Como funciona a tração nas quatro rodas

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Hummers operam com tração nas quatro rodas. Veja as fotos de off-road.

Existem quase tantos tipos diferentes de sistemas de tração nas quatro rodas quanto os veículos com tração nas quatro rodas. Parece que cada fabricante tem vários esquemas diferentes para fornecer energia a todas as rodas. A linguagem usada pelos diferentes fabricantes de automóveis pode às vezes ser um pouco confusa, então, antes de começarmos a explicar como eles funcionam, vamos esclarecer algumas terminologias:

  • Tração nas quatro rodas - Normalmente, quando os fabricantes de automóveis dizem que um carro tem tração nas quatro rodas, eles estão se referindo a um meio período sistema. Por motivos que exploraremos mais adiante neste artigo, esses sistemas devem ser usados ​​apenas em condições de baixa tração, como todo-o-terreno, neve ou gelo.
  • Tração nas quatro rodas - Esses sistemas às vezes são chamados tração nas quatro rodas em tempo integral. Os sistemas de tração nas quatro rodas são projetados para funcionar em todos os tipos de superfícies, tanto dentro quanto fora de estrada, e a maioria deles não pode ser desligada.

Os sistemas de tração nas quatro rodas em tempo parcial e integral podem ser avaliados usando os mesmos critérios. O melhor sistema enviará exatamente a quantidade certa de torque para cada roda, que é o torque máximo que não fará com que o pneu escorregue.

Neste artigo, explicaremos os fundamentos da tração nas quatro rodas, começando com algumas informações sobre tração e veremos os componentes que constituem um sistema de tração nas quatro rodas. Em seguida, daremos uma olhada em alguns sistemas diferentes, incluindo o encontrado no Hummer, fabricado para a GM pela AM General.

Precisamos saber um pouco sobre torque, tração e patinagem da roda antes que possamos entender os diferentes sistemas de tração nas quatro rodas encontrados nos carros.

O torque é a força de torção produzida pelo motor. O torque do motor é o que move seu carro. As várias engrenagens da transmissão e do diferencial multiplicam o torque e o dividem entre as rodas. Mais torque pode ser enviado às rodas na primeira marcha do que na quinta, porque a primeira marcha tem uma relação de transmissão maior para multiplicar o torque.

O gráfico de barras abaixo indica a quantidade de torque que o motor está produzindo. A marca no gráfico indica a quantidade de torque que causará patinagem da roda. O carro que dá uma boa partida nunca excede esse torque, então os pneus não escorregam; o carro que dá uma partida ruim excede esse torque, então os pneus escorregam. Assim que começam a escorregar, o torque cai para quase zero.

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O interessante sobre torque é que em situações de baixa tração, a quantidade máxima de torque que pode ser criada é determinada pela quantidade de tração, não pelo motor. Mesmo se você tiver um motor NASCAR em seu carro, se os pneus não grudarem no chão, simplesmente não há como aproveitar essa potência.

Para o propósito deste artigo, vamos definir tração como a quantidade máxima de força que o pneu pode aplicar contra o solo (ou que o solo pode aplicar contra o pneu - são a mesma coisa). Estes são os fatores que afetam a tração:

O peso no pneu -- Quanto mais peso tem um pneu, mais tração ele tem. O peso pode mudar conforme o carro se desloca. Por exemplo, quando um carro faz uma curva, o peso muda para as rodas externas. Quando ele acelera, o peso muda para as rodas traseiras. (Veja Como funcionam os freios para mais detalhes.)

O coeficiente de atrito -- Este fator relaciona a quantidade de força de atrito entre duas superfícies à força que mantém as duas superfícies juntas. No nosso caso, relaciona a quantidade de tração entre os pneus e a estrada ao peso que repousa sobre cada pneu. O coeficiente de atrito é principalmente uma função do tipo de pneus do veículo e do tipo de superfície em que o veículo está passando. Por exemplo, um pneu NASCAR tem um coeficiente de atrito muito alto quando está dirigindo em uma pista seca de concreto. Essa é uma das razões pelas quais os carros de corrida da NASCAR podem fazer curvas em velocidades tão altas. O coeficiente de atrito para esse mesmo pneu na lama seria quase zero. Por outro lado, pneus off-road enormes e nodosos não teriam um coeficiente de atrito tão alto em uma pista seca, mas na lama, seu coeficiente de atrito é extremamente alto.

Patinagem da roda -- Existem dois tipos de contato que os pneus podem fazer com a estrada: estático e dinâmico.

  • contato estático -- O pneu e a estrada (ou solo) não estão escorregando um em relação ao outro. O coeficiente de atrito para contato estático é maior do que para contato dinâmico, portanto, o contato estático fornece melhor tração.
  • contato dinâmico -- O pneu está escorregando em relação à estrada. O coeficiente de atrito para contato dinâmico é menor, então você tem menos tração.

Muito simplesmente, a patinagem da roda ocorre quando a força aplicada a um pneu excede a tração disponível para aquele pneu. A força é aplicada ao pneu de duas maneiras:

  • Longitudinalmente -- A força longitudinal vem do torque aplicado ao pneu pelo motor ou pelos freios. Ele tende a acelerar ou desacelerar o carro.
  • Lateralmente -- A força lateral é criada quando o carro faz uma curva. É preciso força para fazer um carro mudar de direção - em última análise, os pneus e o solo fornecem força lateral.

Digamos que você tenha um carro com tração traseira bastante potente e esteja fazendo uma curva em uma estrada molhada. Seus pneus têm tração suficiente para aplicar a força lateral necessária para manter o carro na estrada enquanto ele faz a curva. Digamos que você pise fundo no acelerador no meio da curva (não faça isso!) - seu motor envia muito mais torque às rodas, produzindo uma grande quantidade de força longitudinal. Se você somar a força longitudinal (produzida pelo motor) e a força lateral criada na curva, e a soma exceder a tração disponível, você acabou de criar o deslizamento da roda.

A maioria das pessoas nem chega perto de exceder a tração disponível em pavimento seco, ou mesmo em pavimento plano e molhado. Os sistemas de tração nas quatro rodas e nas quatro rodas são mais úteis em situações de baixa tração, como na neve e em colinas escorregadias.

O benefício da tração nas quatro rodas é fácil de entender: se você estiver dirigindo quatro rodas em vez de duas, terá o potencial de dobrar a quantidade de força longitudinal (a força que o faz ir) que os pneus aplicam ao solo.

Isso pode ajudar em várias situações. Por exemplo:

  • Na neve -- É preciso muita força para empurrar um carro na neve. A quantidade de força disponível é limitada pela tração disponível. A maioria dos carros com tração nas duas rodas não pode se mover se houver mais do que alguns centímetros de neve na estrada, porque na neve cada pneu tem apenas uma pequena quantidade de tração. Um carro com tração nas quatro rodas pode utilizar a tração dos quatro pneus.
  • Fora da estrada -- Em condições off-road, é bastante comum que pelo menos um jogo de pneus esteja em uma situação de baixa tração, como ao cruzar um riacho ou poça de lama. Com tração nas quatro rodas, o outro conjunto de pneus ainda tem tração, para que possam puxá-lo para fora.
  • Escalando colinas escorregadias -- Esta tarefa requer muita tração. Um carro com tração nas quatro rodas pode utilizar a tração de todos os quatro pneus para puxar o carro morro acima.

Existem também algumas situações em que a tração nas quatro rodas não oferece nenhuma vantagem sobre a tração nas duas rodas. Mais notavelmente, os sistemas de tração nas quatro rodas não o ajudarão a parar em superfícies escorregadias. Tudo depende dos freios e do sistema de freios antibloqueio (ABS).

Agora vamos dar uma olhada nas peças que compõem um sistema de tração nas quatro rodas.

O tipo mais comum de diferencial - o diferencial aberto

As partes principais de qualquer sistema de tração nas quatro rodas são os dois diferenciais (dianteiro e traseiro) e a caixa de transferência. Além disso, os sistemas de meio período têm cubos de travamento e ambos os tipos de sistemas podem ter eletrônicos avançados que os ajudam a fazer um uso ainda melhor da tração disponível.

Diferenciais Um carro tem dois diferenciais, um localizado entre as duas rodas dianteiras e outro entre as duas rodas traseiras. Eles enviam o torque do eixo motor ou da transmissão para as rodas motrizes. Eles também permitem que as rodas esquerda e direita girem em velocidades diferentes quando você faz uma curva.

Quando você faz uma curva, as rodas internas seguem um caminho diferente do que as rodas externas e as rodas dianteiras seguem um caminho diferente do das rodas traseiras, de modo que cada uma das rodas gira em uma velocidade diferente. Os diferenciais possibilitam a diferença de velocidade entre as rodas internas e externas. (Na tração integral, a diferença de velocidade entre as rodas dianteiras e traseiras é tratada pela caixa de transferência - discutiremos isso a seguir.)

Existem diversos tipos de diferenciais usados ​​em automóveis e caminhões. Os tipos de diferenciais usados ​​podem ter um efeito significativo em quão bem o veículo utiliza a tração disponível. Veja Como funcionam os diferenciais para obter mais detalhes.

Uma típica caixa de transferência de tração nas quatro rodas em tempo parcial: A redução da engrenagem planetária pode ser engatada para fornecer a engrenagem de baixa gama.

Caixa de transferência

Este é o dispositivo que divide a potência entre os eixos dianteiro e traseiro em um carro com tração nas quatro rodas.

De volta ao nosso exemplo de curvas: enquanto os diferenciais lidam com a diferença de velocidade entre as rodas internas e externas, a caixa de transferência em um sistema de tração nas quatro rodas contém um dispositivo que permite uma diferença de velocidade entre as rodas dianteiras e traseiras. Pode ser um acoplamento viscoso, diferencial central ou outro tipo de conjunto de engrenagens. Esses dispositivos permitem que um sistema de tração nas quatro rodas funcione adequadamente em qualquer superfície.

o caixa de transferência em um sistema de tração nas quatro rodas em tempo parcial, trava o eixo de transmissão do eixo dianteiro ao eixo de transmissão do eixo traseiro, para que as rodas sejam forçadas a girar na mesma velocidade. Isso exige que os pneus escorreguem quando o carro faz uma curva. Sistemas de meio período como este só devem ser usados ​​em situações de baixa tração, nas quais é relativamente fácil os pneus patinarem. Em concreto seco, não é fácil para os pneus patinarem, então a tração nas quatro rodas deve ser desengatada para evitar curvas bruscas e desgaste extra dos pneus e trem de força.

Alguns casos de transferência, mais comumente aqueles em sistemas de meio período, também contêm um conjunto adicional de engrenagens que dão ao veículo uma baixo alcance. Essa relação de marcha extra dá ao veículo um torque extra e uma velocidade de saída superlenta. Na primeira marcha em marcha baixa, o veículo pode atingir uma velocidade máxima de cerca de 8 km / h, mas um torque incrível é produzido nas rodas. Isso permite que os motoristas se arrastem lenta e suavemente por colinas muito íngremes.

Hubs de bloqueio

Cada roda de um carro é aparafusada a um cubo. Caminhões com tração nas quatro rodas em tempo parcial geralmente têm hubs de bloqueio nas rodas dianteiras. Quando a tração nas quatro rodas não está engatada, os cubos de travamento são usados ​​para desconectar as rodas dianteiras do diferencial dianteiro, os semieixos (os eixos que conectam o diferencial ao cubo) e o eixo de transmissão. Isso permite que o diferencial, os semieixos e o eixo de transmissão parem de girar quando o carro estiver com tração nas duas rodas, evitando o desgaste dessas peças e melhorando a economia de combustível.

Os cubos de travamento manual costumavam ser bastante comuns. Para acionar a tração nas quatro rodas, o motorista realmente precisava sair do caminhão e girar um botão nas rodas dianteiras até que os cubos travassem. Os sistemas mais novos têm cubos de travamento automático que engatam quando o motorista muda para a tração nas quatro rodas. Este tipo de sistema geralmente pode ser acionado enquanto o veículo está em movimento.

Sejam manuais ou automáticos, esses sistemas geralmente usam um colar deslizante que trava os semi-eixos dianteiros ao cubo.

Eletrônica Avançada

Em muitos veículos modernos com tração nas quatro rodas e nas quatro rodas, a eletrônica avançada desempenha um papel fundamental. Alguns carros usam o sistema ABS para aplicar seletivamente os freios às rodas que começam a derrapar - isso é chamado controle de freio-tração.

Outros têm embreagens sofisticadas e controladas eletronicamente que podem controlar melhor a transferência de torque entre as rodas. Vamos dar uma olhada em um desses sistemas avançados posteriormente neste artigo.

Primeiro, vamos ver como funciona o sistema de tração nas quatro rodas mais básico de meio período.

Diagrama do sistema básico

O tipo de sistema de meio período normalmente encontrado em picapes com tração nas quatro rodas e SUVs mais antigos funciona assim: O veículo geralmente tem tração traseira. A transmissão é conectada diretamente a uma caixa de transferência. A partir daí, um eixo de transmissão gira o eixo dianteiro e outro gira o eixo traseiro.

Quando a tração nas quatro rodas é acionada, a caixa de transferência bloqueia o eixo de transmissão dianteiro ao eixo de transmissão traseiro, de forma que cada eixo receba metade do torque proveniente do motor. Ao mesmo tempo, os cubos dianteiros travam.

Os eixos dianteiro e traseiro têm, cada um, um diferencial aberto. Embora esse sistema forneça uma tração muito melhor do que um veículo com tração nas duas rodas, ele tem duas desvantagens principais. Já discutimos um deles: não pode ser usado na estrada por causa da caixa de transferência bloqueada.

O segundo problema vem do tipo de diferenciais usados: um diferencial aberto divide o torque igualmente entre cada uma das duas rodas às quais está conectado (veja Como funcionam os diferenciais para mais detalhes). Se uma dessas duas rodas sair do solo ou estiver em uma superfície muito escorregadia, o torque aplicado a essa roda cai para zero. Como o torque é dividido uniformemente, isso significa que a outra roda também recebe torque zero. Portanto, mesmo que a outra roda tenha bastante tração, nenhum torque será transferido para ela. A animação abaixo mostra como um sistema como este reage sob várias condições.

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Animação de um sistema básico encontrando várias combinações de terreno. Este veículo fica preso quando duas de suas rodas estão no gelo.

Anteriormente, dissemos que o melhor sistema de tração nas quatro rodas enviará exatamente a quantidade certa de torque para cada roda, a quantidade certa sendo o torque máximo que não fará com que o pneu escorregue. Este sistema avalia muito mal por esse critério. Envia para ambas as rodas a quantidade de torque que não fará com que o pneu com o menos tração para escorregar.

Existem algumas maneiras de fazer melhorias em um sistema como este. Substituir o diferencial aberto por um diferencial traseiro de deslizamento limitado é um dos mais comuns - isso garante que ambas as rodas traseiras sejam capazes de aplicar algum torque, não importa o quê. Outra opção é um diferencial de travamento, que trava as rodas traseiras juntas para garantir que cada uma tenha acesso a todo o torque que chega ao eixo, mesmo se uma roda estiver fora do solo - isso melhora o desempenho em condições off-road.

Na próxima seção, daremos uma olhada no que poderia ser o sistema de tração nas quatro rodas definitivo: o do Hummer.

O veículo militar AM General Hummer combina alguma tecnologia mecânica avançada com eletrônicos sofisticados para criar o que é indiscutivelmente o melhor sistema de tração nas quatro rodas disponível.

O Hummer possui um sistema em tempo integral com recursos adicionais que podem ser ativados para um desempenho off-road aprimorado. Neste sistema, assim como em nosso sistema básico, a transmissão é conectada à caixa de transferência. Da caixa de transferência, um eixo de transmissão se conecta ao eixo dianteiro e outro ao eixo traseiro. No entanto, a caixa de transferência do Hummer não bloqueia automaticamente os eixos dianteiro e traseiro juntos. Em vez disso, ele contém um conjunto de engrenagens de diferencial aberto que podem ser travadas pelo motorista. No modo aberto (não bloqueado), os eixos dianteiro e traseiro podem se mover em velocidades diferentes, para que o veículo possa dirigir em estradas secas sem problemas. Quando o diferencial está travado, os eixos dianteiro e traseiro têm acesso ao torque do motor. Se as rodas dianteiras estão em areia movediça, as rodas traseiras recebem todo o torque que podem suportar.

Diagrama do sistema Hummer, um recurso interessante do Hummer são os cubos com engrenagens que ele usa em cada roda. Eles elevam toda a linha de transmissão, dando ao Hummer 16 polegadas (40,64 cm) de altura do solo, mais que o dobro do que a maioria das unidades de quatro rodas têm.

Os diferenciais dianteiro e traseiro são ambos Torsen® diferenciais. Esses diferenciais têm um conjunto de engrenagens único: assim que detecta uma diminuição no torque de uma roda (o que ocorre quando um pneu está prestes a escorregar), o conjunto de engrenagens transfere o torque para a outra roda. Os diferenciais Torsen podem transferir de duas a quatro vezes o torque de uma roda para a outra. Esta é uma grande melhoria em relação aos diferenciais abertos. Mas se uma roda está fora do solo, a outra roda ainda não recebe torque.

Para lidar com este problema, o Hummer é equipado com um sistema de controle de freio e tração. Quando um pneu começa a patinar, o controle de tração do freio aciona os freios dessa roda. Isso realiza duas coisas:

  • Ele evita que o pneu escorregue, permitindo que ele aproveite ao máximo a tração disponível.
  • Permite que a outra roda aplique mais torque.

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O sistema Hummer encontra várias combinações de terreno: para o Hummer emperrar, todas as quatro rodas teriam que perder tração.

O sistema de controle de tração do freio aplica um torque significativo à roda que deseja escorregar, permitindo que o diferencial Torsen aplique duas a quatro vezes esse torque aumentado na outra roda.

Vamos colocar o Hummer à prova.

O sistema do Hummer é capaz de enviar uma grande quantidade de torque para qualquer pneu que tenha tração, mesmo que isso signifique enviar tudo para um único pneu. Isso aproxima o Hummer de nossa definição de sistema de tração nas quatro rodas ideal: aquele que fornece a cada pneu a quantidade máxima de torque que ele pode suportar.

Para mais informações sobre tração nas quatro rodas e tópicos relacionados, confira os links na próxima página.

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