Como funcionam os diferenciais

O diferencial é um dispositivo que divide o torque do motor de duas maneiras, permitindo que cada saída gire em uma velocidade diferente.

O diferencial é encontrado em todos os carros e caminhões modernos e também em muitos veículos com tração nas quatro rodas (tração nas quatro rodas em tempo integral). Esses veículos com tração nas quatro rodas precisam de um diferencial entre cada conjunto de rodas motrizes e também entre as rodas dianteiras e traseiras, porque as rodas dianteiras percorrem uma distância diferente em uma curva do que as rodas traseiras.

Os sistemas de tração nas quatro rodas em tempo parcial não têm um diferencial entre as rodas dianteiras e traseiras; em vez disso, eles são travados juntos para que as rodas dianteiras e traseiras tenham que girar na mesma velocidade média. É por isso que esses veículos são difíceis de girar em concreto quando o sistema de tração nas quatro rodas está ativado.

Começaremos com o tipo de diferencial mais simples, chamado de diferencial aberto. Primeiro, precisamos explorar alguma terminologia: A imagem abaixo rotula os componentes de um diferencial aberto.

Quando um carro está dirigindo em linha reta na estrada, as duas rodas motrizes estão girando na mesma velocidade. o pinhão de entrada está girando a coroa e a gaiola, e nenhum dos pinhões dentro da gaiola está girando - ambas as engrenagens laterais estão efetivamente travadas na gaiola.

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Animação cortesia de Geebee's Vector Animations

Observe que o pinhão de entrada é uma engrenagem menor do que a coroa; esta é a última redução de marcha do carro. Você pode ter ouvido termos como relação do eixo traseiro ou Relação de transmissão final. Eles se referem à relação de transmissão no diferencial. Se a relação de transmissão final for 4,10, então a coroa dentada tem 4,10 vezes mais dentes que a engrenagem do pinhão de entrada. Consulte Como funcionam as engrenagens para obter mais informações sobre as relações de engrenagem.

Quando um carro faz uma curva, as rodas devem girar em velocidades diferentes.

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Animação cortesia de Geebee's Vector Animations

Na figura acima, você pode ver que os pinhões da gaiola começam a girar conforme o carro começa a girar, permitindo que as rodas se movam em velocidades diferentes. A roda interna gira mais devagar do que a gaiola, enquanto a roda externa gira mais rápido.

Diferencial aberto - reto (600 KB)

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Diferencial aberto - torneamento (1,1 MB)

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O diferencial aberto sempre aplica a mesma quantidade de torque para cada roda. Existem dois fatores que determinam quanto torque pode ser aplicado às rodas: equipamento e tração. Em piso seco, quando há bastante tração, a quantidade de torque aplicada às rodas é limitada pelo motor e pela marcha; em uma situação de baixa tração, como ao dirigir no gelo, a quantidade de torque é limitada à maior quantidade que não fará com que a roda escorregue nessas condições. Portanto, mesmo que um carro seja capaz de produzir mais torque, é preciso haver tração suficiente para transmitir esse torque ao solo. Se você der mais gasolina ao carro depois que as rodas começarem a patinar, elas vão girar mais rápido.

Em gelo fino

Se você já dirigiu no gelo, deve conhecer um truque que torna a aceleração mais fácil: se você começar na segunda, ou mesmo na terceira, ao invés da primeira, por causa da engrenagem da transmissão você terá menos torque disponível para as rodas. Isso tornará mais fácil acelerar sem girar as rodas.

Agora, o que acontece se uma das rodas motrizes tiver boa tração e a outra estiver no gelo? É aqui que entra o problema com diferenciais abertos.

Lembre-se de que o diferencial aberto sempre aplica o mesmo torque em ambas as rodas, e a quantidade máxima de torque é limitada à maior quantidade que não fará as rodas patinarem. Não é preciso muito torque para fazer um pneu escorregar no gelo. E quando a roda com boa tração está recebendo apenas a pequena quantidade de torque que pode ser aplicada à roda com menos tração, seu carro não vai se mover muito.

Fora da estrada

Outra ocasião em que os diferenciais abertos podem causar problemas é quando você está dirigindo fora da estrada. Se você tem um caminhão com tração nas quatro rodas, ou um SUV, com um diferencial aberto na frente e atrás, pode ficar preso. Agora, lembre-se - como mencionamos na página anterior, o diferencial aberto sempre aplica o mesmo torque a ambas as rodas. Se um dos pneus dianteiros e um dos pneus traseiros saírem do chão, eles simplesmente girarão indefesamente no ar e você não conseguirá se mover..

A solução para esses problemas é o diferencial de deslizamento limitado (LSD), às vezes chamado positração. Diferenciais de deslizamento limitado usam vários mecanismos para permitir a ação diferencial normal ao contornar curvas. Quando uma roda escorrega, eles permitem que mais torque seja transferido para a roda antideslizante.

As próximas seções irão detalhar alguns dos diferentes tipos de diferenciais de deslizamento limitado, incluindo o LSD do tipo embreagem, o acoplamento viscoso, diferencial de travamento e diferencial Torsen.

O diferencial de deslizamento limitado do tipo embreagem adiciona um pacote de molas e um conjunto de embreagens ao diferencial aberto. Imagem cedida pela Eaton Automotive Group's Torque Control Products Division

O LSD tipo embreagem é provavelmente a versão mais comum do diferencial de deslizamento limitado

Este tipo de LSD tem todos os mesmos componentes de um diferencial aberto, mas adiciona um pacote de primavera e um conjunto de garras. Alguns deles têm uma embreagem cônica semelhante aos sincronizadores de uma transmissão manual.

O pacote de molas empurra as engrenagens laterais contra as embreagens, que estão presas à gaiola. Ambas as engrenagens laterais giram com a gaiola quando ambas as rodas estão se movendo na mesma velocidade, e as embreagens não são realmente necessárias - a única vez que as embreagens entram é quando algo acontece para fazer uma roda girar mais rápido que a outra, como em uma vez. As embreagens combatem esse comportamento, querendo que ambas as rodas tenham a mesma velocidade. Se uma roda quiser girar mais rápido do que a outra, ela deve primeiro dominar a embreagem. A rigidez das molas combinada com o atrito da embreagem determina quanto torque é necessário para dominá-la.

Voltando à situação em que uma roda motriz está no gelo e a outra tem boa tração: com esse diferencial de deslizamento limitado, embora a roda no gelo não seja capaz de transmitir muito torque ao solo, a outra roda ainda obterá o torque de que precisa para se mover. O torque fornecido à roda que não está no gelo é igual à quantidade de torque necessária para dominar as embreagens. O resultado é que você pode seguir em frente, embora ainda não com toda a potência do seu carro.

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O acoplamento viscoso é freqüentemente encontrado em veículos com tração nas quatro rodas. É comumente usado para ligar as rodas traseiras às rodas dianteiras, de modo que quando um conjunto de rodas começar a escorregar, o torque será transferido para o outro conjunto.

O acoplamento viscoso possui dois conjuntos de placas dentro de um alojamento vedado que é preenchido com um fluido espesso, conforme mostrado abaixo. Um conjunto de placas é conectado a cada eixo de saída. Em condições normais, os dois conjuntos de placas e o fluido viscoso giram na mesma velocidade. Quando um conjunto de rodas tenta girar mais rápido, talvez porque esteja escorregando, o conjunto de placas correspondente a essas rodas gira mais rápido do que o outro. O fluido viscoso, preso entre as placas, tenta alcançar os discos mais rápidos, arrastando os discos mais lentos. Isso transfere mais torque para as rodas que se movem mais lentamente - as rodas que não estão escorregando.

Quando um carro está girando, a diferença de velocidade entre as rodas não é tão grande quanto quando uma roda escorrega. Quanto mais rápido as placas estão girando em relação umas às outras, mais torque o acoplamento viscoso transfere. O acoplamento não interfere nas curvas porque a quantidade de torque transferida durante uma curva é muito pequena. No entanto, isso também destaca uma desvantagem do acoplamento viscoso: nenhuma transferência de torque ocorrerá até que uma roda realmente comece a escorregar.

Um experimento simples com um ovo ajudará a explicar o comportamento do acoplamento viscoso. Se você colocar um ovo na mesa da cozinha, a casca e a gema ficarão fixas. Se você girar o ovo repentinamente, a casca se moverá a uma velocidade mais rápida do que a gema por um segundo, mas a gema irá se recuperar rapidamente. Para provar que a gema está girando, assim que o ovo estiver girando, pare-o rapidamente e solte - o ovo começará a girar novamente (a menos que esteja bem cozido). Neste experimento, utilizamos o atrito entre a casca e a gema para aplicar força na gema, acelerando-a. Quando paramos a casca, esse atrito - entre a gema ainda em movimento e a casca - aplicou força na casca, fazendo com que ela se acelerasse. Em um acoplamento viscoso, a força é aplicada entre o fluido e os conjuntos de placas da mesma forma que entre a gema e a casca.

Imagem cedida pela Eaton Automotive Group's Torque Control Products Division

o diferencial de bloqueio é útil para veículos off-road sérios. Este tipo de diferencial tem as mesmas peças de um diferencial aberto, mas adiciona um mecanismo elétrico, pneumático ou hidráulico para travar os dois pinhões de saída juntos.

Esse mecanismo geralmente é ativado manualmente por interruptor e, quando ativado, as duas rodas giram na mesma velocidade. Se uma roda sair do chão, a outra não saberá ou se importará. Ambas as rodas continuarão girando na mesma velocidade como se nada tivesse mudado.

o Diferencial Torsen* é um dispositivo puramente mecânico; não tem eletrônicos, embreagens ou fluidos viscosos.

-O Torsen (de TorThat Sensing) funciona como um diferencial aberto quando a quantidade de torque que vai para cada roda é igual. Assim que uma roda começa a perder tração, a diferença de torque faz com que as engrenagens do diferencial Torsen se encaixem. O desenho das engrenagens no diferencial determina o relação de polarização de torque. Por exemplo, se um diferencial Torsen específico é projetado com uma relação de polarização de 5: 1, ele é capaz de aplicar até cinco vezes mais torque à roda que tem boa tração.

Esses dispositivos são frequentemente usados ​​em veículos com tração nas quatro rodas de alto desempenho. Como o acoplamento viscoso, eles costumam ser usados ​​para transferir força entre as rodas dianteiras e traseiras. Nesta aplicação, o Torsen é superior ao acoplamento viscoso porque transfere torque para as rodas estáveis ​​antes que ocorra o escorregamento real.

No entanto, se um conjunto de rodas perder totalmente a tração, o diferencial Torsen não será capaz de fornecer qualquer torque ao outro conjunto de rodas. A taxa de polarização determina quanto torque pode ser transferido, e cinco vezes zero é zero.

*TORSEN é uma marca registrada da Zexel Torsen, Inc.

Hummer!

O HMMWV, ou Hummer, usa diferenciais Torsen® nos eixos dianteiro e traseiro. O manual do proprietário do Hummer propõe uma solução inovadora para o problema de uma roda que sai do chão: aplique os freios. Ao aplicar os freios, o torque é aplicado à roda que está no ar e, em seguida, cinco vezes esse torque pode ir para a roda com boa tração.

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Mais ótimos links

• Pyle Bros: Terminologia Diferencial
• O desenvolvimento de um diferencial para a melhoria do controle de tração
• Powertrax