas rodas de tração deste veículo (exemplo).

Como se pode observar, quanto maior o número (valor numérico) que representa o “rapport”, mais rotação (esforço) tem de fazer o motor para colocar velocidade no eixo de tração do veículo – chamam-se a estes “rapport’s curtos”.

Pelo contrário, quanto menor o número do “rapport”, menos rotação (esforço) tem de fazer o motor para colocar velocidade nas rodas do eixo de tração, “libertando mais o veículo”. A estes  chamamos “rapport’s longos”.

Quando dizemos que uma caixa de velocidades e/ou diferencial de um veículo tem “rapport’s mais curtos” (número mais elevado nas relações de transmissão) face a outro veículo que queremos comparar, podemos concluír o seguinte:

  • O primeiro veículo (rapport’s curtos) reage mais rápido (melhor aceleração) e perde na velocidade máxima. Reage rápido porque “rapport curto” significa maior diferença entre as dimensões das rodas dentadas emparelhadas em cada mudança – maior binário (força) provocado à saída devido ao maior diâmetro das rodas mandadas (como já observámos anteriormente). No entanto, quando estamos em 5ª velocidade (última mudança neste exemplo apresentado) e o motor atinge a sua máxima rotação, não consegue passar tanta velocidade para o eixo de tração – daí a menor velocidade máxima.
  • O segundo veículo (rapport’s longos) reage mais lentamente (pior aceleração) e atinge mais velocidade máxima. Reage mais lentamente porque as rodas mandadas (emparelhadas em cada mudança) têm menor diâmetro, logo, produzindo menos força (binário) à saída. Na 5ª velocidade, como os rapport’s são mais longos, quando o motor atinge a sua rotação máxima, passa mais rotação para o eixo de tração – fazendo o veículo atingir maior velocidade máxima.

É por este fenómeno (motivo) que dois veículos iguais (mesma carroçaria, peso, motor e caixa de velocidades), se tiverem diferenciais com relações de transmissão diferentes (muitas vezes chamados de rapport’s dos grupos cónicos) assumem comportamentos dinâmicos completamente diferentes (acelerações e velocidades máximas).

É muito vulgar os nossos conterrâneos das ilhas (Madeira e Açores) encomendarem os mesmos veículos com “rapport’s” mais curtos – a ideia é aumentar a força final do veículo (binário trator – força nas rodas de tração), melhorando a sua capacidade de aceleração nos circuitos montanhosos (muito inclinados) em detrimento da velocidade máxima. A perda de velocidade máxima é algo que não os preocupa devido à ausência de grandes retas na sua geografia insular.

Bom! Agora que já temos consciência dos órgãos básicos da transmissão de um automóvel simples (com caixa manual), já podemos compreender melhor as outras soluções tecnológicas que o mercado disponibiliza.

Saiba mais em “O A,B…Z do Automóvel”.