Conheça os princípios de funcionamento dos diversos tipos de câmbio CVT, a transmissão continuamente variável
Este artigo se destina a esclarecer aos técnicos reparadores e usuários de veículos automáticos o princípio de funcionamento de várias transmissões com variação contínua, popularmente conhecidas como câmbio CVT (Continuously Variable Transmission) para facilitar o entendimento deste tipo de sistema automotivo. As transmissões continuamente variáveis são transmissões que fornecem uma gama ininterrupta de relações de velocidade, diferente de uma transmissão automática normal que possui somente algumas relações limitadas de marcha.
Tipo de Fricção do câmbio CVT
O tipo mais comum de CVT é o tipo de fricção, no qual dois corpos são mantidos em contato em pontos de distância variável de seus eixos de rotação, permitindo que a fricção transfira movimento de um corpo ao outro. Às vezes existe um corpo intermediário, usualmente uma roda ou correia.
O CVT mais simples parece ser o de “disco e roda”, no qual uma roda gira sobre a superfície de um disco rotatório. A roda pode deslizar ao longo de seu eixo estriado gerando contato com o disco a distâncias diferentes de seu centro. A relação de velocidade deste tipo de projeto é simplesmente o raio da roda dividido pela distância do ponto de contato ao centro do disco.
A fricção desempenha uma parte importante no projeto CVT por fricção – o torque máximo transmissível neste projeto é de: Tmax = Cf x Fn x Ro Onde Tmax é a saída de torque, Cf é o coeficiente de fricção entre a roda e o disco, Fn é a força empurrando a roda no disco (força normal) e Ro é o raio da roda de saída ou disco. O coeficiente de fricção depende do material utilizado: o da borracha ou aço é normalmente de 0,8 ou 0,9.
A força se perde de duas maneiras: Deformação dos componentes e patinação diferencial
- A deformação dos componentes, o maior dos dois fatores, é causada pelas altas forças normais, e pode ser minimizada utilizando- se materiais muito duros que não deformam muito, e materiais que possuem um coeficiente de atrito muito alto.
- A patinação diferencial é causada por uma grande área de contato entre os componentes rotatórios; neste exemplo, a “pegada” da roda caminhando sobre o disco. A extremidade da pegada mais próxima do eixo de rotação do disco rola ao longo de um raio menor que a extremidade mais distante do eixo de rotação, causando distorção da roda e fazendo com que as extremidades da pegada patinem. A patinação diferencial é minimizada pela utilização de uma roda feita de material duro que produz uma pequena área de contato.
Muito similar ao tipo “disco e roda” é o tipo “cone e roda”, no qual o disco é substituído por um cone. Existe uma pequena vantagem na utilização de um cone ao invés de um disco plano, no sentido de que diminui a patinação diferencial da superfície de contato por se minimizar a diferença no raio percorrido pelas extremidades interna e externa da área de contato. Outros projetos têm usado diferentes formas, mas o principio de funcionamento permanece o mesmo.
Projetos mais avançados utilizam três corpos ao invés de dois. Existem duas vantagens na utilização de três corpos: Um aumento na relação de gama de velocidades e um projeto mais simples. Contudo a escala de relações de marchas usualmente é muito estendida – por exemplo, ela poderá abranger desde 1:5 até 5:1 – tornando necessário um jogo secundário de engrenagens, geralmente um conjunto planetário.
Quase todos estes projetos são baseados em superfícies de contato toroidais, com exceção do projeto de “cone duplo”, que preserva algumas vantagens em relação aos demais.
A transmissão CVT toroidal mais simples envolve dois discos coaxiais que suportam duas ranhuras anelares de seção semi-circular nas suas superfícies opostas. O espaçamento dos discos é tal que os centros das seções coincidem. Duas ou mais rodas intermediárias, de raio igual ao raio das seções das ranhuras, são posicionadas entre os discos de maneira que seus eixos sejam perpendiculares e cruzem os eixos dos discos.
Na figura, a relação de velocidade é variada girando-se as rodas em direções opostas ao redor de seus eixos verticais (setas pontilhadas). Quando as rodas entram em contato com o disco motriz próximo ao centro, elas forçam os discos movidos próximos à sua borda, resultando em uma redução na velocidade e um aumento no torque.
Quando elas entram em contato o disco motriz próximo à sua borda, ocorre o efeito oposto. Este tipo de transmissão tem a vantagem que as rodas não necessitam de deslizar em um eixo estriado, resultando em um funcionamento mais simples e projeto mais robusto.
História do câmbio CVT
As transmissões com variação contínua, popularmente conhecidas como CVT (Continuously Variable Transmission).
Este tipo de transmissão foi patenteado nos Estados Unidos por Adiel Y. Dodge em 1935. Assim como o disco CVT evoluiu para o cone CVT, a transmissão toroidal CVT evoluiu até o formato de cone também. O resultado é uma transmissão muito mais compacta. Este tipo possui a peculiaridade que a relação de marchas pode ser controlada pela rotação direta das rodas ou por movê-las ligeiramente para cima ou para baixo, fazendo que elas girem e mudem a relação de marcha por si mesmas. Este tipo de transmissão é utilizado no NISSAN Micra, TOYOTA Prius e no AUDI A4 e A6.
Polias e Correias do câmbio CVT
As polias de diâmetro variável são uma variação do tema. Dois cones de 20º voltados um para o outro, com uma correia em V tracionando-os continuamente. A distância desde o centro em que a correia entra em contato com os cones é determinada pela distância entre eles. Quanto mais distanciados eles estão entre si, mais devagar a correia se move, e menor o raio se torna. Quanto mais larga a curva da correia, maior a faixa de raios disponível. Para isto, correias especiais são empregadas ou mesmo correntes com plaquetas de contato especiais em seus elos são utilizadas.
Polias de diâmetro variável sempre devem existir em pares, com uma aumentando seu raio à medida que a outra o diminui, mantendo assim a correia esticada. Usualmente, uma é movida por um came ou alavanca, enquanto a outra é simplesmente mantida esticada por uma mola. Polias de diâmetro variável têm sido utilizadas em múltiplas aplicações, desde ferramentas elétricas ou pneumáticas até trenós e mesmo automóveis.
Engrenagens de fricção de diâmetro variável são bastante parecidas, apenas com a correia substituída por uma roda com superfícies de atrito ao longo dos lados de sua circunferência. As duas rodas são movidas juntas ou separadamente para controlar a relação de velocidade, com a distância correta entre o cone sendo mantida esticadas por ação de uma mola.
Tipo Elétrico
Pode-se facilmente argumentar que um gerador alimentando um motor através de algum tipo de controle eletrônico de velocidade constitui uma transmissão continuamente variável. Transmissões elétricas possuem a vantagem de grande flexibilidade em formato, pois o gerador pode estar localizado a qualquer distância ou orientação em relação ao motor. Adicionalmente, qualquer força gerada em excesso pode ser armazenada em baterias, e ser utilizada sempre que altas cargas forem experimentadas. Contudo, eles são pesados e ineficientes. Um gerador típico ou motor possui eficiência de somente 75% a 80%, assim a composição de dois geradores resulta em uma eficiência de somente 56% a 64%. Isto limita sua utilização a situações onde outros tipos de transmissão não podem ser usadas. Locomotivas diesel e alguns navios utilizam tais arranjos de geradores CVT, assim como alguns automóveis “híbridos”.
CVT hidráulico
Um CVT hidráulico é uma bomba hidráulica girando um motor hidráulico, pelo menos um que possui um deslocamento variável. Se por exemplo, a bomba possuir um deslocamento variável, o aumento do deslocamento obviamente aumentará a velocidade do motor. Se o motor possuir um deslocamento variável, então a situação se inverte; o aumento do deslocamento diminuirá a velocidade o qual ele gira, quando se mantém constante o volume produzido pela bomba. Quando se diminui o deslocamento do motor, obtém-se o aumento de sua velocidade.
Este tipo de transmissão é utilizado no Honda ATV, consistindo de uma bomba com placa de palhetas movendo um motor hidráulico também equipado com palhetas. O motor possui deslocamento variável, obtido pelo controle do ângulo da placa de palhetas.
Outros tipos de Câmbio CVT
Existem milhares de formas de se conseguir uma transmissão continuamente variável com gama de velocidades infinitas, e várias mentes criativas têm se empenhado em desenvolver formas novas. Um exemplo especialmente único combina um jogo de engrenagens planetárias com um giroscópio. A força de entrada é dividida entre o jogo de engrenagens planetárias e o giroscópio. O jogo de engrenagens planetárias por sua vez divide a força entre a carcaça do giroscópio, forçando o giroscópio a gerar precessão, bem como oeixo de saída. Como o giroscópio resiste à precessão de acordo com sua velocidade, a baixas velocidades do giroscópio, a maior parte da força gira a carcaça do mesmo. Contudo, a carcaça do giroscópio é montada de maneira que quando a precessão é gerada, ela acelera o giroscópio; como resultado, a energia enviada ao giroscópio é armazenada, ao invés de ser perdida. Este dispositivo, inventado por Chris B. Hewatt, foi patenteado em novembro de 1999.
Câmbio CVT Giroscópico
Outro exemplo criativo utiliza uma correia grossa, flexível e plana entre duas rodas. Empurrando-se a correia bem esticada contra uma das rodas, a correia aumenta efetivamente seu rádio, resultando numa mudança na relação de velocidade. Puxando-se a correia contra a outra roda reverte o efeito obtido anteriormente.
Matéria originalmente publicada na Ed. 05 setembro de 2008
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