Estrutura Técnica do Ônibus: Mecânica 2 – Sistema de Transmissão – ViaCircular Ônibus
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Estrutura Técnica do Ônibus: Mecânica 2 – Sistema de Transmissão
Obs: Todo sistema mecânico do veículo é integrado, porém em algumas literaturas pesquisadas o eixo traseiro motriz e as relações de redução do eixo traseiro fazem parte do sistema de transmissão diretamente. Porém, aqui ele foi movido para o item "Estrutura Técnica do Ônibus: Mecânica 6 – Sistema de Eixos" para acompanhar a separação de informações padrão dos dados técnicos de chassis.
A transmissão é um conjunto de órgãos através dos quais o esforço motor é comunicado às rodas do veículo. A rotação do motor é transmitida por meio da embreagem, da caixa de mudanças, da árvore de transmissão e do eixo traseiro, até as rodas, as quais, ao girarem apoiadas sobre o solo, provocam o deslocamento do veículo.
A caixa de mudanças também é chamada tecnicamente de dispositivo de mudança de torque. Ela permite-nos selecionar maior velocidade com menos torque, ou pouca velocidade com grande torque, de acordo com as necessidade do movimento.
O torque (medido em Nm) é o produto de uma força fornecida por uma alavanca. Quanto maior a alavanca, maior será o torque (força).
As engrenagens operam como alavancas, de tamanhos maiores ou menores. Quanto maior a engrenagem movida, maior será o torque, embora esteja em rotação mais lenta.
Caixa de mudanças = caixa de marcha = caixa de câmbio = caixa de múltiplas velocidades = dispositivo de mudança de torque.
2.01 – Acionamento
Manual: as trocas de marcha são realizadas manualmente pelo condutor do veículo.
Automática: as trocas de marcha são realizadas por um sistema automático.
Automatizada: as trocas de marcha são realizadas por um sistema automático, porém diferente da automática, precisa passar por todas as marchas como se fosse um acionamento manual feito por um robô.
2.02 – Caixa de mudanças
A caixa de mudanças é um mecanismo de transmissão que, desmultiplicando as rotações do motor, permite transmitir a potência do motor ao eixo motriz com o máximo de aproveitamento. Essa desmultiplicação das rotações do motor — ou seja, essa mudança de velocidades (marchas) do motor de acordo com as circunstâncias de circulação do veículo e as características do terreno – é conseguida graças a engrenagens de diâmetros diferentes assentadas sobre os eixos da caixa de mudanças. Em seu todo, uma caixa de mudanças compõe-se de três eixos. O eixo primário recebe a potência do motor e a transmite através de um eixo intermediário ao eixo secundário, e este, por meio do eixo cardan, transmite a potência ao eixo motriz. O eixo primário acha-se acoplado ao eixo intermediário por um par de engrenagens de ligação constante; este, por sua vez, acha-se acoplado ao eixo secundário por pares de engrenagens também de ligação constante. As engrenagens do eixo secundário, responsáveis pelas marchas, giram soltas; a seleção das marchas é feita encaixando-se o par de engrenagens correspondente da marcha desejada, através de luvas ranhuradas que são deslocadas sobre o eixo por meio de garfos acionados pela alavanca de mudança.
Imagem 2.02 – Caixa de mudanças.
Fonte: Eaton.
2.03 – Caixa de mudanças com garras
Entre a estrutura de uma caixa de mudanças com garras e a de uma caixa de mudanças sincronizada existe só uma diferença fundamental: na primeira não se encontra nenhum cone sincronizador entre a coroa deslocável e o pinhão de marcha. Mas como, ao se engatar uma marcha, também nesse caso é necessária a sincronização entre a coroa deslocável e o pinhão de marcha se consegue esse efeito pisando duas vezes na embreagem (ao conectar uma marcha superior) ou tirando o pé do acelerador e depois acelerando novamente (ao passar a uma marcha inferior).
Imagem 2.03 – Caixa de mudanças com garras.
2.04 – Caixa de mudanças sincronizada
Para evitar que a diferença de velocidade entre o eixo secundário e o eixo intermediário da caixa de mudanças cause danos às engrenagens pelo encaixe brusco no momento da mudança, a caixa de mudanças sincronizada possui nas luvas ranhuradas cones sincronizadores que, realizando um primeiro contato com as engrenagens, igualam as rotações dos eixos, permitindo um encaixe suave, com segurança para as engrenagens.
2.05 – Caixa de mudanças automática
A mudança das diferentes marchas se efetua automaticamente, em função da velocidade do veículo, da posição da alavanca seletora e do pedal do acelerador. Em veículos com caixa de mudança totalmente automática suprime-se o pedal da embreagem.
Imagem 2.05 – Caixa de mudanças automática.
Fonte: ZF Ecomat.
2.06 – Tomada de força
Geralmente montada na caixa de mudanças, a tomada de força é um dispositivo que, com diferentes desmultiplicações, permite transmitir a potência do motor ao mecanismo acionador de equipamentos diversos. A escolha da relação de desmultiplicação depende principalmente da rotação necessária para acionamento do equipamento. A tomada de força pode ser lateral (ligada indiretamente ao eixo intermediário da caixa de mudanças por um pinhão) ou central (ligada diretamente ao eixo intermediário da caixa de mudanças).
Imagem 2.06 – Fluxo de força: exemplo de uma caixa de 6 marchas e a relação utilizada em cada uma.
Fonte: Mercedes-Benz – Caixa de Mudanças GO 190-6 e GO 210-6.
2.07 – Árvore de transmissão (Eixo cardan/Eixo cardā)
Também conhecida por eixo de transmissão ou eixo cardan, a árvore de transmissão é uma peça de forma tubular que transmite as rotações da caixa de mudanças ao eixo motriz. Nos veículos que dispõem de mais que um eixo motriz são necessárias várias árvores de transmissão, para transmitir as rotações da caixa de mudanças à caixa de transferência e desta aos eixos motrizes.
Imagem 2.07 – Esquema do eixo cardan.
Fonte: Iveco Bus
2.08 – Caixa de transferência
Usada em veículos com mais de um eixo motriz, a caixa de transferência é um órgão de transmissão que, desmultiplicando as rotações do eixo secundário da caixa de mudanças e, com isso, duplicando o número de marchas normais, permite distribuir a potência do motor aos eixos motrizes com a força de tração aumentada. Nos veículos de tração total (4×4 e 6×6) pode-se desligar a tração dianteira, cessando, com isso, também o efeito redutor da caixa de transferência: nos veículos de tração em dois eixos traseiros (6×4), a caixa de transferência permite interromper seu efeito redutor, mas a potência continua a ser transmitida, com a desmultiplicação normal da caixa de mudanças, aos dois eixos. O uso da tração total é recomendado exclusivamente para terrenos acidentados.
Imagem 2.08 – Caixa de transferência.
Posição 1 – Marcha normal (estrada): a marcha normal é indicada para operação do veículo em vias de solo firme e regular, principalmente em rodovias pavimentadas.
Posição 2 – Marcha reduzida com acionamento dianteiro: a marcha reduzida é indicada para operação do veículo em condições fora-de-estrada, tais como: terrenos de topografia acidentada, carreadores e palhadas em canaviais, terrenos de pouca coexistência e também, para vencer subidas íngremes com o veículo carregado.
Posição 0 – Neutro (tração desligada): nesta posição o veículo não terá torque de saída para as rodas.
Imagem 2.08a – Posições da caixa de transferência.
2.09 – Diferencial
Dá-se o nome de diferencial ao conjunto formado por coroa e pinhão, caixa de satélites e planetárias – conjunto que está contido no cárter do diferencial. Contudo, o diferencial propriamente dito núcleo do diferencial – é constituído pela caixa de satélites: estes, ligados à coroa (diretamente, no eixo traseiro de redução simples, ou indiretamente, no eixo traseiro de dupla redução) e acoplados aos semieixos por engrenagens planetárias, têm por função compensar, nas curvas, a diferença de rotação entre uma e outra roda.
Diferencial com trava: neste caso, o diferencial possui um dispositivo que, quando acionado – geralmente eletropneumaticamente – elimina seu efeito compensador, obrigando as rodas a girar à mesma velocidade. Com isso o veículo avança melhor em terrenos difíceis.
Funcionamento do diferencial: O diferencial é um dispositivo mecânico que permite diferença de velocidade entre as rodas de tração sob certas circunstâncias. Ele permite que uma roda gire a uma certa velocidade, e a outra com velocidade maior ou menor. Essa diferença de velocidade é necessária, quando por exemplo o veículo descreve uma curva; A velocidade de rotação das rodas do lado de dentro da curva é menor que a velocidade de rotação das rodas do lado de fora, já que o tempo é o mesmo e as trajetórias descritas são diferentes. Se o eixo das rodas traseiras fosse rígido, evidentemente, nas curvas, a roda de tração do lado de dentro iria arrastar-se no solo.
Como já vimos, o pinhão se engrena à coroa, de modo que quando ela gira, move consigo a caixa de satélites rigidamente ligada a ela, fazendo com que as engrenagens satélites sejam arrastadas. Como elas engrenam em forma de cunha com as planetárias, estas e as respectivas semi-árvores terão as rotações iguais e no mesmo sentido da coroa, enquanto o veículo estiver andando em linha reta. No entanto, se uma roda oferece resistência maior que a outra, o conjunto diferencial entra em ação da seguinte maneira: desde que haja diferença de tração ou de resistência, as planetárias giram as velocidades diferentes, de modo que as engrenagens satélites são obrigadas a se moverem em seu próprio eixo, compensando a diferença. Assim, os dentes das satélites se deslocam sobre os dentes das planetárias e o conjunto já não funciona como se fosse rígido.
Imagem 2.09 – Funcionamento do diferencial.
2.10 – Conversor de torque
Veículos com câmbio automático precisam de uma maneira de deixar o motor em funcionamento enquanto as rodas e as marchas na transmissão estão parados. Veículos de caixa manual utilizam uma embreagem, o que desconecta completamente o motor da transmissão. Em veículos com caixa automática utilizam um conversor de torque. Um conversor de torque é um tipo de acoplamento hidráulico que permite que o motor gire, algo independentemente do câmbio. Se o motor gira mais lento, como quando o veículo está parado no semáforo, a quantidade de torque que passa pelo conversor de torque é menor, de modo que para manter o veículo parado é preciso apenas uma pequena pressão no pedal do freio. Se você pisar no acelerador enquanto o veículo estiver parado, terá de pressionar o freio com mais força a fim de evitar que o veículo se mova. Isso acontece porque quando você pisa no acelerador, o motor acelera e bombeia mais fluido para dentro do conversor de torque, fazendo com que mais torque seja transmitido às rodas.
Imagem 2.10 – Conversor de torque.
Fonte: HowStuffWorks.com (2000).
2.11 – Caixa de mudanças automatizada
São caixas de mudança manuais nas quais todos os procedimentos realizados pelo motorista na troca de marchas são assumidos por um sistema eletrônico de atuadores. Em termos de dinâmica de veículo, isso significa que a troca de marcha envolve o acionamento da embreagem e consequente interrupção da força de tração.
2.12 – Comfort Shift (CS)
O Comfort Shift (CS) é um sistema eletro-pneumático de mudanças de marcha, projetado e desenvolvido pela Scania para facilitar as mudanças de marcha e dar maior conforto ao condutor. A alavanca do CS é semelhante à alavanca de um carro de passageiros, e sua operação é tão fácil quanto. Além disso, as marchas podem ser pré-selecionadas.
O sistema CS é um complemento da caixa de mudanças (velocidades) manual, na qual o mecanismo de mudança de marcha foi substituído por cilindros de comando para engatar e desengatar as marchas.
Dois cilindros de comando, um para curso longitudinal e outro para curso lateral, estão disponíveis na caixa principal. As faixas alta e baixa da caixa de mudanças (velocidades) são operados pelos cilindros de comando da caixa de mudanças (velocidades) GR801. Os cilindros de comando na caixa principal operam em direções que correspondem ao mesmo padrão do seletor de marchas.
Os cilindros de comando de curso longitudinal e lateral foram projetados para fazer a mudança das marchas de forma rápida e confiável. Para os movimentos de curso longitudinal foi colocado um dispositivo amortizador, que adapta as operações da caixa de mudanças (velocidades) ao processo de sincronização.
Um determinado número de sensores de posição na caixa de mudanças (velocidades) informa à unidade de comando quando cada passo do processo de mudança de marcha foi completado e indica a marcha que foi engatada.
Existem sete válvulas solenóide no sistema CS. Cinco das quais são usadas para os cursos longitudinal e lateral na caixa principal. As outras duas válvulas restantes na caixa de mudanças (velocidades) são para as faixas alta e baixa.
Imagem 2.12a – Comfort Shift (CS).
Fonte: Scania.
Imagem 2.12b – Interruptores do pedal de embreagem. (A) superior; (B) inferior.
Imagem 2.12c – Alavanca de mudança.
Imagem 2.12d – Botão para mudança de marcha de emergência.
2.13 – Caixa de mudanças semiautomática
Alguns fabricantes criaram vários sistemas semiautomáticos com embreagem a disco acionada por depressão ou embreagem eletromagnética acionada por dínamo.
Todos os sistemas possuem uma alavanca de câmbio com contato elétrico ligado a um relê. No primeiro momento em que a alavanca é tomada, o contato atua no relê que, por sua vez, põe em ação o comando de desembreagem. Logo que a alavanca é posta na sua nova posição e liberada da mão do motorista, primeiro o contato e, em seguida, o relê, tomam a posição de repouso, efetuando a reembreagem.
A reembreagem é controlada, todavia por um dispositivo que adapta o retorno às condições momentâneas da marcha do motor. O mesmo é formado por uma válvula eletropneumática sujeita à depressão do motor. Se for pouco acelerado, a reembreagem será lenta. Se, pelo contrário, ele gira em mais altas rotações, a reembreagem será mais rápida.
2.14 – Função Neutro Quando Parado – NBS (Neutral Bei Stillstand)
Essa função desengata as peças giratórias da caixa de mudanças da árvore secundária desde que:
A primeira engrenagem esteja selecionada.
O pedal do acelerador esteja na posição de marcha lenta.
O freio do pé ou o freio de parada do ônibus esteja aplicado.
A velocidade do ônibus seja inferior a 3 km/h.
A função NBS produz menos consumo de combustível, especialmente na cidade onde o ônibus pára e arranca várias vezes.
2.15 – Seletor do modo de condução / Selecionador de marcha RND12
O seletor do modo de condução informa à unidade de comando da caixa de mudanças sobre qual a engrenagem ou qual o programa de mudança de marcha que o motorista selecionou.
[R] (Reversing): marcha à ré (só pode ser selecionada se o veículo estiver parado).
[N] (Neutral): usada para ligar o motor, durante longas pausas e no estacionamento.
[D] (Drive): modo de condução normal para frente. Todas as engrenagens são usadas.
[1]: modo de condução para frente. Apenas a marcha mais baixa é usada.
[2]: modo de condução para frente. Todas as velocidades exceto a velocidade máxima são usadas.
2.16 – Função Kickdown
O kickdown é usado para a passagem para uma marcha inferior, por exemplo na ultrapassagem. Ele também pode ser usado para atrasar a passagem para uma marcha superior. Segurar o pedal do acelerador na posição de kickdown evita que o motor perca potência quando mudando para uma marcha superior na subida.
Imagem 2.16 – Interruptor de kickdown no pedal.
Fonte: ZF.
2.17 – V-Tronic
A denominação V-Tronic é dada para os chassis Volkswagen que são dotados de caixa de transmissão automatizada. A partir de 2020 a caixa automatizada passa a ser um item opcional dos chassis comercializados e não mais uma denominação do chassi.
No sistema automatizado as trocas de marcha são efetuadas automaticamente pelo sistema de transmissão. O atuador da transmissão é composto por cilindros de mudança e por sensores. O atuador da embreagem possui comando hidráulico e é responsável pelo acionamento completo da embreagem.
O motorista tem a possibilidade de conduzir o veículo no modo semi-automatizado ou completamente automatizado. No primeiro caso, as trocas de marchas são facilitadas através de um seletor de marcha. Já na condução completamente automática, a seleção e as trocas são efetuadas pelo comando eletrônico da transmissão, embora o motorista tenha a possibilidade de interferir.
Os veículos equipados com transmissão automatizada não possuem pedal de embreagem. O acionamento da embreagem e as trocas de marchas são realizados por um dispositivo eletro-hidráulico com controle eletrônico.
Funções da alavanca seletora:
[+]: para marcha superior.
[-]: para marcha inferior.
[A/M]: passagem de marcha A = automático ou M = manual.
[N]: neutro.
[R]: marcha à ré.
[DM]: manobra à frente.
[RM]: manobra à ré.
[Fn]: função seleção manual de marchas.
Imagem 2.17a – Caixa de mudanças automatizada ZF Astronic – Linha V-Tronic.
Fonte: MAN.
Imagem 2.17b – Seletor da caixa de mudanças automatizada ZF 6AS – Linha V-Tronic.
2.18 – Gerenciamento eletrônico
O gerenciamento da transmissão é realizado por dois módulos que trabalham em interface sistêmica, comandando tanto seleção, como aplicação da embreagem e engate das marchas.
2.19 – Função Eco Roll
2.20 – Cruzeta
É uma peça em forma de cruz, com quatro braços iguais, em ângulo de 90º. Cada uma das extremidades desses eixos é assentada em rolamento de agulhas, lubrificados com graxa. Utilizada no eixo cardan.
Imagem 2.20a – Cruzeta.
Fonte: Iveco Bus.
Imagem 2.20b – Cruzeta.
Fonte: Spicer/Albarus.
2.21 – Relação de transmissão
As rodas do tipo médio, porém, apenas necessitam de girar à velocidade de 1000 rpm , para percorrer 110 km/h, pelo que não podem ser ligadas diretamente ao motor. Deverá existir, portanto, um sistema que permita às rodas dar uma rotação completa enquanto o motor efetua quatro, o que se consegue por meio de uma desmultiplicação, ou redução, no diferencial.
É comum a relação de transmissão de 4:1 , entre a velocidade de rotação do motor e das rodas. Enquanto o veículo se desloca a uma velocidade constante numa via plana, esta redução é suficiente. Contudo, se o veículo tiver de subir uma encosta, a sua velocidade diminuirá e o motor começara a falhar. A seleção de uma velocidade mais baixa (relação mais baixa) permite que o motor trabalhe a um maior número de rotações em relação às rodas, multiplicando-se assim o torque (binário motor).
Imagem 2.21 – Engrenagens.
2.22 – Marcha "Overdrive"
O overdrive, ou sobre-marcha, consiste numa unidade, montada atrás da caixa de mudanças, destinada a proporcionar uma velocidade, para além da prise, que permita uma marcha econômica a um baixo regime de rotações do motor, sem redução da velocidade de deslocamento. O overdrive é comandado, elétrica ou hidraulicamente, por meio de um interruptor existente no painel ou na coluna da direção. Pode ser ligado ou desligado sem intervenção da embreagem.
As unidades overdrive têm, em geral, um sistema de engrenagens epicicloidais que inclui uma embreagem cônica acionada hidraulicamente. Quando o overdrive não está em funcionamento, a embreagem que está ligada à roda central, torna-se solidária – devido à mola – com a coroa circular, ligada ao eixo de saída. O suporte das engrenagens satélites, ligado ao eixo da caixa de mudanças, faz girar todo o conjunto, obtendo-se assim uma transmissão direta.
Quando o motorista seleciona o overdrive, a embreagem fixa-se ao cárter exterior e impede o movimento da roda central. O suporte das engrenagens planetárias gira então à volta da roda central e, por sua vez, aciona a coroa circular a uma velocidade ligeiramente superior à superior à do suporte. Em consequência, o eixo de saída roda mais rápido que o eixo do motor.
2.23 – Função Lock-up
É uma trava de acionamento manual que une a bomba à turbina, fazendo com que o conjunto passe a funcionar como apenas um elemento. Nesta condição a velocidade obtida pelo equipamento é constante, o que facilita o trabalho de acabamento em superfícies planas. Quando o veículo utiliza conversor de torque, o dispositivo que transforma o acoplamento elástico em acoplamento rígido, ou seja, faz com que todo o torque gerado no motor seja repassado integralmente para a transmissão, como se fosse uma embreagem.
2.24 – Constant Mesh
Câmbio de engrenamento constante. Todas as engrenagens ficam em funcionamento o tempo todo, cada marcha está em uma velocidade diferente mas mesmo assim giram quando não estão em uso, ainda que apenas uma delas possa estar engatadas por vez.
2.25 – Volvo I-Shift
A caixa Volvo I- Shift tem uma embreagem incorporada (built in), mas não tem pedal. O motorista não precisa fazer nenhum esforço e não se preocupa com a troca das marchas, que é feita em rotações e esforços adequados a cada momento da operação. Isso resulta em redução do consumo de combustível de 5% a até 7%, segundo alguns transportadores. A operação mais eficiente também poupa outros componentes do veículo, como freios e embreagem, e prolonga intervalos de trocas, gerando economia ainda maior, com uma operação mais rentável.
Em geral o motorista só tem de acelerar e frear. Para facilitar a vida do condutor, utiliza as 12 marchas à disposição com a ajuda de um display do computador de bordo no painel, Assim, no visor, o condutor pode monitorar em que marcha está naquele momento e quais são as outras disponíveis. O I-Shift possui um sistema inibidor de trocas de marcha indevidas.