Pedeorelha | Como funcionam os CVTs

Rudolf Cole
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Galeria de imagens de transmissão

Foto cedida pela Nissan Global
Motor Nissan HR15DE com Xtronic CVT. Veja mais fotos de transmissão.

Alguns dizem que você não pode ensinar novos truques a um cachorro velho. Mas a transmissão continuamente variável (CVT), que Leonardo da Vinci conceituou há mais de 500 anos e agora está substituindo as transmissões automáticas planetárias em alguns automóveis, é um velho cachorro que definitivamente aprendeu alguns truques novos. De fato, desde que a primeira patente toroidal CVT foi registrada em 1886, a tecnologia foi refinada e melhorada. Hoje, vários fabricantes de automóveis, incluindo General Motors, Audi, Honda e Nissan, estão projetando seus trens de força em torno de CVTs.

Neste artigo, vamos explorar como um CVT funciona em um carro com tração traseira típico, respondendo a várias perguntas no caminho:

Como um CVT se compara a uma transmissão automática planetária convencional?
Quais são as partes e como essas partes funcionam?
Quais vantagens os CVTs oferecem em relação às transmissões automáticas convencionais? E as desvantagens?
Como é a experiência de dirigir em um carro com um CVT?
Que tipo de marcas e modelos incorporam CVTs?
Existem outras aplicações para CVTs além de automóveis??

Primeiro, veremos como um CVT se compara a uma transmissão automática tradicional.

Chega de engrenagens
Um cronograma de inovação da CVT

1490 - Da Vinci esboça uma transmissão continuamente variável e contínua
1886 - primeiro pedido de patente toroidal CVT
1935 - Adiel Dodge recebe patente nos EUA para CVT toroidal
1939 - transmissão totalmente automática baseada no sistema de engrenagens planetárias introduzido
1958 - Daf (da Holanda) produz um CVT em um carro
1989 - Subaru Justy GL é o primeiro automóvel de produção vendido nos EUA a oferecer um CVT
2002 - Saturn Vue com estreia CVT; primeiro Saturno a oferecer tecnologia CVT
2004 - Ford começa a oferecer um CVT

-Se você leu sobre a estrutura e a função das transmissões automáticas em Como funcionam as transmissões automáticas, sabe que a função da transmissão é alterar a relação de velocidade entre o motor e as rodas de um automóvel. Em outras palavras, sem uma transmissão, os carros teriam apenas uma marcha - aquela que permitiria ao carro viajar na velocidade máxima desejada. Imagine por um momento dirigindo um carro que só tinha primeira marcha ou um carro que só tinha terceira marcha. O primeiro carro aceleraria bem a partir de uma parada completa e seria capaz de subir uma colina íngreme, mas sua velocidade máxima seria limitada a apenas alguns quilômetros por hora. O último carro, por outro lado, voaria a 80 mph na rodovia, mas não teria quase nenhuma aceleração ao partir e não seria capaz de subir colinas.

Portanto, a transmissão usa uma variedade de marchas - de baixa a alta - para fazer uso mais eficaz do torque do motor conforme as condições de direção mudam. As engrenagens podem ser engatadas manualmente ou automaticamente.

Foto cedida pela DaimlerChrysler
Transmissão automática Mercedes-Benz CLK.

Em uma transmissão automática tradicional, as engrenagens são literalmente engrenagens - rodas dentadas intertravadas que ajudam a transmitir e modificar o movimento giratório e o torque. Uma combinação de engrenagens planetárias cria todas as relações de engrenagem diferentes que a transmissão pode produzir, normalmente quatro marchas para frente e uma marcha à ré. Quando este tipo de transmissão passa por suas marchas, o motorista pode sentir solavancos conforme cada marcha é engatada.

CVT Basics
Ao contrário das transmissões automáticas tradicionais, as transmissões continuamente variáveis não têm uma caixa de velocidades com um determinado número de engrenagens, o que significa que não têm rodas dentadas interligadas. O tipo mais comum de CVT opera em um engenhoso sistema de polia que permite uma variabilidade infinita entre as marchas mais altas e mais baixas, sem etapas ou mudanças discretas.

Foto cedida pela Ford Motor Company
Motor Ford Freestyle Duratec com CVT

Se você está se perguntando por que a palavra "engrenagem" ainda aparece na explicação de um CVT, lembre-se de que, falando de maneira geral, uma engrenagem se refere a um Razão da velocidade do eixo do motor para a velocidade do eixo de transmissão. Embora os CVTs alterem essa proporção sem usar um conjunto de engrenagens planetárias, eles ainda são descritos como tendo "engrenagens" baixas e altas por causa da convenção.

A seguir, veremos os diferentes tipos de CVTs: baseado em polia, toroidal e hidrostático.

Foto cedida pela Nissan Global
CVT com base em polia

Olhe para uma transmissão automática planetária e você verá um mundo complexo de engrenagens, freios, embreagens e dispositivos de controle. Em comparação, uma transmissão continuamente variável é um estudo de simplicidade. A maioria dos CVTs tem apenas três componentes básicos:

Um cinto de borracha ou metal de alta potência
Uma polia "motriz" de entrada variável
Uma polia "acionada" de saída

Os CVTs também têm vários microprocessadores e sensores, mas os três componentes descritos acima são os principais elementos que permitem que a tecnologia funcione.

As polias de diâmetro variável são o coração de um CVT. Cada polia é feita de dois cones de 20 graus voltados um para o outro. Uma correia passa na ranhura entre os dois cones. Correias em V são preferidos se a correia for feita de borracha. As correias em V recebem esse nome devido ao fato de que apresentam uma seção transversal em forma de V, o que aumenta a aderência por atrito da correia.

Quando os dois cones da polia estão distantes (quando o diâmetro aumenta), a correia desce na ranhura e o raio da volta da correia ao redor da polia fica menor. Quando os cones estão próximos (quando o diâmetro diminui), a correia passa mais alto na ranhura e o raio da volta da correia ao redor da polia fica maior. Os CVTs podem usar pressão hidráulica, força centrífuga ou tensão da mola para criar a força necessária para ajustar as metades da polia.

As polias de diâmetro variável devem sempre vir aos pares. Uma das polias, conhecida como o polia motriz (ou polia motriz), está conectado ao virabrequim do motor. A polia motriz também é chamada de polia de entrada porque é onde a energia do motor entra na transmissão. A segunda polia é chamada de polia conduzida porque a primeira polia está girando. Como um polia de saída, a polia acionada transfere energia para o eixo de transmissão.

A distância entre o centro das polias e onde a correia faz contato na ranhura é conhecida como raio de passo. Quando as polias estão distantes, a correia desce e o raio de passo diminui. Quando as polias estão próximas, a correia sobe e o raio de passo aumenta. A relação entre o raio do passo na polia motriz e o raio do passo na polia impulsionada determina a engrenagem.

Quando uma polia aumenta seu raio, a outra diminui seu raio para manter a correia esticada. À medida que as duas polias mudam seus raios em relação uma à outra, elas criam um número infinito de relações de engrenagem - de baixo para alto e tudo o que está entre os dois. Por exemplo, quando o raio do passo é pequeno na polia motriz e grande na polia motora, então a velocidade de rotação da polia motora diminui, resultando em uma "engrenagem" mais baixa. Quando o raio de passo é grande na polia motriz e pequeno na polia motora, a velocidade de rotação da polia motora aumenta, resultando em uma "engrenagem" mais alta. Assim, em teoria, um CVT possui um número infinito de "marchas" que pode percorrer a qualquer momento, em qualquer motor ou velocidade do veículo.

A simplicidade e a natureza contínua dos CVTs os tornam uma transmissão ideal para uma variedade de máquinas e dispositivos, não apenas carros. Os CVTs são usados há anos em ferramentas elétricas e furadeiras. Eles também foram usados em uma variedade de veículos, incluindo tratores, veículos para neve e scooters. Em todas essas aplicações, as transmissões contam com correias de borracha de alta densidade, que podem deslizar e esticar, reduzindo assim sua eficiência.

A introdução de novos materiais torna os CVTs ainda mais confiáveis e eficientes. Um dos avanços mais importantes foi o projeto e o desenvolvimento de correias de metal para conectar as polias. Essas correias flexíveis são compostas por várias (normalmente nove ou 12) faixas finas de aço que mantêm juntas peças de metal em forma de gravata borboleta de alta resistência.

Design de cinto de metal

As correias de metal não escorregam e são altamente durável, permitindo que os CVTs lidem com mais torque do motor. Eles também são mais quieto do que CVTs com correia de borracha.

Outra versão do CVT - o sistema toroidal CVT - substitui as correias e polias com discos e rolos de energia.

Foto cedida pela Nissan Global
Nissan Extroid toroidal CVT

Embora tal sistema pareça drasticamente diferente, todos os componentes são análogos a um sistema de correia e polia e levam aos mesmos resultados - uma transmissão continuamente variável. Funciona assim:

Um disco se conecta ao motor. Isso é equivalente à polia motriz.
Outro disco se conecta ao eixo de transmissão. Isso é equivalente à polia acionada.
Rolos, ou rodas, localizados entre os discos agem como a correia, transmitindo energia de um disco para o outro.

As rodas podem girar ao longo de dois eixos. Eles giram em torno do eixo horizontal e se inclinam para dentro ou para fora em torno do eixo vertical, o que permite que as rodas toquem os discos em áreas diferentes. Quando as rodas estão em contato com o disco de acionamento próximo ao centro, elas devem entrar em contato com o disco de acionamento próximo ao aro, resultando em uma redução na velocidade e um aumento no torque (isto é, marcha baixa). Quando as rodas tocam o disco de acionamento próximo ao aro, elas devem entrar em contato com o disco de acionamento próximo ao centro, resultando em um aumento na velocidade e uma diminuição no torque (isto é, engrenagem de overdrive). Uma simples inclinação das rodas, então, muda gradativamente a relação de marcha, proporcionando mudanças de relação suaves e quase instantâneas.

Tanto o CVT de polia e correia em V e o CVT toroidal são exemplos de CVTs de fricção, que funcionam variando o raio do ponto de contato entre dois objetos rotativos. Existe outro tipo de CVT, conhecido como CVT hidrostático, que usa bombas de deslocamento variável para variar o fluxo de fluido em motores hidrostáticos. Nesse tipo de transmissão, o movimento de rotação do motor opera uma bomba hidrostática no lado motriz. A bomba converte o movimento rotacional em fluxo de fluido. Então, com um motor hidrostático localizado no lado acionado, o fluxo de fluido é convertido de volta em movimento de rotação.

Muitas vezes, uma transmissão hidrostática é combinada com um conjunto de engrenagens planetárias e garras para criar um sistema híbrido conhecido como um transmissão hidromecânica. As transmissões hidromecânicas transferem a potência do motor para as rodas em três modos diferentes. Em baixa velocidade, a potência é transmitida hidraulicamente e, em alta velocidade, a potência é transmitida mecanicamente. Entre esses extremos, a transmissão usa meios hidráulicos e mecânicos para transferir energia. As transmissões hidromecânicas são ideais para aplicações pesadas, razão pela qual são comuns em tratores agrícolas e veículos todo-o-terreno.

Benefícios CVT

As transmissões continuamente variáveis estão se tornando mais populares por um bom motivo. Eles possuem várias vantagens que os tornam atraentes tanto para motoristas quanto para ambientalistas. A tabela abaixo descreve alguns dos principais recursos e benefícios dos CVTs.

Vantagens dos CVTs
Característica	Beneficiar
Aceleração constante e contínua de uma parada completa à velocidade de cruzeiro	Elimina o "choque de mudança" - torna a viagem mais suave
Trabalha para manter o carro em sua faixa de potência ideal, independentemente da velocidade com que o carro se desloca	Maior eficiência de combustível
Responde melhor às mudanças nas condições, como mudanças no acelerador e na velocidade	Elimina a busca de marchas conforme um carro desacelera, especialmente subindo uma colina
Menos perda de potência em um CVT do que uma transmissão automática típica	Melhor aceleração
Melhor controle da faixa de velocidade de um motor a gasolina	Melhor controle sobre as emissões
Pode incorporar versões automatizadas de embreagens mecânicas	Substitua conversores de torque de fluido ineficientes

Na próxima seção, veremos como é dirigir um carro baseado em CVT.

Carros com CVTs são comuns na Europa há anos. Mas demorou um pouco para que a tecnologia se firmasse nos Estados Unidos. O primeiro automóvel de produção a oferecer um CVT nos Estados Unidos foi o Subaru Justy.

Foto cedida pela Subaru França
Subaru Justy

Vendido entre 1989 e 1993, o Justy nunca atraiu a atenção dos motoristas americanos. Então, o que há de diferente nos carros mais novos baseados em CVT - carros como o Saturn Vue, o Audi A4 e A6, o Nissan Murano e o Honda Insight? A melhor maneira de responder a essa pergunta é levar um desses carros para um "test drive". A animação abaixo, que compara a aceleração de um carro com CVT a um sem, dá a você uma boa noção da experiência.

Quando você pisa no acelerador de um carro com uma transmissão continuamente variável, você percebe a diferença imediatamente. O motor aumenta em direção à rotação em que produz mais potência e, então, permanece lá. Mas o carro não reage imediatamente. Então, um momento depois, a transmissão entra em ação, acelerando o carro lentamente, de forma constante e sem mudanças. Em teoria, um carro com CVT deveria atingir 60 mph (100 km / h) 25 por cento mais rápido do que o mesmo carro com o mesmo motor e transmissão manual [ref]. Isso porque o CVT converte cada ponto da curva operacional do motor em um ponto correspondente em sua própria curva operacional.

Se você olhar a curva de potência do carro sem CVT, verá que isso é verdade. Observe que o tacômetro nesta situação mostra o motor acelerando para cima e para baixo a cada mudança de marcha, o que é registrado como um pico na curva de potência (e que o motorista sente como um solavanco).

Os CVTs são igualmente eficientes em colinas. Não há "busca de marcha", porque o CVT reduz continuamente até uma relação de marcha apropriada para as condições de direção. Uma transmissão automática convencional muda para frente e para trás tentando encontrar a marcha certa, que é muito menos eficiente.

Com todas as suas vantagens, os CVTs têm algumas deficiências. Nos Estados Unidos, eles ainda estão tentando superar um problema de imagem. O Subaru Justy, por exemplo, era conhecido como um micro-carro sem tripas. Tradicionalmente, os CVTs com acionamento por correia eram limitados na quantidade de torque que podiam suportar e eram maiores e mais pesados do que seus equivalentes automáticos e manuais. Os avanços tecnológicos colocaram os CVTs no reino da competição - o CVT do Nissan Murano pode lidar com seu motor V6 de 3,5 litros e 245 cavalos de força - mas as primeiras impressões são difíceis de superar.

Para mais informações sobre as transmissões continuamente variáveis e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.