Como funcionam as caixas automáticas

Autor: 
Karim Nice

Se você alguma vez dirigiu um carro com caixa de mudanças (simplesmente 'caixa' daqui em diante, para simplificação, salvo quando necessário) automática, sabe que existem duas grandes diferenças entre a caixa automática e a caixa manual:

  • Não existe pedal ­de embreagem num carro de caixa automática.
  • Não se efetua troca de marchas num carro de caixa automática. Quando você coloca a alavanca seletora em "Drive" (D), as trocas são automáticas.

A caixa automática (e seu conversor de torque) e a caixa manual (com sua embreagem) desempenham exatamente a mesma função, porém de formas totalmente diferentes. Acontece que o modo como uma caixa automática funciona é absolutamente surpreendente!


Localização da transmissão automática

Neste artigo vamos desvendar como funciona uma caixa automática. Começaremos com a chave de todo o sistema: o conjunto de engrenagens planetárias. Depois veremos como a caixa é montada, como funcionam os controles e discutiremos algumas questões complexas envolvidas no seu controle.

Tal como o de uma caixa manual, o trabalho primário de uma caixa automática é o de permitir ao motor que opere dentro das suas estreitas variações de rotação e ao mesmo tempo proporcionar amplas variações de rotação de saída para as rodas.


Foto cortesia de DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK - transmissão automática (modelo em corte)

Sem a caixa de mudanças, os carros estariam limitados a ter apenas uma marcha, com uma determinada relação de marcha, e esta relação seria selecionada para permitir que o carro rodasse na velocidade mais alta desejada. Se você quisesse uma velocidade máxima de 130 km/h, então a relação de marcha seria similar à terceira ou última marcha na maioria dos carros de caixa manual.

Você provavelmente nunca tentou dirigir um carro com caixa manual usando somente a última marcha. Se tentou, logo percebeu que na arrancada quase não tinha aceleração e em altas velocidades o motor gritava quando se aproximava da faixa vermelha. Um carro como esse se desgastaria rapidamente e seria quase impossível de dirigir.

Desse modo, a caixa usa engrenagens para um uso mais efetivo do torque do motor e para manter o motor operando em uma rotação apropriada.

A diferença fundamental entre uma caixa manual e uma automática é que a manual engata e desengata diferentes conjuntos de engrenagens da árvore de saída para conseguir várias relações de marcha, enquanto que na caixa automática um mesmo conjunto de engrenagens produz diferentes relações de marcha. O conjunto planetário de engrenagens é o dispositivo que torna isso possível na caixa automática.

Engrenagens planetárias e relações de marcha

Vamos dar uma olhada em como um conjunto de engrenagens planetárias funciona.

Ao observar o interior de uma caixa automática, encontramos grande variedade de componentes em um espaço relativamente pequeno. Alguns deles são:

  • Um engenhoso conjunto de engrenagens planetárias.
  • Um conjunto de cintas que trava algumas partes do conjunto de engrenagens
  • Um conjunto de três embreagens em banho de óleo que trava outras partes do conjunto de engrenagens
  • Um sistema hidráulico que controla as marchas e as cintas
  • Uma grande bomba de engrenagem que faz circular o fluido hidráulico da caixa

O centro das atenções desse câmbio é o conjunto de engrenagens planetárias, uma peça única capaz de criar todas as relações de transmissão que o câmbio pode produzir. Todos os outros componentes do câmbio estão ali para ajudá-la a realizar seu trabalho. Já falamos anteriormente aqui no HowStuffWorks sobre essa importante peça de transmissão por engrenagem. Confira o artigo da chave de fenda elétrica. Uma caixa automática contém dois conjuntos completos de engrenagens planetárias formando um único componente.Veja Como funciona a relação de marchas para saber mais sobre o conjunto de engrenagens planetárias.


Da esquerda para a direita: coroa, suporte de planetárias, e duas engrenagens solar

Qualquer conjunto de engrenagens planetárias tem três componentes básicos:

  • A engrenagem solar
  • A engrenagem planetária e seu suporte
  • A engrenagem coroa

Cada um destes componentes pode ser a entrada, a saída ou pode ser mantido imóvel. Ao escolher qual peça desempenha qual papel, determina-se a relação de marcha para o conjunto de engrenagens. Vamos dar uma olhada em um conjunto de engrenagens planetárias.
Um dos conjuntos de engrenagens planetárias da nossa transmissão tem uma coroa com 72 dentes e uma engrenagem solar com 30 dentes. Com esse conjunto conseguimos obter muitas relações de marcha diferentes.

 

Entrada

Saída

Fixa

Cálculo

Relação de Marcha

A

Solar (S)

Suporte Planetário (P)

Coroa(C)

1 + C/S

3,4:1

B

Suporte Planetário (P)

Coroa (C)

Solar (S)

1 / (1 + S/C)

0,71:1

C

Solar (S)

Coroa (C)

Suporte Planetário (P)

-C/S

-2,4:1

Além disso, qualquer combinação de dois desses três componentes bloqueia o dispositivo como um todo em uma relação de transmissão 1:1, ou seja, ligação direta entre motor e eixo motriz. Note que a primeira relação de marcha listada acima é uma redução – a velocidade de saída é menor que a de entrada, e a segunda é uma sobremarcha – a velocidade de saída é maior que a de entrada, e a última é novamente uma redução, mas ocorre uma reversão da direção, que é a marcha à ré. Existem várias outras relações que podem ser tiradas deste conjunto de engrenagem planetária, mas estas são as relevantes para nossa caixa automática. Você pode experimentar estas combinações na animação abaixo:

Animação de diferentes relações de marcha relacionadas às transmissões automáticas.
Clique nos botões da esquerda na tabela acima.

Assim, este conjunto de engrenagens pode produzir todas estas relações de marcha sem precisar engatar ou desengatar marchas. Com dois desses conjuntos de engrenagens combinados temos as quatro marchas para frente e ré de que a caixa precisa. Na próxima seção falaremos sobre os dois conjuntos de engrenagens.

Engrenagem planetária composta

Esta caixa automática usa um conjunto de engrenagens chamado de engrenagem planetária composta, que se parece com um único conjunto de engrenagens planetárias mas se comporta como dois conjuntos combinados. Tem uma coroa que funciona sempre como saída da caixa, mas possui duas engrenagens solares e dois conjuntos de planetárias.

Vamos dar uma olhada em algumas partes:


Como são montadas as engrenagens em uma caixa automática. Da esquerda para a direita: coroa, suporte de planetárias e duas engrenagens solares.

A figura abaixo mostra as planetárias em um suporte. Note como a planetária do lado direito é mais baixa que a do lado esquerdo. Isto porque a planetária do lado direito não engata na coroa – engata em outra planetária. Somente a planetária esquerda engata na coroa.


Suporte de planetárias: note os dois conjuntos de planetárias

A seguir você vê o interior de um suporte de planetárias. As engrenagens mais curtas são engatadas somente através de uma engrenagem solar menor. As planetárias mais longas são engatadas por uma engrenagem solar maior e pelas planetárias menores.


Interior de um suporte de planetárias: note os dois conjuntos de planetárias

A animação abaixo mostra como todas as peças são ligadas em uma caixa.

Mova a alavanca para ver como a força é transmitida através da caixa

As marchas da caixa automática

Primeira
Na primeira, a engrenagem solar menor é conduzida em sentido horário por uma turbina no conversor de torque. O suporte das planetárias tenta girar no sentido anti-horário, mas é mantido imóvel pela embreagem unidirecional (que permite rotação apenas no sentido horário) e uma coroa gira a saída. A engrenagem pequena tem 30 dentes e a coroa tem 72, portanto baseando-se no quadro desta página, a relação de marcha é:

Relação = -C/S = - 72/30 = -2,4:1

Assim a rotação é negativa 2,4:1, o que significa que a direção de saída seria oposta à direção de entrada. Mas a direção de saída na realidade é igual à direção de entrada – aqui entra o truque do conjunto de duas planetárias. O primeiro conjunto de planetárias engata no segundo, e o segundo conjunto gira a coroa; esta combinação inverte a direção. Você pode ver que isto também causaria a rotação da engrenagem solar maior; mas como a embreagem é liberada, a engrenagem solar maior fica livre para girar em direção oposta à turbina (anti-horária).

Mova a alavanca para ver como a força é transmitida através de uma caixa

Segunda
Esta transmissão faz algo realmente incrível para conseguir a relação necessária para a segunda marcha. Ela atua como dois conjuntos de engrenagens planetárias, conectados um ao outro por um suporte de planetárias comum aos dois.

Na verdade, o primeiro estágio do suporte de planetárias usa a engrenagem solar maior como coroa. Assim, o primeiro estágio consiste da solar (a engrenagem solar menor), o suporte de planetárias e a coroa (a engrenagem solar maior).

A entrada é uma engrenagem solar pequena; a coroa (engrenagem solar grande) é mantida fixa por uma cinta e a saída é o suporte das planetárias. Para este estágio, tendo a solar como entrada, o suporte de planetárias como saída e a coroa fixa, a fórmula é:

1 + C/S = 1 + 36/30 = 2,2:1

O suporte das planetárias gira 2,2 vezes para cada rotação da engrenagem solar pequena. No segundo estágio, o suporte das planetárias atua como entrada para o segundo conjunto de engrenagem planetária, a engrenagem solar maior (que é mantida fixa) atua como solar e a coroa atua como saída, ficando assim a relação da marcha:

1 / (1 + S/C) = 1 / (1 + 36/72) = 0,67:1

Para conseguir a relação final da segunda marcha, multiplicamos o primeiro estágio pelo segundo, 2,2 x 0,67, para obter uma relação de 1,47:1. Isto pode soar estranho, mas funciona.

Mova a alavanca para ver como a força é transmitida através de uma caixa

Terceira
A maioria das caixas automáticas tem relação de 1:1 na terceira marcha. Você lembrará da seção anterior que tudo o que precisamos fazer para obter uma relação 1:1 de saída é bloquear juntas duas das três partes da engrenagem planetária. Com a combinação neste conjunto de engrenagens é até mais fácil -- tudo o que temos de fazer é engatar as embreagens que bloqueiam cada uma das engrenagens solares à turbina.

Se ambas as engrenagens solares giram na mesma direção, as engrenagens planetárias são travadas, porque elas só podem girar na direção oposta. Isto trava a coroa com as planetárias e conseqüentemente faz com que tudo gire como uma unidade, produzindo uma relação de 1:1.

Mova a alavanca para ver como a força é transmitida através de uma caixa

Sobremarcha (overdrive)
Por definição, uma sobremarcha tem rotação de saída maior que a de entrada. Portanto ocorre um aumento de rotação. Nesta caixa, ao engatar a sobremarcha (overdrive) se consegue duas coisas de uma só vez. Se você ler o artigo Como funcionam os conversores de torque, aprenderá sobre o bloqueio de conversores de torque. Para melhorar a eficiência, alguns carros têm um mecanismo que bloqueia o conversor de torque para que a saída do motor vá direto para a caixa.

Nesta caixa, quando a sobremarcha é selecionada, uma árvore que se liga à caixa do conversor de torque (que está aparafusada ao volante do motor) é conectada por embreagem ao suporte das planetárias. A engrenagem solar pequena gira livremente e a engrenagem solar maior é mantida imóvel pela cinta da sobremarcha. Nada é conectado à turbina; a única entrada vem da caixa do conversor. Voltemos ao nosso quadro, desta vez com o suporte das planetárias como entrada, a engrenagem solar fixa e a coroa como saída.

Relação = 1 / (1 + S/C) = 1 / ( 1 + 36/72) = 0,67:1

Assim a saída gira uma vez para cada dois terços de rotação do motor. Se o motor está girando a 2 mil rotações por minuto (rpm), a rotação de saída é de 3.000 rpm. Isto permite que os carros rodem em altas velocidades de estrada enquanto a rotação do motor se mantém baixa e agradável, além de reduzir o consumo de combustível.

Mova a alavanca para ver como a força é transmitida através de uma caixa


A ré é muito aparecida com a primeira marcha, exceto que em vez de uma engrenagem solar pequena ser movida pela turbina do conversor de torque, a engrenagem solar maior é movida e a menor gira livre na direção oposta. O suporte das planetárias é seguro à carcaça pela cinta de ré. Assim, de acordo com as nossas equações da última página , temos:

Relação = -C/S = 72/36 = 2,0:1

A relação de ré é um pouco mais baixa que a da primeira nesta caixa.

Relação das marchas
Esta caixa tem quatro marchas à frente e uma à ré. Vamos resumir a relação de marchas, entradas e saídas:

Marcha

Entrada

Saída

Fixa

Relação de marcha

Solar 30 dentes

Coroa 72 dentes

Suporte das planetárias

2,4:1

Solar 30 dentes

Suporte das planetárias

Coroa 36 dentes

2,2:1

Suporte das planetárias

Coroa 72 dentes

Solar 36 dentes

0,67:1

   

Final 2°

1,47:1

Solar 30 e 36 dentes

Coroa 72 dentes

 

1,0:1

OD

Suporte das planetárias

Coroa 72 dentes

Solar 36 dentes

0,67:1

Reverso

Solar 36 dentes

Coroa 72 dentes

Suporte das planetárias

-2,0:1

Agora você deve estar pensando como as diferentes entradas se conectam e desconectam. Isto é feito por uma série de embreagens e cintas que existem dentro da caixa. Na próxima seção, veremos como isto funciona.

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