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U NI V E RS I D AD E FE DE R AL D E S AN T A M AR I A C E N TR O D E T E C N O LO G I A E NG E N H AR I A M E C ÂNI C A
TRANSMISSÃO CONTINUAMENTE VARIÁVEL
M O TO RE S DE C O M BU S T ÃO I N T E RN A
EDILSON VIDOR NEVES LEON ARDO HOFF
Santa Maria, RS, Brasil. 2010
TRANSMISSÃO CONTINUAMENTE VARIÁVEL
por
Edilson Vidor Neves Leonardo Hoff
Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Mecância, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito para a aprovação na disciplina de Motores de Combustão Interna.
Orientador: Paulo Romeu Moreira Machado, Dr. Eng
Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brasil
2009
INTRODUÇÃO
Quanto menos combustível um motor consume, menos poluentes serão produzidos, mais limpo o ar se torna. Entretanto, essa equação está se tornando cada vez mais difícil. Os maiores avanços na redução no consumo de combustível resultam do aumento da eficiência do motor, redução do peso do veículo, e do melhoramento do design dos veículos de modo a se obter uma melhor aerodinâmica. Para atingir melhores resultados em consumos de combustíveis, os fabricantes de carros começaram a focar no aumento de eficiência de áreas onde os melhoramentos são mais difíceis e custosos para se conseguir - principalmente em componentes como a transmissão.
1 TIPOS DE CVT
O aspecto construtivo e o princípio de funcionamento do câmbio CVT é bem mais simples que o sistema de transmissão convencional. Existem diferentes maneiras de transmissão continuamente variável. As principais são as de fricção e as hidrostáticas .
1.1 CVT De Fricção
O tipo mais comum de CVT é o de fricção. Nesta concepção, duas polias rotativas são colocadas em contato em pontos de distância variável de seus eixos de rotação. Desta forma, a fricção entre elas permite a transferência de potência de uma polia à outra. Um terceiro elemento é utilizado para transferir a potência entre essas polias: um correia em V ou uma roda. Um modelo simples de CVT é o de dois cones e uma roda, conforme ilustração da figura 1:
Figura 1
O deslocamento da roda intermediária vai mudar a relação de transmissão entre o cone motor e o cone conduzido. Posicionando a roda na extremidade de raio menor do cone condutor, a marcha será lenta e de alto torque. Colocando a roda na extremidade de raio maior do cone condutor, obtém-se alta velocidade no conde conduzido, bem como um torque menor. Uma alternativa ao uso da roda intermediária é sua substituição por uma correia que envolve os dois cones (figura 2)
Figura 2
Os mais importantes CVTs de fricção são os de correia em V e os de tipo toroidal.
1.1.1 Correia em V ou trapezoidal
Este tipo é constituído de três elementos principais: 1 - uma polia condutora ou motora; 2 - uma polia conduzida; 3 - uma correia de metal ou borracha de alta resistência.
Cada polia é composta de dois cones de 20 graus. Os lados inclinados dos dois cones estão dispostos de frentes um para o outro. Esses cones são capazes de se aproximarem ou de se afastarem entre si. Entre o canal desses dois cones passa a correia em V. As correias têm esse nome devido ao fato de a seção transversal ter formato da letra V. Esse formato coincide com o do canal entre os cones. (Fig3)
Figura 3
Quando os dois cones da polia se afastam, a correia que passa na parte do canal fica mais baixa, isto é, perto do eixo da polia. Isso faz com que o raio da correia em torno do eixo diminua. No caso em que os cones de aproximam, a correia a é afastada do centro do eixo, ficando com diâmetro maior. A correia vai transmitir potência de um eixo a outro. A movimentação dos cones desses eixos vai ser responsável pela variação de transmissão. Quando uma polia diminui o seu raio, a outra deve aumentar o seu raio, de modo a manter a correia tracionada. Quando o raio da polia condutora é menor que o raio da polia conduzida, tem-se como resultado uma marcha baixa. O movimento dos cones pode ser por pressão hidráulica, força centrífuga ou por molas (fig 4).
Figura 4
Quando o raio é maior na polia condutora e menor na polia conduzida, a velocidade de rotação da polia conduzida aumenta, tendo como resultado um marcha mais alta (longa). Ver figura 5
Figura 5
1.1.2 CVT Toroidal
Nessa versão de CVT, as correias e polias e a correias são substituídas por discos e rodas, de modo que: 1 - um disco conecta-se ao motor. 2 - outro disco conecta-se à árvore de transmissão. 3 - as rodas, localizadas entre os discos, transmitem potência de um disco a outro.
Os dois discos são coaxiais e com seções transversais semi-circular. O espaço entre os discos é tal que os seus centros da seção transversal coincidem. Duas ou mais rodas intermediárias são colocadas entre os discos. O eixo dessas rodas devem ser perpendicular ao dos discos. Fig.6
Figura 6
Pela ilustração acima, a transmissão da velocidade é variada pela rotação das rodas em direções opostas através dos eixos verticais - observar setas pontilhadas. Uma roda gira em sentido horário, outra em sentido anti-horário. Quando as rodas estão em contato com o disco condutor próximo ao centro, elas precisam entrar em contato com o disco conduzido pela através da borda externa. Obtém-se um aumento de torque e redução de rotação (figura 7)
Figura 7
De modo análogo, quando as rodas encostam-se ao disco condutor pela borda externa, elas precisam entram em contato com o disco conduzido próximo ao centro. Resultando em um aumento de rotação e redução de torque.
1.2 CVT Hidrostático
O CVT hidrostático converte movimento rotativo em fluxo de fluido (através bomba hidráulica), e depois converte de volta fluxo de fluido em movimento rotativo (fig 8)
Figura 8
Em alguns casos a vazão de fluido é continuamente variada pela bomba de deslocamento variável. Há outros casos onde a unidade de deslocamento variável é o motor hidrostático, ou ambos. Freqüentemente, a caixa hidrostática é combinada a um conjunto de engrenagens planetárias e embreagens para criar um sistema híbrido conhecido como caixa hidromecânica. A caixa hidromecânica transfere energia do motor para as rodas em três diferentes modos. Em baixa velocidade, a potência é transmitida hidraulicamente, e em velocidade alta, a transmissão da potência é mecânica. No meio desses extremos, a caixa utiliza meios hidráulicos e mecânicos para transmitir a potência. Caixas hidromecânicas são ideais para serviços pesados, motivo para serem usadas em tratores agrícolas e outros tipos de veículo todo-terreno
2 ASPECTO CONSTRUTIVO CVT 2.1 CVT Toroidal O CVT demorou a chegar às linhas de produção por sérias limitações de fabricação. O principal fator limitante é o atrito entre as partes móveis. O desenvolvimento de novos lubrificantes tem sido imprescindível para a melhoria da transmissão continuamente variável. Inicialmente, os primeiros CVTs usados em motores eram os do tipo toroidal. Entretanto, o maior problema é que o alto atrito entre os discos metálicos acabavam por destruí-los. Isto porque a transmissão de potência se dá por fricção entre eles e não por um simples engrenamento. Nas primeiras aplicações do CVT toroidal, os altos carregamentos e as altas velocidades entre as partes móveis faziam com que o óleo perdia a função lubrificante. Além disso, em regiões de temperaturas muito baixas o óleo perdia viscosidade, o que tornava difícil a tarefa de lubrificação entre as partes móveis. Após o desenvolvimento de aditivos anti-desgastantes e de aditivos de alta pressão para os óleos, surgiu outro agravante para a tecnologia: a fadiga. A qualidade dos aços utilizados nos discos era baixa. As impurezas do metal funcionavam como minúsculas trincas, que aos poucos cresciam, e após certo tempo, com o aumento do torque e da pressão, rachavam os discos ao meio. As limitações do CVT toroidal - lubrificante e material - tornou o seu desenvolvimento muito caro. Aliando esses fatores limitantes à tendência de downsizing (redução de tamanho) dos motores, o CVT toroidal acabou perdendo espaço para o CVT de correia V.
2.1 CVT de correia em V
"Correias, cordas, correntes e outros elementos similares, elásticos ou flexíveis, são usados em sistemas de transporte e transmissão de potência por comparativamente longas distâncias. Com freqüência, esses elementos podem ser utilizados para substituir engrenagens, eixos, mancais e outros dispositivos relativamente rígidos
de transmissão de potência. Em muitos casos, seu uso simplifica o projeto de uma máquina e reduz seu custo substancialmente. Além disso, visto que tais elementos são elásticos e normalmente muito longos, eles ocupam uma posição importante no que diz respeito a absorver cargas de choque e a amortecer e isolar os efeitos de vibração. Essa é uma vantagem importante para a vida útil da máquina." (SHIGLEY, 2005, pg 816)
Existem tipos variados de secções de correias, sendo as mais utilizadas as planas e trapezoidal (em V). A correia plana, quando em serviço, desliza e, portanto, não transmite integralmente a potência.
Uma fixação por juntas se faz necessário. Mas na a
transmissão continuamente variável, a variação do diâmetro da polia é outro agravante que impossibilita a boa fixação da correia plana. A correia V não possui o problema do deslizamento. O ângulo de sulco da polia α (do perfil do canal da polia) deve ser um pouco menor que o ângulo da secção da correia. Isso faz com que esta se introduza no sulco, aumentando, assim, a fricção e a aderência (fig 9 e 10).
Figura 9
Figura 10
Shigley (2005, pg 835) diz que “as correias do tipo V apresentam menor vibração, devido ao melhor balanço, e conseqüentemente podem ser usadas com distâncias mais longas de centro a centro". Adicionalmente, existem outras vantagens das transmissões com correia V:
Permite maior aproximação entre as polias
São silenciosas
Poupam mancais, pois são montados com tensão prévia menor
Instalação fácil
Alta resistência a tração e flexão
Permitem grandes relações de transmissão. Devido à ação de cunha das correias em "V" sobre as polias ranhuradas, uma dada transmissão pode funcionar com pequeno arco de contato sobre a polia menor, permitindo alta relação de velocidades e, em conseqüência, motores de altas rotações.
2.1.1 Construção da correia V
A montagem da correia consiste em mais de 400 segmentos planos e de bandas de laços laminados finamente, que são montadas, em blocos, no lado esquerdo e direito de cada segmento. Cada banda contém nove ou 12 laços finos para uma máxima flexibilidade quando a correia move ao redor da polia. Uma presilha na face frontal do segmento prende com um orifício na face traseira do segmento à frente, e então este segmento empurra o próximo segmento e assim por diante (fig 11)
Figura 11
Em que:
Pulley = polia
Segment = segmento. É o componente que prende o par de bandas
Band set = banda. Pode possuir de nove a 12 laços.
Peg = presilha. Componente que se prende ao orifício do segmento traseiro.
Hole = orifício, sulco
Segment shoulder = ombro do segmento. É o local onde a banda se apóia.
Rocking edge = borda de balanço
O contato entre os segmentos, enquanto a correia se move ao redor da polia, ocorre através de uma linha de contato paralela ao eixo da polia chamada borda de balanço. A distância do centro do eixo da polia para a borda de balanço do segmento é definido pelo passo diametral (diametral pitch) para uma dada relação de velocidade (fig 12)
Figura 12
Onde:
RP - raio da borda de balanço na polia primária em uma determinada velocidade
RS - raio da borda de balanço na polia secundária em uma determinada velocidade
X - distância entre os eixos das polias
1-2 e 3-4 - partes retas da correia
4-1 e 2-3 partes curva da correia
3 PERDAS NO CVT As perdas no sistema CVT podem ser de natureza hidráulica ou mecânica.
3.1 Perdas de natureza hidráulica
A perda hidráulica provém da alta pressão do óleo, se comparada com a transmissão automática convencional, que resulta em alto torque de acionamento requerido para a bomba. A bomba que fornece a pressão e a vazão do óleo é dimensionada para uma situação em que de máxima velocidade e conseqüente alta vazão de óleo requerida, enquanto o motor está em marcha lenta e a bomba está em baixa rotação. Assim, motores de alta velocidade provocam excessiva vazão de óleo, que é então escoado para o reservatório. O óleo ainda deve manter-se pressurizado para fornecer uma força de aperto para a correia. A drenagem do óleo pressurizado é uma perda direta de potência que influencia negativamente na eficiência do combustível do veículo.
3.2 Perdas de natureza mecânica
As perdas de natureza mecânica representam a maior parte das perdas no sistema CVT. As perdas desse tipo são identificadas nas seguintes localidades:
Entre os blocos e as bandas
Entre as bandas vizinhas, dentro dos blocos
Entre o bloco e a polia
Entre blocos vizinhos A eficiência no CVT é dada por:
Equação 1
Em que Pin é a potência de acionamento; Pout é a potência de saída; Tp é o torque na polia condutora (primária); Ts é o torque na polia conduzida (segundária); ω representa as rotações das polias.
3.2.1 Torque de acionamento
A perda de potência da correia V pode ser representada pela diferença de tensão das bandas:
Equação 2
Onde Tti e Tsl são as tensões da banda no lado tracionado e no lado comprimido, respectivamente. ∆R é a distância entre o raio de órbita das bandas e as borda de balanço. A eficiência da transmissão é representada por
Equação 3
Na equação acima, como as tensões Tti e Tsl são determinadas apenas pela tensão de aperto da correia (em outras palavras, a linha de pressão) e não dependem da magnitude do torque de acionamento Tp, eficiência da transmissão será maior quanto maior for o torque de acionamento, para uma dada linha de pressão. Na figura 13, mantendo-se a linha de pressão constante, bem como a rotação da polia condutora (ωp) em 1000 rpm, nota-se que a eficiência aumenta com o aumento do torque (Leia-se fitted curve = curva ajustada)
Figura 13
3.2.2 Linha de Pressão
A linha de pressão é a tensão de aperto da correia. A figura 14 mostra a curva de eficiência, para uma rotação de 1000 rpm, usando diferentes relações de transmissão (0,428, 1 e 2,4). Em todos os casos, nota-se que a eficiência diminui conforme se aumenta a linha de pressão.
Figura 14
3.2.3 Relação de transmissão
Observe a figura 15.
Figura 15
A eficiência da transmissão continuamente variável é máxima na situação em que i=0. Observando a equação 2, conclui-se que há duas maneiras de fazer a perda igual a zero: fazendo tensão de compressão igual a de tração, ou a relação de transmissão igual a 1. como a primeira opção é impossível, a perda de potência se dá numa relação de transmissão igual a 1. Entretanto, na prática é impossível obter-se uma perda nula, pois outras perdas estão envolvidas, tais como a perda de torque e velocidade devido a fricção das bandas, deformação das polias, etc.
3.2.4 Rotação
Pela figura 16, conclui-se que o rendimento diminui com um aumento da rotação. Isto significa que a perda de torque no conjunto polia-correia tem características de atrito que dependem da rotação.
Figura 16
4 VANTAGENS DO CVT A potência que sai do motor passa através do seguinte trajeto: POLIA CONDUTORA - CORREIA METÁLICA V - POLIA CONDUZIDA EMBREAGEM
Os diâmetros das duas polias, ajustadas por pistões hidráulicos, reagem à posição do acelerador, velocidade e outras condições. Por exemplo, quando o motor é desacelerado pelo motorista, o diâmetro da polia motora aumenta. Ao mesmo tempo, o diâmetro da polia conduzida diminui. Essa combinação de polias resulta na transmissão em marcha lenta.
Através desse ajuste de polias, tem-se completo controle sobre toda as taxas de transmissão possíveis - de lenta a rápida, e todas entre estas. Adicionalmente, a correia é flexível, e se acomoda facilmente a qualquer mudança de dimensão das polias, transferindo potência eficientemente sem qualquer patinagem.
As vantagens do CVT estão citadas a seguir:
O motor pode funcionar na faixa de rotação de melhor potência, independente da velocidade em que o carro está andando. Isso resulta em redução de consumo de combustível.
A
a aceleração do carro é constante, sem degraus, desde a imobilidade até a
velocidade de cruzeiro. O solavanco de troca de marcha é eliminado, deixando o movimento do carro mais suave.
Há uma melhor resposta a mudanças de condições, como posição do acelerador, velocidade do carro, relevo do trajeto. Isso elimina a caça de marchas conforme a velocidade diminui e desacelera, especialmente quando se sobe morros.
Há uma menor perda de potência do que a caixa automática convencional.
É possível um melhor controle de faixa de rotação num motor a gasolina, melhorando o controle de emissões.
CONCLUSÃO O princípio de funcionamento das arvores de transmissão convencionais torna difícil alcançar um máximo de eficiência energética porque as oportunidades do motor operar com o menor consumo de combustível são restringidas e geralmente não harmonizam com as condições de torque e velocidade impostos pelo veículo no motor. Durante a aceleração, o motor precisa operar entre velocidades baixas e altas, normalmente em carregamento constante. Isto significa que ele precisa operar entre baixa e alta potência. Entretanto, seria desejável uma aceleração constante para maximizar e eficiência e a desempenho do motor. A transmissão continuamente variável permite que o motor opere próximo a faixa de melhor potência. Dessa forma o motor opera com a melhor taxa de consumo de combustível, independente da velocidade em que o carro está andando. Ao invés de ter um número de definido de marchas, ou relações de transmissão, a transmissão CVT permite infinitas transmissões de velocidade do motor ao veículo. Isso fornece benefícios consideráveis, se comparado aos veículos de transmissão automática convencional, tais como: O motor irá operar na rotação ideal, independente da velocidade do carro. Quando o veículo estiver em velocidade de cruzeiro, com baixa potência requerida, o motor irá operar em baixa rotação. Quando o carro estiver acelerando ou subindo um morro, o motor irá operar em alta rotação. Partindo do carro parado até a velocidade de cruzeiro, o CVT fornece aceleração constante e sem solavancos, devido a transição suave das taxas de transmissão. Na transmissão automática convencional, esse movimento ocorre com solavancos do engrenamento. As transmissão CVT opera com melhor eficiência e aceleração, pois perde menos potência do que a transmissão automática típica.
BIBLIOGRAFIA
NARITA, J. e PRIEST, M. Metal-metal friction characteristics and the transmission efficiency of a metal V-belt-type continuously variable transmission. WANSIK, Riu e KIM, hyunsoo Metal-metal friction characteristics and the transmission efficiency of a metal V-belt-type continuously variable transmission. SHIGLEY, Joseph; MISCHKE, Charles e BUDINAS, Richar. Projeto de Engenharia Mecânica. SENAI. Elementos de Máquinas ROZEN, Marcos. Coragem, Vontade e Teimosia. Disponível em: http://www.autodata.com.br/modules/revista.php?m=reportagens&recid=4290 Continuously Variable Transmission. Disponível em: http://cvt.com.sapo.pt/ . Como funciona os CVTs. Disponível em: http://auto.howstuffworks.com/cvt5.htm
