Sistemas de Transmissões Veiculares

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SSistemas de Transmissões Veiculares
Classificação
(Aula 4)(Aula 4)
73
Classificação Meios de Transporte e Tipos deClassificação Meios de Transporte e Tipos de 
Transmissão
Meio de Transporte
Marítimo Aéreo Terrestre
R Construção E iRuas
Rodovias
100% Construção
Construção
100%OFF 
road
Agrícolas Especiastracionados Ferroviário
100% em
ruas/rodovias
Construção
ON/OFF 
Road
Caixas de 
ê C i d
74
Transm Transm Tomada de Força
Transferência
.Diferenciais
planetários
Caixas de 
direção
Classificação dos Sistemas de Transmissão
Continuamente VariávelTransmissões por engrenagens com "z" veloc.
e 
M
es
h
iz
ad
as
om
át
ic
a
M
es
h 
ou
ni
za
da
át
ic
a
ci
on
al
ag
em
 
pl
a
ol
ia
s
id
al
cç
ão
)
tá
ti
ca
ic
a
Continuamente VariávelTransmissões por engrenagens com z veloc.
C
on
st
an
t
S
in
cr
on
i
S
em
i A
ut
o
C
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st
an
t 
M
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om
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E
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D
up
P
or
 P
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T
or
oi
(p
or
 fr
ic
H
id
ro
st
E
lé
tr
Seleção 
Semi 
A t
Sem Interrupção de PotênciaCom Interrupção de Potência
Seleção Manual
de Marchas
Totalmente Automática
Autom
Com Gerenciamento EletrônicoSem Gerenciamento
 Eletrônico
75
Efeito da Transmissão em Fatores Críticos doEfeito da Transmissão em Fatores Críticos do 
Veículo
Confiabilidade
Vid S i
Economia
C d C b tí /C id d d T t
Confiabilidade
Vid S iVida em Serviço Consumo de Combustíve/Capacidade de Transporte Vida em Serviço
76
Ciclo de Vida do Produto
DESENVOLVIMENTO
PRODUÇÃO
UTILIZAÇÃO
PRODUTO
ATUALIZAÇÃO DE
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ANOS
UTILIZAÇÃO
ANOS
77
Fabricantes Globais Independentes deFabricantes Globais Independentes de 
Sistemas de Transmissões
78
T i ã M lTransmissão Manual
• Finalidade;• Finalidade;
•Funcionamento;
•Arquitetura dos elementos 
de transmissão;
Mercedes Benz Actros - Manual
•Relações de transmissões 
ou marchas; 
•Sincronizadores;
Mercedes Benz Classe C Sport Coupe
ARRANJO AUTOMOTIVO
TÍPICO
81
ARRANJO AUTOMOTIVO
TÍPICO
82
Finalidade
Motor desenvolve potência• Motor desenvolve potência,
torque e rotação de maneira
limitada;
• O veículo precisa desenvolver• O veículo precisa desenvolver
velocidades que podem
ultrapassar a rotação
governada do motor;
• E mais importante o veículo
precisa receber torque nas
rodas superior ao torque
máximo desenvolvido pelo
tmotor;
• As transmissões permite o
escalonamento de velocidades
e torque conforme ae torque conforme a
necessidade de desempenho
do veículo;
Funcionamento Básico
•Eixo verde, de entrada, está
conectado ao motor através da
embreagem
• O eixo secundário transmite• O eixo secundário transmite
torque , potência e rotação do
motor ao eixo de saída que
levará essas grandezas ao
diferencial e rodasdiferencial e rodas
• As engrenagens do eixos de
entrada, secundário e saída
estão sempre em contato
•As engrenagens do eixo de
saída giram sobre mancaisg
internos e só transmitem o
movimento ao eixo de saída
através do garfo
Arquitetura (5 Velocidades)Arquitetura (5 Velocidades)
Relações de Transmissão (ou marcha)Relações de Transmissão (ou marcha)
Marcha Relação Rotação do eixo de 
saída com motor a 
6000 rpm
1a. 2.315 2591
2a. 1.568 3826
3 1 195 50203a 1.195 5020
4a. 1.000 6000
5a. 0.915 6557
Ré -3.125 -1920
Sincronizadores •Invenção da Cadilac em 1928, 
1a automação das 
transmissões manuais
SincronizadoresSincronizadores
• O sincronizador tem por finalidade
alinhar os dentes caninos do anel e da
engrenagem para que a embreagem seja
acionada uma única vez;
O•O alinhamento da-se pelo atrito entre o
cone da engrenagem (macho) e o
alojamento no anel (fêmea)
O• O contato entre os cones acontece
“antes”que os dentes estejam em
contato. O objetivo é que o anel tenha a
mesma rotação da engrenagem;
•Com o anel e a engrenagem na mesma
rotação o movimento da haste será único
e permitirá o engate correto dos dentes
d i i d ( l )do sincronizador (ou colar)
89
..\Movies\Fatec Videos\How Manual 
Transmission Works.wmv
90
Embreagem
Fi lid dFinalidade
– Como efetuar as trocas de marcha com o motor em
rotações elevadas? Como garantir a suavidade de trocas e
que o engate de marchas seja preciso e imperceptível aoq g j p p p
motorista e passageiros?
– O sistema de embreagem de um veículo tem por finalidade,O sistema de embreagem de um veículo tem por finalidade,
“desconectar” o motor da transmissão para que neste
intervalo de tempo ocorra a mudança do par de
engrenagens que transmitirá o torque necessário as rodasg g q q
do veículo.
– A precisão nos engates de marchas é um desafio constanteA precisão nos engates de marchas é um desafio constante
as montadoras de veículos e aos fabricantes de
transmissões 92
Elementos Básicos
Princípio
• Quando o pedal de embreagem não está aplicado, as molas
empurram a placa de pressão contra o disco de embreagem,
que por sua vez é pressionado contra o volante. Dessa forma o
motor é ligado ao eixo de entrada da transmissão, levando-osg
a mesma rotação devido ao atrito entre as superfícies de
contato,
• Quando o pedal da embreagem é aplicado, por cabo ou pistão
hidráulico, o garfo é empurrado, pressionando o rolamento dahidráulico, o garfo é empurrado, pressionando o rolamento da
embreagem contra o centro da mola-diafragma. Quando o
centro da mola-diafragma é empurrado, uma série de pinos
próximos ao lado de fora da mola levam-na a afastar a placa
pressão do disco para longe do disco de embreagem Istopressão do disco para longe do disco de embreagem Isto
desacopla o disco de embreagem do motor em funcionamento,
permitindo a mudança de marcha;
PrincípioPrincípio
Pedal
PressionadoPedalSolto
..\Movies\Fatec Videos\Clutch Industries How 
a clutch works.wmv
96
Funcionamento 
“A embreagem mostrada está na posição acionada.
Nessa posição, o volante, preso ao eixo do motor, está
transmitindo o torque através de parafusos à placa de
pressão. As molas, normalmente de 6 a 10, pressionam
essa placa contra o disco que também se apóia noessa placa contra o disco, que também se apóia no
volante do lado oposto. O disco é identificado na figura
pelas laterais que atritam com os elementos citados,
chamadas de planos de fricção. O conjunto volante-eixo
do motor funciona como um cubo, no qual é colocado
um rolamento para apoiar o eixo de saída dap p
embreagem, que vai para a transmissão. Assim, ambos
os eixos permanecem alinhados e podem trabalhar em
rotações diferentes quando a embreagem não está
transmitindo torque.
Utilizar a expressão “embreagem acionada” poderia dar
i ã d dmargem a uma interpretação errada do que ocorre.
Quando o condutor aciona a embreagem, os eixos se
desacoplam e a embreagem poderia ser considerada
como que na posição não acionada. Assim, é necessário
definir o que se deseja dizer: quando for dito que a
embreagem está acionada fica convencionado que oembreagem está acionada fica convencionado que o
condutor acionou a alavanca de embreagem e os eixos
deixaram de estar acoplados. Na figura ao lado, quando
o condutor aciona o pedal da embreagem,um cabo
aciona a alavanca mostrada com o nome “aliviar”, que
desloca o cubo mostrado ao longo do eixo. Esse
97
movimento move a alavanca de alívio comprimindo as
molas contra a cobertura externa da embreagem,
fazendo com que a placa de pressão se afaste do disco e
a embreagem seja desacoplada “ fonte:: Apostila Freios e Embreagens Unicamp
Prof Dr. Auteliano Antunes dos Santos Jr
“Plato” (Placa de Pressão) e Disco dePlato (Placa de Pressão) e Disco de 
Embreagem
Disco sinterizado
Area de contato
com disco
Plato de Disco dePlato de
Embreagem Embreagem
Amortecedores de vibração torcional
98
Embreagens Automotivas
Atualmente, o tipo mais comum
de embreagem automotiva não
utiliza molas helicoidais, mas um
tipo especial de mola prato,
chamada de chapéu chinês. A
figura ao lado mostra esse tipo de
elemento, à esquerda. Mostra
também, a direita, um disco de
embreagem comum. As molasembreagem comum. As molascentrais são para amortecer os
choques torcionais.
Mola tipo chapéu chinês
Embreagem comum
99
Embreagens Cônicas
• Embreagens cônicas são utilizadas
quando se necessita grande ampliaçãoquando se necessita grande ampliação
da força de aplicação de contato sem
que haja grandes implicações com o
deslocamento axial do eixo principal . O
princípio básico é o da cunha: quando o
cone desloca-se para o lado esquerdo
da figura ao lado, surge , pela ação da
mola, uma pressão nas superfícies de
contato que varia proporcinalmente com
o deslocamento da mola. Esse esforçoo deslocamento da mola. Esse esforço
depende também da constante elástica
da mola e do ângulo do cone.
• A vantagem desse sistema é permitir
altos esforços normais na superfície de
contato sem grandes esforços de
engate.
• A desvantagem é a limitação do
deslocamento axial em alguns sistemas
de embreagem
Diagrama básico de uma embreagem cônica
de embreagem.
100
Conceitos básicos para 
dimensionamento de uma embreagem
101
Forças de AtritoForças de Atrito
Tomemos uma caixa bem grande, colocada
no solo, contendo madeira. Podemos até imaginar
que, a menor força aplicada, ela se deslocará. Isso,
no entanto, não ocorre. Quando a caixa ficar mais
fleve, à medida que formos retirando a madeira,
atingiremos um ponto no qual conseguiremos
movimentá-la. A dificuldade de mover a caixa é
devida ao surgimento da força de atrito Fat entre o
solo e a caixa. A composição da força de atrito é
““
Direção: tangencial as superfícies de contato
Sentido: contrária ao movimento
Módulo: enquanto o corpo não se move, o
módulo da Fat é igual a força aplicada. Ao inciar o
movimento o módulo é proporcional a reação da
força Peso, N. A proporcionalidade entre a Força de
atrito e a reação N, é chamado de Coeficiente de
Atrito, que depende basicamente das características
da superfície de contato de tal forma que:
atritodeecoeficient
Atrito de ForçaF
:Onde
N.F
at
at



N
102
P força a solo do reaçãoN
atrito de ecoeficient


Coeficiente de Atrito Início movimentoCoeficiente de Atrito
Como a força de atrito será tanto
maior quanto maior for μ , vê-se que ele
expressa propriedades das superfícies
em contato (da sua rugosidade por
est
Início movimento
em contato (da sua rugosidade, por
exemplo). Em geral, devemos
considerar dois coeficientes de atrito:
um chamado cinemático ou dinâmico e
outro, estático. Em geral, , refletindo o
din
fato de que a força de atrito é
ligeiramente maior quando o corpo está
a ponto de se deslocar (atrito estático)
do que quando ela está em movimento
(atrito cinemático ou dinâmico).(atrito cinemático ou dinâmico).
O gráfico ao lado representa
esse comportamento. Enquanto o
módulo da força aplicada for menor que
o produto da Normal pelo Coeficiente de
din
din
at
est
est
at
:onde
N.F
N.F


p p
Atrito Estático, o corpo não se move
(parte plana do gráfico). Quando este
produto for igual ou maior, o corpo se
move e a força de atrito diminui até
atingir o valor do produto da Normal est
din
at
est
at
estático atrito de coeficente
dinâmico atrito de forçaF
estático atrito de forçaF



atingir o valor do produto da Normal
pelo Coeficiente de Atrito Dinâmico
103dinest
din dinâmico atrito de ecoeficient


O i d F d At itOrigem das Forças de Atrito
As forças de atrito originam-se
da interação interatômica entre duasda interação interatômica entre duas
superfícies de contato. Os átomos
interagem entre si gerando uma força
de aderência que é resultado da força
atrativa entre elesatrativa entre eles.
Se a rugosidade (relevo
acidentado da superfície) for elevada,
aumenta-se os pontos de aderência
difi lt d d li t tdificultando o deslizamento entre as
superfícies e aumentanto o coeficente
de atrito. Ao diminuir a rugosidade via
polimento das superficíe o atrito
di i i é té t t idiminiu, porém até certo ponto, pois o
polimento também aumenta os pontos
de contato entre as superfícies
gerando o efeito de colagem ou solda,
d id t d ú ddevido ao aumento do número de
átomos em contato entre as
superfícies. 104
Superfície de contato
Exercício 7Exercício 7 
Uma barra horizontal é usada para sustentar um objeto de
75 kg entre duas paredes, como mostra a figura. As forças
iguais F exercidas pela barra nas paredes podem ser variadas
ajustando-se o comprimento da barra. Apenas o atrito entre os
extremos da barra e as paredes seguram o sistema. O
fi i t d t it táti t b d é 0 41coeficiente de atrito estático entre a barra e as paredes é 0,41.
Qual o valor mínimo da força F para haver equilíbrio.
105
Exercício 8Exercício 8
A é um bloco de 4,4 kg e B é um bloco de 2,6 kg. Os coeficientes 
de atrito estático e atrito dinâmico entre A e a mesa são 0.18 e 0.15 
respectivamente.respectivamente. 
a) Determine a massa mínima de um bloco C que deve ser colocado 
sobre A para impedi-lo de deslizar.
b) O bloco C é repentinamente retirado de cima de A. Qual é a ) p
aceleração de A? 
106
Di i t P ã C t tDimensionamento por Pressão Constante
Nesse tipo de modelagem é suposto que a pressão aplicada em
qualquer ponto da superfície de contato seja constante, o que na
fprática é valido quando as superfícies de contato são paralelas e com
pouco desgaste.
Se considerarmos q e a s perfície de contato seja m anel circ larSe considerarmos que a superfície de contato seja um anel circular
com raio interno r i e raio interno ro sujeita e uma pressão
constante p e que μ din seja o coeficiente de atrito dinâmico
entre as superfícies de contato temos (para o slide seguinte):entre as superfícies de contato, temos (para o slide seguinte):
107
Dimensionamento por Pressão Constantep
:contato de área na total força A
p︶.dr.r.2︵dF
:malinfinitesi elemento um em aplicada força A
r

r..p︶.dr.r.2︵dT
:otransmitid torque de malinfinitesi elemento o forma mesma Da
︶rr︵pdr.r.p.2F
din
2
i
r
r
2
o
o
i

 
f︶rr︵.p
3
2
dr..r.p.2T
será contato de área na total torque O
3
i
3
odindin
r
r
2
din
o
i



dinâmico atrito de ecoeficient
︶a/mecánica︵hidráulic aplicação de pressãop
atrito de ssuperfície as entre contato de forçaF
:onde
din 


elemento em
foma de anel
torque o contato de ssuperfície N tem sistema o Quando
contato de superfície da externo raior
contato de superfície da interno raior
0
i
din


 foma de anel
108N.
︶rr︵3
︶r︵r2F.
T
:é otransmitid total
2
i
2
o
3
i
3
odin



E í i 9Exercício 9
a) Um acoplamento por atrito constituído por um anel de diâmetro externoa) Um acoplamento por atrito constituído por um anel de diâmetro externo
de 475mm e diâmetro interno de 210mm deverá transmitir torque de
1600Nm. Sabe-se que o coeficiente de atrito dinâmico das superfícies
de contato é de 0.45. Qual será a pressão de contato entre as
superfícies utilizando o critério de distribuição de pressão constante
sobre as superfícies de contato?
b) Nas condições do item a) qual a força total de contato?
c) Caso utilizassemos três superfícies de contato idênticas ao item a),
q al seria o torq e total transmitido?qual seria o torque total transmitido?
109
Di i t D t U ifDimensionamento por Desgaste Uniforme
Na prática o desgaste das superfícies de contato é proporcional ao
trabalho de atrito que é proporcional a força de atrito e a distância
i f i l idcircunferencial percorrida.
Como a distância circunferencial é função do raio, o desgaste na região
externa tende a ser maior do que na região interna, se a pressão for a mesma
em toda a superfície.
Um acoplamento novo inicia o desgaste não uniforme entre as
superfícies de contato alterando a distribuição da pressão superficial. A medida
que o desgaste aumenta, um disco se apoia sobre o outro desgastando de
maneira desigual . O formato das superfícies de contato tenderá aquele queg p q q
permitirá o desgaste uniforme.
O desgaste é proporcional ao trabalho de atrito que pode ser calculado
pelo produto da força de atrito pela distância percorrida. Como a primeira
variável é proporcional a pressãosuperficial e a segunda a posição radial ovariável é proporcional a pressão superficial e a segunda a posição radial, o
desgaste é proporcional ao produto da pressão p pelo raio r .
Dessa forma esse produto pode ser substituído na equação anterior pelo
produto dessas variáveis em qualquer ponto da superfície de contato.
Como o produto é constante, a pressão é máxima ( p max) quando o
raio é minimo (r i), de forma que: 110
Dimensionamento por Desgaste Uniformep g
:máxima pressão a devido superfície na totalforçaA 
r
:máxima pressão a devido do transmiti total torqueO
)rr(p.r.2dr.r.p.2F iomaxii
r
r
max
o
i
 
:contatodessuperfícieNparatorqueO
)rr(.r.p.dr.r..r..p2T 2i
2
odinimaxdini
r
r
max
o
i
 
poispráticanaempregadamaiséequaçãoúltimaEsta
N).
2
rr.(F.T
:contatodessuperfície N para torqueO
io
din


t tdádédiildlti li
 máxima) pressão a (devido máxima atrito de força a
doconsideran itidoser transm a total torqueo estima 
poispráticanaempregada mais é equação última Esta
111
contato.deáreadamédio raio pelo domultiplica
E í i 10Exercício 10
a) Um acoplamento por atrito constituído por um anel de diâmetro externo)
de 475mm e diâmetro interno de 210mm deverá transmitir torque de
1600Nm. Sabe-se que o coeficiente de atrito dinâmico das superfícies
de contato é de 0.45. Qual será a pressão de contato entre as
superfícies utilizando o critério de desgaste uniforme sobre assuperfícies utilizando o critério de desgaste uniforme sobre as
superfícies de contato?
b) Nas condições do item a) qual a força total de contato?b) Nas condições do item a) qual a força total de contato?
c) Caso utilizassemos três superfícies de contato idênticas ao item a),
qual seria o torque total transmitido?q q
112
C fi t d At it t A F F did M t i iCoeficentes de Atrito contra Aço ou Ferro Fundido para Materiais a 
seco
113
Coeficiente de Atrito contra Aço ou Ferro Fundido para MateriaisCoeficiente de Atrito contra Aço ou Ferro Fundido para Materiais 
embebidos em óleo
114
Diferencial
Diferencial
O problema:
E
• em curvas, as rodas internas
à curva percorrem uma
distância menor do que as
rodas externas;rodas externas;
• as rodas dianteiras também
percorem trajetórias distintas
R
das rodas traseiras;
• é necessário que as rodas
externas tenham umaexternas tenham uma
velocidade tangencial maior do
que as rodas internas;
• mas o eixo traseiro transmite• mas o eixo traseiro transmite
a mesma rotação para ambas
semi-árvores???
Qual a diferença de rotação entre as rodasQual a diferença de rotação entre as rodas
externas e internas ?
externarodadavelocidadeV
:Sendo

externarodadarotaçãon
interna roda da e velocidadV
média linha da velocidadeV
externarodadavelocidadeV
e
i
m
e




curva de raio R
rodas entre largura E
interna roda da rotaçãon
e te aodadaotação
i
e



nR360
R2
V
:interna roda a para curva a durante , Temos
curva de ângulo 


tdfD
n
n
2
ER
R
t360
)
2
ER(2
t360
V
V
i
m
i
m 




117
2
ER
R
n
n
:externarodaaparaformamesma Da
e
m


Exercício 11Exercício 11
• U m veículo ao entrar em uma curva com raio médio de 30m está a 
l id d d 40 k /h S b i di â i d éuma velocidade de 40 km/h. Sabe-se que o raio dinâmico do pneu é 
0.315 m e a largura entre rodas é de 1.8 m. Qual deverá ser as 
rotações das rodas interna e externa para que nao haja arraste entre 
elas. Considere que a velocidade é referente ao centro de gravidadee as Co s de e que a e oc dade é e e e te ao ce t o de g a dade
do veículo
118
Funçao do DiferencialFunçao do Diferencial
Aberto
• o pinhão movimenta a coroa que
de um lado tem fixa uma semi-
arvóre e no outro lado tem fixo oarvóre e no outro lado tem fixo o
conjunto diferencal ;
• ao trafegar em movimento
retilíneo ambas semi- árvores
t ãpossuem a mesma rotação e a
mesma velocidade tangencial. Não
há movimento rotatório relativo
entre as engrenagens do
diferencial;
• ao iniciar uma curva, a roda
externa imprime uma rotação maior
à semi-arvóre e as engrenagens
satélites passam a girar sobre seup g
próprio eixo. Dessa forma a semi
arvoré externa descreve a trajetória
curva com velocidade maior do que
a semi-árvore interna;
..\Movies\Fatec Videos\How Differential Gear..\Movies\Fatec Videos\How Differential Gear 
works must see 100%.wmv
120
..\Movies\Fatec Videos\diferencial catia.wmv
121
Disposição típicasp ç p
Limitação doLimitação do 
Diferenciais Abertos
• sempre aplicam a mesma
quantidade de torque em ambas
isemi-arvores
• se o veículo trafega em terreno de
atrito uniforme, o torque aplicado
na roda é limitado pelo atrito dona roda é limitado pelo atrito do
solo para evitar que as rodas
patinem
• porém quando as rodas trativas• porém quando as rodas trativas
estão sob terreno de atritos
distintos, a quantidade de torque na
roda de menor atrito deverá ser
menor (p. exemplo pista com gelo
)ou lama)
•O diferencial convencional não
soluciona este problema
Mesmo torque em ambas as rodas
LSD (Limited Slip ( p
Differential); tração
positiva; autobloqueante
LSD de Embreagem•LSD de Embreagem
•Igual ao diferencial convencional
aberto com adição de embreagem
e molas que modulam a quantidade EATON CONTROL TORQUE DIVISONe molas que modulam a quantidade
de torque necessário para vencer o
atrito por roda
•Dessa forma mais torque pode ser
EATON CONTROL TORQUE DIVISON
Dessa forma mais torque pode ser
transferido para a roda em contato
com a superfície com mais atrito e
diminiur o torque na roda em
superfície com menos atrito
•A modulação é feita pela força
resistiva gerada pelo conjunto mola
/embreagem
ZF LSD
LSD (Li it d SliLSD (Limited Slip 
Differential); tração
positiva; autobloqueante
•LSD Viscoso
Rodas dianteiras
•LSD Viscoso
• aplicação típica em veiculos tipo
“AWD” (All Wheel Drive) e
posicionado no meio do eixo
Rodas traseiras
propulsor
• funcionamento baseado na
fricçào hidrodinâmica de fluido
(silicone) criando torque resistivo(silicone) criando torque resistivo
ao eixo que gira mais rápido
(patinando)
• os discos internos conectados ao
eixo mais rápido arrastaram oseixo mais rápido arrastaram os
disco conectados ao eixo mais
lento tendendo a mesma
velocidade
• desvantagem de atuar somente
quando rodas patinam
LSD (Limited SlipLSD (Limited Slip 
Differential); tração
positiva; autobloqueante
•Torsen (Torque Sensitive)
• totalmente mecânico com
funcionamento baseado no
l dacoplamento das engrenagens
internas induzido pela variação de
torque entre os eixos de entrada e
saída e não na variação de rotação
entre eles EATON CORPe t e e es
•Uma vez que um eixo gira mais
livremente, o torque percebido por
esse eixo e reduzido para o eixo de
EATON CORP
saída evitando assim o
patinamento
• variação de torque da ordem de 5
AUDI AWD
vezes entre a entrada e saída