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Câmbio automático nerd, parte 2

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Na primeira parte deste artigo, exploramos mais o aspecto "modo de usar" do câmbio, enfatizando nas dicas de bom uso, que garantirão muitos anos longe do mecânico.

Já nesta parte, faremos uma abordagem mais profunda a respeito do "coração" da caixa: as engrenagens planetárias e o sistema hidráulico.

Engrenagens planetárias ou epicicloidais

Já falei do conversor de torque, que proporciona uma ligação "suave" entre motor e caixa, ao contrário de uma embreagem de câmbio manual. Falta falar da caixa em si, cujo funcionamento é um quebra-cabeça.

A primeira característica da caixa automática que se deve ter em mente: todas as engrenagens estão ligadas, o tempo todo. É isto que permite a troca de marcha relativamente suave, sem embreagem e sob carga.

O vídeo abaixo mostra o "coração" de um câmbio automático Simpson com três marchas à frente:

Engrenagens Simpson

Compare isto com o câmbio manual, onde efetivamente há engate e desengate de eixos, e uma troca mal-feita "arranha". Isso não existe numa caixa automática, felizmente.

O bloco básico é o sistema de engrenagens planetarias, ou epicicloidal. Ele é composto por três partes: "sol" (engrenagem central), "planetas" (pequenas engrenagens que giram em torno do sol) e coroa, que engrena com os planetas pelo lado de fora.

Planetário

Embora o vídeo acima não mostre, os planetas são unidos por uma espécie de cavalete, que por sua vez também pode ser ligado a um eixo. Na caixa Simpson do vídeo anterior, os planetas do primeiro planetário estão interligados à coroa do segundo planetário (note que ambos são verdes, indicando que giram solidariamente).

O planetário tem ainda interessante característica de continuar girando se uma das partes é bloqueada. Bloquear diferentes partes causa diferentes relações de marcha. O vídeo abaixo ilustra isso, travando planetas, sol e finalmente a coroa:

Configurações básicas de um planetário

É mais fácil observar o comportamento de um planetário encarando-o como uma "caixa-preta". Para tanto, elaborei a animação abaixo.


CoroaSolSuporte planetas



Para brincar com esta animação, você deve pressionar o botão "travar" ou "motor" para dois eixos. O eixo restante, de saída, muda para a cor azul. A rotação da saída obedece à relação de marcha de um planetário.

É permitido ligar dois eixos ao motor, caso em que a saída terá exatamente a mesma RPM das entradas (ou seja, não há redução).

Você notará que há muitas combinações possíveis, e é possível obter todo tipo de marcha: mais lenta que o motor, mais rápida, rodando ao contrário, etc.

Um planetário é parecido com um diferencial, que também é um componente com três eixos, e a saída de um eixo depende dos outros dois.

Outra característica do planetário é que as transições são suaves. Quando um eixo é bloqueado, isto não ocorre instantaneamente, mas não há problema; a relação de marcha também muda suavemente.

Na verdade, uma forma de implementar câmbio CVT é justamente explorar isto, usando um motor elétrico para "frear" um eixo em vez de apenas bloqueá-lo ou ligá-lo ao motor. O Toyota Prius utiliza esta técnica.

A animação abaixo simula um CVT no estilo Prius. Você pode controlar a velocidade do motor elétrico e constatar como muda a velocidade do eixo de saída.


Sol: motor elétrico

RPM: 0% do motor principal

Bem, vamos voltar ao nosso mundinho. Um câmbio automático "normalzinho" não é CVT; só podemos escolher entre travar o eixo ou ligá-lo ao motor.

Com estas opções, um planetário simples permite três marchas: duas à frente (com ou sem redução) e marcha-a-ré. A caixa automática "canônica" possui dois planetários, três marchas à frente e uma à ré.

A animação a seguir "implementa" a caixa de mudanças, freando ou conectando os eixos de modo a obter as diversas marchas:


Nesta animação, o(s) eixo(s) conectado(s) ao motor ganham a cor vermelha, para ficar mais claro por onde entra a energia mecânica.

Você poderá constatar que o motor pode ser conectado a) à coroa do primeiro planetário; b) ao sol dos planetários, que é um eixo comum; c) coroa e sol (na terceira marcha); d) nenhum deles (no ponto morto).

Nos anos 1960 ou 1970, alguns carros tinham uma caixa de mudanças "overdrive", depois da caixa principal, para alongar a última marcha e economizar combustível na rodovia.

O overdrive era comumente implementado usando-se um único planetário, mas "do contrário", ou seja, para aumentar a RPM de saída, não diminuir. A animação a seguir modela um overdrive:


Desde os anos 1970, as caixas de mudanças automáticas "absorveram" e automatizaram o overdrive, tornando-se assim caixas de quatro marchas à frente, usando três planetários. Foi o tipo mais comum de câmbio automático até os anos 1990.

À custa de um projeto mais complexo, é possível chegar a uma caixa de quatro marchas com apenas dois planetários, ou cinco marchas com apenas três planetários. A migração do comando de puramente hidráulico para eletrônico facilita as coisas. Hoje em dia, caixas automáticas de 5 ou 6 marchas são as mais comuns.

O grande desafio das engrenagens planetárias é a necessidade de frear diferentes partes (sol, coroa, planetas), ou acoplá-las ao motor, conforme a marcha.

Mecanismos hidráulicos na caixa automática

Começamos com uma perguntinha: se engrenagens planetárias são tão boas, porque elas não são utilizadas em câmbios manuais?

Bem, às vezes são utilizadas sim! O lendário Ford T possuía caixa manual com um planetário, portanto tinha duas marchas à frente e ré.

O principal problema é a necessidade de frear e/ou acoplar diferentes partes de diversos planetários. Quando há apenas um planetário, ainda é possível usar alavancas mecânicas. Quando há dois ou mais, é mais prático usar pressão hidráulica.

A vantagem decisiva de transmitir força usando óleo é que ele pode seguir por mangueiras, passar por dentro de um eixo oco, girar junto com outras partes móveis, etc. Afinal de contas, ele é líquido, ocupa o espaço que lhe é destinado, e transmite força por mais tortuoso que seja o caminho.

Mas para isto funcionar é preciso haver um circuito hidráulico, com bomba, válvulas, pistões, filtro e reserva de óleo. É uma parafernália complicada que custa caro e dá mais manutenção.

Figura 1: Corpo de válvulas de caixa automática

Adicionar tudo isso a um câmbio manual, quando ele pode ser implementado apenas com alavancas, é um custo difícil de justificar.

No caso de um câmbio automático, não temos escapatória: precisamos de atuadores hidráulicos ou elétricos para fazer as trocas de marchas, e utilizar engrenagens planetárias não é mais um custo "extra".

Também há um fator histórico em utilizar-se força hidráulica. Quando o CA foi inventado, não havia computador, e mal havia eletrônica. Usar um circuito hidráulico era muito mais confiável que um circuito elétrico.

Note que o circuito hidráulico também tomava as "decisões" de troca de marcha. Uma caixa automática antiga é um bom exemplo de computador hidráulico.

Hoje, uma caixa automática típica usa eletrônica na parte "decisória" e também em alguns atuadores, relegando a força hidráulica para as funções onde ela é insubstituível.

Parece que já existem caixas 100% elétricas, mas a quase totalidade ainda usa circuitos hidráulicos razoavelmente complicados, e a alavanca ainda atua uma válvula hidráulica. Sabe como é, o demônio conhecido assusta menos. E a parte hidráulica proporciona um "plano B" caso a central eletrônica sofra pane.

Num câmbio cujo manual técnico estudei, as marchas à frente (D) são escolhidas de forma 100% eletrônica, mas se a central falhar, a segunda marcha é engrenada — pois corresponde à posição em que todas as válvulas elétricas estão desativadas. É o suficiente para o motorista chegar em casa ou buscar ajuda.

Neste mesmo câmbio, a ré (R) é puramente hidráulica. O neutro (N) realmente corta a força hidráulica, impedindo que qualquer marcha seja engranada (mesmo que a central eletrônica fique maluca).

Além disso, as posições 2 e L têm atuação hidráulica. Na posição D, as marchas 1 e 2 fazem uso de rodas-livres para travar engrenagens. Isto prejudica o freio-motor porque a roda-livre libera quando o motor gira mais devagar que a transmissão (e.g. numa descida), como se o câmbio entrasse em ponto-morto.

Porém, quando a alavanca está em 2 ou L, o circuito hidráulico atua freios adjacentes às rodas-livres, e a marcha mantém-se engatada mesmo ladeira abaixo. (Câmbios mais avançados fazem isto eletronicamente. Note que estou falando de um câmbio em particular, cujo manual eu estudei.)

Nas marchas 3 e 4, as rodas-livres não podem "liberar" o câmbio, de modo que o freio-motor está sempre presente nestas marchas. Não é necessário uma posição de alavanca para "segurar" o carro ladeira abaixo.

Como o câmbio decide a marcha

Classicamente, a decisão de marcha depende de três variáveis apenas:

O algoritmo básico é muito simples: subir a marcha quando a RPM do motor passa de certo limite, e reduzir quando a velocidade do carro cai abaixo do mínimo estipulado para aquela marcha.

Quando o motorista pisa mais fundo no acelerador, isto é interpretado como desejo de maior força ou performance, e os limites são aumentados até a RPM máxima do motor.

Segue o gráfico do manual de serviço de uma caixa automática de quatro marchas Aisin:

Figura 2: Padrão de trocas de marcha automática

O que podemos ver neste gráfico é que, quanto mais fundo pisamos no acelerador, mais as marchas são "esticadas"; a troca acontece em velocidades cada vez mais altas.

Note também que a redução de marcha (curvas pontilhadas) é feita num ponto diferente da subida (curvas contínuas). Este espaço (tecnicamente denominado de histerese) assegura que o câmbio não ficará "indeciso" entre uma marcha e outra. Uma vez que subiu a marcha, é preciso reduzir um bocado a velocidade, ou pisar muito mais fundo, para a marcha ser reduzida.

Neste câmbio em particular, podemos deduzir pelo gráfico que a redução para a primeira marcha é "evitada". Ela só acontece quando o automóvel está andando a menos de 5 Km/h, ou então a 20 Km/h mas acelerando a fundo.

Este câmbio, embora com controle eletrônico, é bastante tradicional e baseia-se apenas nas três variáveis supracitadas. Câmbios mais sofisticados podem basear-se nos seguintes "inputs" adicionais:

Alguns câmbios também tem saída ("output") de dados, visando integração com a centralina (ECU) do motor. Por exemplo, o câmbio pode pedir ao motor que diminua a potência no exato instante da troca de marcha. As possibilidades de integração são virtualmente infinitas.

Conversor de torque X marcha

Como vimos na primeira parte do artigo, o conversor de torque (CT) transmite a força do motor por meio de um fluido, sem conexão rígida. Isto proporciona suavidade e permite à caixa trocar marchas sob carga, sem tranco.

Mas o CT também é capaz de multiplicar torque (às custas da eficiência), e isto tem de ser considerado na questão das trocas de marcha.

A multiplicação de torque depende de dois fatores: a) RPM da turbina; b) a diferença de RPM entre turbina e bomba. Lembrando que a turbina é ligada à caixa (e indiretamente às rodas), enquanto a bomba é ligada ao motor.

Se você reler a frase acima, vai ver que a RPM do motor, isoladamente, não é um fator determinante.

Um CT típico multiplica o torque até duas vezes, o que é normalmente expresso como 2:1. Este máximo é atingido quando, ao mesmo tempo: a) o carro está imobilizado; b) acelerando a fundo. Ou seja, a RPM da turbina é zero, e a bomba está girando o mais rápido que pode — a diferença de RPM entre bomba e turbina é máxima.

Nesta situação, se a relação da primeira marcha é 2,8:1 (típica em câmbios automáticos de três ou quatro marchas), a relação "real" é 5,6:1. Bem mais curta que a primeira de qualquer caixa manual.

Conforme o carro acelera, a RPM da turbina aumenta e a multiplicação do torque vai caindo até ficar em 1:1. Ou seja, conforme o carro acelera a relação de marcha vai caindo de 5,6:1 para 2,8:1, continuamente.

Quando o câmbio troca para a segunda marcha, cuja relação típica é 1,4:1, a turbina diminui o RPM. Se o motorista estiver andando devagar, a turbina volta para a faixa de multiplicação de torque.

Note que 2x1,4=2,8. No caso ideal, a caixa troca da 1a para a 2a, mas a relação de marcha geral (2.8:1) não muda; muda apenas a "divisão de trabalho" entre caixa e conversor. O resultado final é uma troca de marcha suave, quase imperceptível, quase como se o câmbio fosse CVT.

As demais trocas de marcha têm "saltos" menores (1,4 para 1,0, 1,0 para 0,7), e provavelmente serão ainda mais suaves, porque o conversor tem capacidade de sobra para compensar.

Esta suavidade infelizmente desaparece quando o motorista pisa fundo. Num carro típico, a turbina atinge 6000 RPM, na troca de marcha ela cai para 3000 RPM. Mas a multiplicação de torque só vai até 2000 RPM. O resultado é uma troca de marcha mais abrupta.

Em resumo: dirigindo devagar, um câmbio com apenas três ou quatro marchas vai funcionar praticamente como um CVT. Já em direção esportiva, um número maior de marchas é muito benéfico — um câmbio de quatro marchas "mata" a performance de um automóvel, em particular se acoplado a um motor meio fraco.

Como muitos automóveis hoje em dia só saem com câmbio automático (e Tiptronic), e performance é ferramenta de marketing, a tendência é câmbios com no mínimo cinco marchas. Ou então CVT. Sempre lembrando que a multiplicação do conversor de torque implica em perda de eficiência; consumo de combustível também é um número que todo mundo está de olho.

Note que CVT não necessariamente "aposenta" o conversor de torque. O CVT do Honda Fit não tinha CT mas recebeu um em 2007.

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