mecanica AULA1

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TRANSMISSÃO
AULA 1
 
 
 
 
 
 
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Prof. Rogério Natal Bez BiroloCONVERSA INICIAL
A transmissão é de fundamental importância para todos os tipos de veículos,
sejam eles pesados, como os grandes caminhões, ou os pequenos veículos de
passeio. A transmissão tem função de comunicar às rodas do veículo a potência
gerada pelo motor de combustão interna por meio de um conjunto de
componentes e mecanismos que trabalham simultaneamente. A transmissão se
inicia no motor e prolonga-se por meio da embreagem, da caixa de câmbio, da
caixa de transferência, do eixo de transmissão, do diferencial e dos semieixos até as
rodas.
TEMA 1 – A HISTÓRIA DA TRANSMISSÃO
INTRODUÇÃO
Entre as diversas invenções criadas pelo ser humano está a alavanca, que ajuda
a multiplicar as forças.
Uma alavanca nada mais é do que um braço mecânico, uma haste ou barra
comprida que tem um ponto de apoio, o qual terá a função de eixo para que ela
possa girar, criando uma gangorra. De um lado, temos a carga que desejamos
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suspender e, do outro, o ponto de apoio de aplicação da força. Dessa forma,
podemos levantar grandes pesos e reduzir o esforço aplicado.
Créditos: Nasky/Shutterstock.
As engrenagens que multiplicam a forma têm o mesmo princípio, uma vez que
o apoio é no centro da engrenagem e o acoplamento é nos eixos de transmissão. O
conjunto composto pelo pinhão (menor engrenagem) e pela coroa (maior
engrenagem), quando engrenado, pode multiplicar ou reduzir a força, conforme os
objetivos do projeto, exatamente como no princípio da alavanca.
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Créditos: Alexey V. Smirnov/Shutterstock.
1.1 HISTÓRIA
O aprimoramento do sistema de transmissão, inicialmente baseado em
engrenagem, foi apresentado ao mundo por Griffith, em 1821, sendo, dessa forma,
amplamente utilizado como uma solução barata no século XIX.
A primeira caixa de engrenagem deslizante, com embreagem e marcha, foi
patenteada por volta de 1879. O objetivo era desenvolver um projeto global para
adaptar um motor de combustão interna.
Em meados de 1827 foi desenvolvido o diferencial, que tinha a função de
transferir para as rodas motrizes o movimento gerado na caixa de câmbio (força e
torque). O diferencial consegue equilibrar a tração nas rodas motrizes, de forma
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que evita o escorregamento da roda interna, fazendo com que tanto a roda interna
quanto a externa tenham a mesma velocidade.
Entre 1834 e 1934, surgiu a transmissão planetária e o câmbio manual mais
próximo dos atuais (ZF Soden), com todas as marchas utilizando anéis
sincronizadores e um conjunto composto por engrenagens solar, planetária e
interna.
Devido ao fato de estarem constantemente engrenadas (ligadas), quando uma
engrenagem recebe a força, a outra é bloqueada. Assim, a terceira engrenagem fará
a transferência da força para o eixo de saída. Como cada engrenagem tem
determinado número de dentes, definidos no projeto desta, o contato
(engrenamento) de duas cria uma relação de marcha, de modo que podemos ter
no eixo de saída uma redução ou uma multiplicação de força ou velocidade.
 1.2 TRANSMISSÃO
Tanto o motor de combustão interna quanto a transmissão são partes
complexas do automóvel que exigem um entendimento sobre seu funcionamento.
Um automóvel que sobe uma rampa necessita de uma força maior para vencer a
inclinação, sendo um esforço bem maior que o de manter o veículo andando em
uma área plana.  
O conjunto de transmissão permite ao motor fornecer às rodas a força
necessária a todas as condições de uso (rodagem) que o automóvel venha a
precisar.
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Considerando o conjunto motor e transmissão do automóvel, quanto maior for
a rotação da máquina em relação à rotação das rodas, maior será também a força
transmitida, havendo uma redução na velocidade do veículo. Então, utilizam-se
conjuntos de engrenagens que permitem uma ampla gama de desmultiplicações
ou reduções.
O conjunto de componentes da transmissão seguiu evoluindo paralelamente
com a história do automóvel.  
Por volta 1895, surgiu o eixo de transmissão, a caixa planetária e a transmissão
por eixo cardan. Posteriormente, na década de 20, surgiram as primeiras caixas
sincronizadoras e as embreagens automáticas com comando a depressão do
motor.
TEMA 2 – A EVOLUÇÃO DA TRANSMISSÃO
2.1 INTRODUÇÃO
A transmissão automotiva é um item nem sempre tratado com a devida
importância, mas sim como um sistema periférico. Quando se refere ao automóvel,
usualmente o usuário comum pensa na cilindrada do motor, ou mais
especificamente, no motor, esquecendo-se da transmissão.
As pessoas só identificam a transmissão como mecânica ou automática, mas a
evolução tecnológica desse sistema vem adquirindo uma importância muito grande
na performance dos veículos automotores.
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A indústria automobilística tem definido o conjunto de força do veículo usando
a expressão powertrain, neologismo que compreende o conjunto da geração da
energia até sua entrega às rodas do veículo.
Créditos: U3D/Shutterstock.
2.2 A EVOLUÇÃO
Os sistemas de transmissão foram projetados para atender às necessidades
dos veículos de passeio, assim, surgiram muitas configurações e tipos de linhas de
transmissão.
A complexidade dos sistemas de transmissão vai muito além de manual versus
automática. Ao longo de décadas de evolução, houve momentos marcantes. Entre
eles, podemos citar o que se deu na década de 20, quando a GM lançou a
transmissão “Synchromesh”, câmbio manual com sincronizador. Este salto
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tecnológico acabou com o incômodo do “arranhar” a marcha, quando um
motorista não era muito habilidoso.
O segundo salto foi o lançamento, também pela GM, da introdução da
transmissão automática, conhecida como “hydra-matic”.
Créditos: Mjovanovic/Shutterstock.
2.3 PARÂMETROS E VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA
O PROJETO DE UMA TRANSMISSÃO
Definições e variáveis para um projeto de transmissão:
Uma relação de transmissão específica para rotação e torque do conjunto;
Uma transmissão não pode ser muito grande ou pesada conforme o veículo;
Deve ter baixo custo de produção, ser eficiente e ter durabilidade.
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São muitas variáveis a serem levadas em consideração quando se deseja
reduzir o consumo. Porém, nem sempre é possível ter as condições ideais
simultaneamente.
Nos últimos anos, a indústria automotiva tem produzido transmissões mais
leves e pequenas, com muitas relações de marchas. Isso ajuda na redução do
consumo de combustível, além de melhorar o desempenho do automóvel em
relação ao conjunto motor/caixa de câmbio.
Viabilidade técnica e econômica para um projeto de transmissão:
Só é possível reduzir custos se tivermos uma produção em massa de uma
determinada transmissão, por isso esta pode ser utilizada em vários modelos
de automóvel;
Eficiência, assim teremos economia de combustível;
Uma transmissão sem ruídos e uma aceleração contínua, em cada troca de
marcha;
A transmissão deve ter um peso baixo e ocupar o menor espaço possível, baixo
volume. Quanto mais leve a caixa de câmbio, melhor será a economia de
combustível e o desempenho do veículo, uma vez que leva menos peso;
Deve apresentar poucas intervenções com manutenção. Deve trabalhar por
longos períodos sem a necessidade de seguidas paradas para a troca de
fluidos e outroscomponentes;
Deve apresentar longa vida útil e muita confiabilidade, pois é um componente
de custo alto.
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TEMA 3 – TORQUE
3.1 INTRODUÇÃO
Torque é definido como a força que aplicamos em relação a um determinado
ponto, utilizando um braço de alavanca. O braço de alavanca é a distância onde
aplicamos a força e o ponto onde se encontra o parafuso. Veja a figura a seguir:
Figura 1 - Torque
Créditos: Vectormine/Shutterstock.
O câmbio de um automóvel gera torque por meio de um conjunto de
engrenagens e o usa para movimentar as rodas. É quando você ganha fôlego para
as retomadas. Ao sair de uma lombada, o carro exige redução de marcha, o que
pode ser percebido ao repararmos no conta-giros: você estará perto da faixa de
torque do motor, por isso consegue recuperar fôlego.
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3.2 TORQUE
O torque é um momento de uma força, é a tendência da força em rotacionar
(girar) um corpo sobre o qual ela é aplicada. Podemos calcular o torque
matematicamente por meio de produto vetorial entre força e distância (FxD).
Quando uma força for aplicada a uma determinada distância do eixo de
rotação de um corpo, este estará sujeito à rotação.   
Quando o corpo não está girando, este está em equilíbrio. Isso quer dizer que
a resultante das forças (torques) que atuam sobre um corpo é nula.
Quando o torque resultante sobre um corpo é nulo, esse não apresenta
aceleração angular.
Para fazermos um corpo girar em torno de algum ponto, devemos exercer um
torque sobre ele.
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Créditos: Udaix/Shutterstock.
3.3 UNIDADE DE MEDIDA PARA O TORQUE
A unidade de medida para o torque definida pelo Sistema Internacional de
Unidades (SI) é o newton-metro.
Ainda que a ordem desses fatores "newton" e "metros" seja matematicamente
indiferente, o BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) especifica que a
ordem deve ser N·m e não m·N. É comum encontrar em algumas literaturas a
unidade Kgf.m.
3.4 APLICANDO DE TORQUE
A seguir, temos alguns exemplos de aplicação de torque:
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Ao soltar uma porca de um parafuso ou ao retirar os parafusos da roda do
pneu de um automóvel, precisamos aplicar um torque ao parafuso. Quanto mais
longe for a distância entre o parafuso e a mão que está segurando a ferramenta,
maior será o torque.
Quando pedalamos uma bicicleta que tenha marchas, quando estamos na
marcha mais “pesada”, quanto maior for o diâmetro de sua coroa, maior será o
torque produzido por cada volta do pedal (pedalada).
Ao usar uma chave de fenda ou Phillips para remover um parafuso de uma
parede ou de um equipamento, notamos que quanto maior for o diâmetro do seu
cabo, mais fácil será apertar um parafuso.
Quando aumentamos a quantidade de ar versus combustível dentro da câmera
de combustão em um motor de combustão interna, a resultante da queima gera
uma força aplicada de maior intensidade na cabeça do pistão onde teremos um
torque maior que será transmitido para o sistema de transmissão.
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Créditos: Sashkin/Shutterstock.
TEMA 4 – POTÊNCIA
4.1 INTRODUÇÃO
Potência é a grandeza física que quantifica a energia cedida por uma fonte a
cada unidade de tempo. Ela é calculada por meio do produto entre torque e
rotação do motor no instante a ser estudado. Os primeiros fundamentos da
potenciação foram feitos pelo matemático francês René Descartes (1596–1650).
4.2 POTÊNCIA
Podemos definir potência como a quantidade de trabalho (ou energia de uma
força) realizado por unidade de tempo. Pode ser a quantidade de energia gasta
para realizar um trabalho. A potência é igual à energia aplicada dividida pelo
tempo.
A potência mecânica é o trabalho realizado por uma máquina em determinado
intervalo de tempo. Ela consiste na potência transmitida por meio de forças físicas e
componentes mecânicos, como engrenagens, ferramentas e outros elementos.
A potência em um motor de combustão interna relaciona-se diretamente ao
fato desta executar uma tarefa no menor tempo possível. Quanto mais potente for
um motor, menos tempo levará para que o trabalho será realizado. O conceito de
potência relaciona-se diretamente à relação entre torque e rotação (ciclos dos
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cilindros do motor). Por isso, quando se fala em alta velocidade do automóvel,
estamos falando de potência.
Fonte: Clube do carro elétrico.
4.3 UNIDADE DE MEDIDA PARA POTÊNCIA
A unidade padrão do (SI) para potência é o Watts, que é simbolizado pela letra
W. Comumente, a potência dos automóveis é calculada em cavalo-vapor (CV),
sendo que essa unidade de medida está fora do (SI).
Dessa forma, o kW é a medida padrão utilizada pela maioria dos fabricantes de
automóveis europeus em suas especificações técnicas. Por outro lado, os
fabricantes de veículos norte-americanos usam o horse power (hp), e os brasileiros,
o CV (cavalo vapor).
A seguir, temos algumas unidades de medida de Potência:
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CV (cheval vapeur ou cavalo-vapor): a palavra alemã “Pferdestärke” é de
difícil pronúncia. Por isso, os franceses criaram a expressão “CV” (cheval
vapeur), que é a mesma unidade de medida PS alemã. No Brasil, usa-se na
maioria dos casos o CV, de cavalo-vapor. É importante ressaltar que a
afirmação de que “um carro tem ‘x’ cavalos de potência” está errada. O correto
é dizer que ele tem ‘x’ cv ou cavalos-vapor de potência”;
PS: abreviatura do alemão, “Pferdestärke”, que significa “cavalo-vapor”. Ela é a
unidade de medida segundo a norma alemã DIN 70020 e tem uma pequena
diferença do hp (horse power), devido ao fato de ser baseada no sistema
métrico, em vez do sistema imperial;
Hp (horse power): é o valor medido no virabrequim, com todos os acessórios
necessários para ligá-lo de modo a fazê-lo funcionar de forma autônoma;
Bhp (brake horse power): unidade utilizada segundo as normas americanas
SAE J245 e J 1995 (obsoleta), a potência parece maior, pois é permitido
durante o teste a retirada de alguns componentes do motor, tais como o filtro
de ar, o alternador, a bomba da direção hidráulica e o motor de partida.
Também eram utilizados coletores de escape especiais, diferente dos veículos
fabricados e vendidos ao público. Então, a potência especificada para
determinado veículo era maior do que a que o motor realmente apresentava.
kW: esta unidade atualmente é a mais usada no (SI), definido pela Organização
Internacional de Normalização (ISO) segundo as normas ISO 31 e ISO 1000.
Diferenças de valores nas unidades de medida:
1 hp = 0,7457 kW
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1 cv (ou PS) = 0,7355 kW
1 hp = 1,0138 vv (ou ps)
4.4 CÁLCULO DE POTÊNCIA
A potência fornecida por um motor de combustão interna que será transmito
para o sistema de transmissão (P) pode ser obtida de seu torque (T) e da sua
rotação (n):
P = T x N x 2 x π / 60
P – Potência [W]
T – Torque [Nm]
N – Rotação do motor [rpm]
π – 3,14159
4.5 EQUIPAMENTO DE MEDIÇÃO DE POTÊNCIA
O equipamento utilizado para medir potência e consequentemente o torque
em função da rotação do motor se chama dinamômetro.
Existem dois tipos de dinamômetros:
Dinamômetro de bancada: O motor não está montado no veículo e nem
ligado a caixa de câmbio. Utilizado para fazer testes de emissões, calibração,
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torque e potência;
Créditos: Somluck Rungaree/Shutterstock.
Dinamômetro de rolo: E realizada a coleta dos dados de performance com o
automóvel instalado sobre rolos e devidamente fixadopara evitar acidentes.
Tem o objetivo de aferir potência nas rodas, comportamento e emissões.
Créditos: Gaibru Photo/Shutterstock.
TEMA 5 – RELAÇÃO DE MARCHAS
5.1 INTRODUÇÃO
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A caixa de câmbio utiliza engrenagens com diferentes números de dentes para
aumentar ou reduzir a força do motor de acordo com a  marcha  selecionada.
As  relações  de engrenamento definem quantas voltas dá a engrenagem motora,
transmissora de movimento, para cada volta da engrenagem movida.
Uma engrenagem pode estar girando duas vezes mais rápido que a outra, isso
se deve à relação entre as engrenagens, o que define as marchas. Se as
engrenagens tivessem o mesmo diâmetro e número de dentes iguais, girariam à
mesma velocidade, em sentido contrário.
Ao ligarmos o motor do automóvel, este está parado sem nenhuma marcha
engatada, mas a engrenagem motora está girando, pois o motor está funcionando,
porém, a engrenagem movida está em repouso (parada). Então, o sistema de
embreagem deve acoplar a engrenagem motora que está se movendo com a
engrenagem movida que está parada.
O contato (engrenamento) entre engrenagem movida e engrenagem motora é
chamada de relação de marcha. Podemos calcular essa relação dividindo o número
de dentes da engrenagem movida pelo número de dentes presentes na
engrenagem motora. A relação de marcha é identificada pela letra “i” (minúscula).
As engrenagens são utilizadas por várias razões, tais como:      
Inverter a rotação (sentido);
Aumentar ou reduzir a velocidade de rotação;
Mudar o torque transmitido (maior ou menor);
Transmitir o movimento de rotação para um determinado eixo;
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Manter a sincronia de rotação dos eixos.
5.2 ENGRENAGEM MOTORA E ENGRENAGEM MOVIDA
A engrenagem é um componente rígido utilizado na transmissão de
movimentos rotativos entre eixos, podendo ser uma engrenagem motora ou uma
engrenagem movida.
Engrenagem motora: a engrenagem motora é a que recebe o movimento de
rotação e transmite a engrenagem movida;
Engrenagem movida: a engrenagem movida recebe a rotação da engrenagem
motora e transmite a uma árvore de saída ou a uma outra engrenagem.
Créditos: Alexey V. Smirnov/Shutterstock.
5.3 CÁLCULO DA RELAÇÃO DE TRANSMISSÃO
A caixa de câmbio do automóvel nos permite modificar o torque. Podemos
escolher uma velocidade maior com menos torque, ou uma menor velocidade com
grande torque, de acordo com as exigências da estrada (subidas ou descidas).
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Na caixa de marchas de um automóvel, temos algumas relações de marchas,
isso dependendo do número de marchas que esta possui.
Vamos considerar como exemplo um carro de fabricação nacional, em que
geralmente o câmbio é composto de cinco marchas.
A seguir, temos a relação desse câmbio:
1ª Marcha: 3,73:1
2ª Marcha: 1,96:1
3ª Marcha: 1,21:1
4ª Marcha: 0,95:1
5ª Marcha: 0,76:1
Duas engrenagens que têm o mesmo diâmetro e o mesmo número de dentes
terão a mesma velocidade e torque. Citando como exemplo, quando uma
engrenagem de 10 dentes engrenar com outra de 20 dentes, a primeira vai girar
duas voltas, já a segunda vai girar uma só, a esta tenha um torque maior. Uma
engrenagem de 10 dentes trabalhando com outra com 30 dentes vai dar três voltas
para que a de 45 dentes complete uma volta. Isso chama-se relação de redução
três-por-um (3:1), sendo que o torque de saída será três vezes maior.
Exemplo de cálculo:
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Considere uma engrenagem com 10 dentes (árvore primária) que recebe a
rotação do motor e outra acoplada a essa engrenagem, com 20 dentes (árvore
secundária), sendo que o motor está a 1900 giros, na condição de torque máximo,
que no caso é de 800 Nm. A engrenagem que recebe diretamente a rotação do
motor é a de 10 dentes. O número de dentes de cada engrenagem determinará a
relação de transmissão: o número de dentes da engrenagem motora dividido pelo
número de dentes da engrenagem movida.
No exemplo: 10 / 20 = -0,5.
A relação de transmissão possibilita os cálculos de quanto será a rotação da
engrenagem movida e qual será o torque que esta transmitirá:
0,5 x 1900 rpm => 900 rpm.
Portanto, a engrenagem maior dará 900 voltas contra as 1800 da engrenagem
menor.
Para obter o torque, ao invés de multiplicarmos, vamos dividir:
800 Nm / 0,5 = 1600 Nm.
FINALIZANDO
Nesta aula, procuramos demonstrar a importância da transmissão nos veículos
automotores, sua história e evolução, as definições de torque e potência e a relação
de transmissão aplicada.
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REFERÊNCIAS
Lechner, G.; Naunheimer, H. Automotive Transmission: Fundamentals,
selection, design, and application. Berlin; Heidelberg: Springer Science & Business
Media, 1999.
PEREIRA SILVA, E. da; COSTA, W. R. Conceitos Básicos Aplicados em Sistemas
de Transmissão Veiculares. 71 f. Monografia (Graduação em Tecnologia de
Eletrônica Automotiva) – FATEC Santo André, Santo André, 2002.