Como funcionam os  câmbios automáticos:

Se você alguma vez dirigiu um carro com câmbio de mudanças (simplesmente 'caixa' daqui em diante, para simplificação, salvo quando necessário) automático, 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! 

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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. 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. 
 

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:

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

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). 
 

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. 
 

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. 
 

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) = 0,67:1Assim 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.

Ré
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:

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.

Embreagens e cintas

Na seção anterior, falamos sobre como cada relação de marcha é criada pela caixa. Por exemplo, quando falamos em sobremarcha, dissemos:

Nesta caixa, quando a sobremarcha é selecionada, uma árvore que está ligada à caixa do conversor de torque (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 de torque.

Para colocar a caixa em sobremarcha, muitas coisas têm de ser conectadas e desconectadas por embreagens e cintas. O suporte das planetárias é conectado à caixa do conversor de torque por uma embreagem. A solar menor é desconectada da turbina por uma embreagem para que possa girar livremente. A engrenagem solar grande é segura à caixa por uma cinta para que não possa girar. Cada seleção de marcha desencadeia uma série de eventos como estes com diferentes embreagens e cintas engatando e desengatando. Vamos dar uma olhada em uma cinta.

Nesta caixa há duas cintas. Elas são literalmente cintas de aço e envolvem partes do trem de engrenagem e se conectam à caixa. Elas são acionadas por cilindros hidráulicos dentro da carcaça do câmbio.

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Uma das cintas

Na figura acima você pode ver uma das cintas na caixa de câmbio. O trem de engrenagem foi removido. A haste de metal é conectada ao pistão, o qual aciona a cinta.

Os pistões que acionam as cintas podem ser vistos aqui

Acima você pode ver dois pistões que acionam as cintas. A pressão hidráulica, direcionada para dentro do cilindro por um conjunto de válvulas, faz com que os pistões pressionem as cintas, travando aquela parte do trem de engrenagem à caixa.

As embreagens na caixa são um pouco mais complexas. Nestas existem quatro embreagens. Cada uma é acionada por fluido hidráulico pressurizado que faz um pistão entrar no interior da embreagem. Molas garantem que a embreagem seja desacoplada assim que a pressão é diminuída. Abaixo você pode ver o pistão e o tambor de embreagem. Note o vedador de borracha no pistão – este é um dos componentes que é substituído quando a caixa é recondicionada. 
 

Uma das embreagens da caixa

A próxima imagem mostra as camadas alternadas de material de atrito de embreagem e placas de aço. O material de atrito é estriado na parte interna, onde fica solidária a uma das engrenagens. A placa de aço é estriada por fora, onde fica solidária à caixa de embreagem. Estas peças da embreagem também são substituídas quando a caixa automática é recondicionada. 
 

As peças de embreagem

A pressão para as embreagens é alimentada através de passagens nas árvores. O sistema hidráulico controla quais embreagens e cintas devem ser energizadas num dado momento.

Quando você coloca o carro em Estacionar (P = Park)
Pode parecer uma coisa simples bloquear a caixa e fazer com que ela pare de girar; mas na realidade existem requisitos complexos para este mecanismo:

• Você terá que destravá-la quando o carro estiver em uma ladeira (o peso do carro está repousado no mecanismo).
• Você terá que engatar o mecanismo mesmo se a alavanca não estiver alinhada com a engrenagem.
• Uma vez travado, alguma coisa tem de impedir que a alavanca pule e destrave.

Um mecanismo que faz tudo isto é bem surpreendente. Vamos primeiro ver algumas das peças.

A saída da transmissão: os entalhes quadrados são engatados pelo mecanismo de travamento para manter o carro imóvel

O mecanismo de travamento engata os dentes na saída da caixa para manter o carro imóvel. Esta é a parte da caixa que se une à árvore de transmissão – assim, quando esta peça não pode girar, o carro não se move.  

 

Uma caixa de câmbio vazia com o mecanismo de travamento visível, como acontece quando o carro está travado

Acima você vê o mecanismo de travamento projetando-se na carcaça onde as engrenagens ficam localizadas. Note que ele tem os lados cônicos. Isto ajuda a destravar o mecanismo de travamento quando você está numa ladeira – a força do peso do carro ajuda a empurrar o mecanismo de travamento para fora do lugar por causa do formato cônico.

Esta haste aciona o mecanismo de travamento

Esta haste é conectada a um cabo que, por sua vez, é operado pela alavanca seletora de marcha do seu carro.

Visão superior do mecanismo de travamento

Quando a alavanca é colocada em Estacionar (P), a haste empurra a mola contra um pequeno mancal cônico. Se o mecanismo de travamento estiver alinhado de modo que possa cair em um dos entalhes na seção de saída da engrenagem, o mancal empurrará o mecanismo para baixo. Se o mecanismo estiver alinhado com uma dos pontos elevados na saída, então a mola empurrará o mancal mas a alavanca não bloqueará o carro no lugar até que este se mova um pouco e os dentes se alinhem adequadamente. É por isso que às vezes seu carro se move um pouco mais depois que você o colocou em Estacionar e soltou o pedal de freio – ele tem que rodar um pouco para que os dentes se alinhem com o local onde o mecanismo de estacionamento possa entrar.

Quando um carro estiver seguramente colocado em Estacionar (P), a bucha irá prender a alavanca para que o carro não saia do modo Estacionar se ele estiver numa ladeira.

Caixas automáticas: Hidráulica, Bombas e Regulador

Hidráulica

A caixa automática de seu carro precisa executar inúmeras tarefas. Você talvez não perceba em quantas maneiras diferentes ela opera. Por exemplo, aqui estão alguns dos aspectos de uma caixa automática:

• Se o carro está em sobremarcha (em uma caixa de quatro marchas), a caixa seleciona automaticamente a marcha com base na velocidade e na posição do acelerador.
• Se você acelerar suavemente, as mudanças de marcha ocorrerão a velocidades mais baixas do que se você acelerar tudo.
• Se você pisar fundo no acelerador, a caixa irá reduzir para a próxima.
• Se você mover a alavanca seletora para uma marcha mais baixa, a caixa irá efetuar a redução, a não ser que o carro esteja muito rápido para aquela marcha. Quando é assim, ela aguarda até que o carro diminua a velocidade e então troca a marcha.
• Se você colocar a transmissão em segunda, ela nunca irá reduzir ou passar para uma marcha superior, mesmo que o carro pare, a não ser que você mova a alavanca seletora.

Você já deve ter visto anteriormente algo parecido com isto. Isto é realmente o cérebro da caixa automática, que gerencia todas essas funções e algumas outras mais. As passagens que você vê direcionam o fluido para todos os componentes da caixa. Passagens moldadas no metal são uma maneira eficiente de direcionar o fluido; sem elas, seriam necessários muitas mangueiras e tubos para conectar as várias partes da caixa. Inicialmente, discutiremos os componentes fundamentais de um sistema hidráulico; depois veremos como eles funcionam em conjunto. 

A bomba

As caixas automáticas têm uma eficiente bomba, do tipo de engrenagem. Esta bomba geralmente está localizada na tampa da caixa. Ela aspira o fluido de um cárter na parte de baixo da caixa e o envia para o sistema hidráulico. Além disso, ela alimenta o resfriador da caixa e o conversor de torque.

Bomba de engrenagem de uma caixa automática

A engrenagem interna da bomba é solidária à caixa do conversor de torque e, assim, ela gira na mesma velocidade que o motor. A engrenagem externa é girada pela interna e, quando as engrenagens giram, o fluido é aspirado do cárter de um lado da crescente, lançado para fora e chega ao sistema hidráulico, que está do outro lado.

O regulador

O regulador é uma válvula inteligente que informa a velocidade do carro ao câmbio. É conectado à saída, de modo que quanto mais rápido o carro se move, mais rápido o regulador gira. Dentro do regulador há uma válvula carregada com uma mola que abre proporcionalmente à velocidade com que o regulador esta girando – quanto mais rápido o regulador girar, mais a válvula se abrirá. O fluido da bomba alimenta o regulador através da árvore de saída.

Quanto mais rápido um carro anda, mais a válvula do regulador se abre e maior a pressão do fluido que ele deixa passar.

 

Regulador

Caixas automáticas: válvulas e moduladores

Para fazer as mudanças de marcha adequadamente, a caixa automática precisa saber o grau de esforço do motor. Existem duas maneiras de fazer isso. Alguns carros têm uma ligação de cabo simples conectado àválvula de aceleração na caixa. Quanto mais o pedal do acelerador é pressionado, mais pressão é colocada na válvula de aceleração. Outros carros usam um modulador a vácuo para fazer pressão na válvula de aceleração. O modulador sente a pressão no coletor de admissão, que cai quando o motor se encontra sob grande carga.

A válvula manual é onde a alavanca seletora de marcha se engata. Dependendo de qual marcha está selecionada, a válvula manual alimenta circuitos hidráulicos que inibem outras marchas. Por exemplo, se a alavanca de marcha está na terceira marcha, ela alimenta um circuito que impede que se engate a sobremarcha.

As válvulas de mudança fornecem pressão hidráulica para as embreagens e cintas para engatar cada marcha. O corpo de válvulas da caixa contém várias válvulas de mudança. Elas determinam quando mudar de uma marcha para outra. Por exemplo, a válvula de mudança de primeira para segunda determina quando efetuar essa troca. Esta válvula é pressurizada com fluido do regulador por um lado, e pela válvula de aceleração do outro. Elas são supridas com fluido pela bomba e direcionam este fluido a um dos circuitos de modo a controlar a marcha que está engatada.

Circuito de câmbio

A válvula de mudança vai retardar uma troca de marcha ascendente se o carro estiver acelerando rapidamente. Se o carro acelerar suavemente, essa troca de marcha ocorrerá numa velocidade mais baixa. Vamos ver o que acontece se o carro for acelerado suavemente.

Quando a velocidade do carro aumenta, aumenta a pressão do regulador, empurrando a válvula de mudança até que ultrapasse o circuito da primeira marcha e feche-o, enquanto o circuito da segunda abre. Como o carro está acelerando suavemente, a válvula de aceleração não aplica muita pressão contra a válvula de mudança.

Quando o carro acelera rapidamente, a válvula de aceleração aplica maior pressão contra a válvula de mudança. Isto significa que a pressão do regulador tem de ser maior (e portanto a velocidade do veículo tem de ser mais alta) antes da válvula de mudança mover o suficiente para que a segunda marcha seja engatada.

Cada válvula de mudança responde a uma faixa de pressão em particular. Assim, quando o carro vai mais rápido a válvula de mudança muda de 2 para 3 , porque a pressão do regulador é suficientemente alta para acionar aquela válvula.

Caixas de controle eletrônico

A caixa de controle eletrônico, que aparece em alguns carros mais novos, ainda usa a hidráulica para acionar as embreagens e cintas, mas cada circuito hidráulico é controlado por um solenóide elétrico. Isto simplifica o circuito hidráulico da caixa e permite esquemas de controle mais avançados.

Na última seção vimos alguns controles estratégicos que as caixas de controle mecânico usam. As de controle eletrônico têm esquemas de controle ainda mais elaborados. Além do monitoramento da velocidade do veículo e da posição do acelerador, o controle da caixa pode monitorar a rotação do motor, se o pedal de freio esta apertado ou até o sistema de freio antitravamento (ABS).

Usando esta informação e uma estratégia de controle avançado baseado em lógica humana – um método de sistemas de controle de programação usando o tipo de razão humana – caixas de controle eletrônico podem fazer coisas como:

• Reduzir automaticamente quando estamos descendo uma ladeira, de modo a controlar a velocidade e diminuir o desgaste dos freios.
• Aumentar a marcha quando freamos numa superfície lisa para reduzir o freio-motor.
• Inibir a troca para uma marcha superior quando vamos entrar numa curva numa estrada sinuosa.

Vamos falar deste último aspecto – inibir a troca para uma marcha superior quando rodamos numa estrada sinuosa. Digamos que você esteja dirigindo na subida de serra cheia de curvas. Quando você está na parte reta da serra, a caixa muda para a segunda marcha para lhe dar aceleração suficiente para subir melhor. Ao chegar numa curva você diminui, levantando o pé do acelerador e possivelmente pisando no freio. A maioria das caixas mudará para a terceira marcha, ou até usarão a sobremarcha ao tirar o pé do acelerador. E depois que você acelera ao sair da curva, ela reduzirá a marcha novamente. Mas se você estivesse dirigindo um carro de caixa manual, você provavelmente deixaria o carro na mesma marcha o tempo todo. Algumas caixas automáticas com um sistema de controle avançado podem detectar esta situação depois de você ter passado por algumas curvas e "aprender" a não trocar a marcha para uma superior de novo.