Transmissões — Comparando MT, AT, CVT e DCT

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0. O que este artigo explica

Por que uma roda não pode ser simplesmente acoplada a um motor e por que uma relação de transmissão é necessária.
Os elementos mecânicos, a eficiência, o calor e as diferenças de controle entre transmissões manuais (MT), transmissões automáticas com conversor de torque (AT), transmissões CVT e transmissões de dupla embreagem (DCT).
Exemplos, incluindo a ZF 8HP, a divisão de potência planetária THS da Toyota e as DCTs, além do motivo pelo qual os veículos elétricos (VEs) frequentemente utilizam engrenagens redutoras.

1. Resumindo: o que é uma transmissão?

Uma transmissão converte a velocidade e o torque do motor primário para corresponder à velocidade, inclinação e carga do veículo. Aqui, definimos a relação de redução $i$ como a relação entre a entrada e a saída. Para torque de entrada $T_i$ , torque de saída $T_o$ , velocidade de entrada $\omega_i$ e velocidade de saída $\omega_o$ ,

i=\frac{\omega_i}{\omega_o},\qquad \left.\frac{T_o}{T_i}\right|_{\eta_g=1}=i,\qquad \frac{T_o}{T_i}=\eta_g i,\qquad P_o=\eta_g P_i

A relação do meio representa o caso ideal sem perdas; a relação à direita inclui perdas de engrenagem, rolamento e óleo na eficiência $\eta_g$ . Uma relação de redução maior $i$ aumenta o torque da roda, mas diminui a velocidade da roda.

2. Por que uma relação é necessária

Um motor de combustão interna é eficiente e tem torque apenas em uma faixa de velocidade limitada e não consegue manter a rotação em velocidade zero. As rodas precisam percorrer a distância entre a imobilidade e a velocidade de cruzeiro, portanto, a partida utiliza uma grande redução e a velocidade de cruzeiro utiliza uma menor. Os motores elétricos oferecem alto torque em baixas rotações e uma ampla faixa de potência constante, permitindo a dispensa de múltiplas marchas, embora veículos pesados, altas velocidades e reboque possam justificar duas ou mais relações de transmissão.

Uma embreagem absorve a diferença de velocidade e interrompe a transmissão; um diferencial permite a diferença de velocidade entre as rodas esquerda e direita. A eficiência da transmissão, portanto, inclui a interrupção da troca de marchas, as perdas na bomba hidráulica, o sistema de arrefecimento e o software de controle — e não apenas as perdas por engrenamento.

3. Arquitetura básica

Figura 1 — A relação é selecionada, a embreagem absorve a diferença de velocidade e o diferencial distribui o torque para as rodas.

4. MT: a troca mais direta

Uma transmissão manual (MT) exige que o motorista desengate a embreagem, sincronize a velocidade do eixo e engate uma marcha. Engrenagens de malha constante são comuns: até mesmo engrenagens não utilizadas A engrenagem gira, enquanto anéis sincronizadores e embreagens de garras conectam a selecionada. O projeto é mecanicamente transparente, com pouco controle hidráulico, mas a partida, as arrancadas em subidas e as trocas de marcha dependem do motorista.

5. AT: conversor de torque e engrenagens planetárias

Uma transmissão automática convencional de múltiplas velocidades combina um conversor de torque hidráulico, conjuntos de engrenagens planetárias, embreagens hidráulicas e uma unidade de controle eletrônico. A diferença de velocidade da bomba, da turbina e do estator pode multiplicar o torque de partida; uma embreagem de travamento reduz o deslizamento em velocidade de cruzeiro. Um conjunto planetário altera a relação selecionando qual de seus elementos (solar, porta-satélites e anel) é retido, acionado ou de saída.

A ZF publica um projeto 8HP que seleciona quatro conjuntos de engrenagens com cinco elementos de mudança, ilustrando que mais relações não significam simplesmente mais marchas. As variantes atuais do 8HP são modulares para veículos a combustão, híbridos leves e híbridos plug-in.

6. CVT: relação continuamente variável

Uma CVT por correia varia os raios efetivos de duas polias com a pressão hidráulica. Sua relação é

i_{CVT}=\frac{\omega_{in}}{\omega_{out}}=\frac{r_{driven}}{r_{drive}}

Sem deslizamento, ωin rdrive = ωout rdriven. Um raio de acionamento de 50 mm e um raio movido de 100 mm resultam em i=2, portanto, a velocidade de saída é metade da velocidade de entrada.

Ele pode manter um motor próximo à rotação eficiente, mas a força de aperto da correia, o atrito da polia e a bomba hidráulica consomem energia. Um conversor de torque de partida ou um estágio planetário podem ser adicionados, e um sistema híbrido de divisão de potência pode direcionar um caminho elétrico; dois sistemas chamados “CVT” podem, portanto, ter fluxos de potência muito diferentes.

7. DCT: duas embreagens em alternância

Uma transmissão de dupla embreagem atribui marchas pares e ímpares a embreagens separadas e pré-seleciona a próxima marcha. Uma mudança de marcha abre uma embreagem enquanto fecha a outra, minimizando a interrupção. Uma embreagem a seco tem baixa perda por agitação do óleo, mas sofre com o calor e o desgaste da partida; uma embreagem úmida resfria melhor, mas precisa de potência da bomba.

8. Comparando as abordagens

Tipo	Conceito mecânico	Eficiência Tendência	Condição difícil
MT	Engrenagens fixas e uma embreagem	Alta, com pouca perda de controle	Tráfego, partida, variação do motorista
AT de múltiplas velocidades	Conversor de torque, conjuntos planetários, hidráulica	Alta com bloqueio	Perda hidráulica/de refrigeração, massa, atraso na troca de marchas
CVT	Polias variáveis	Mantém o motor principal próximo a um ponto eficiente	Alto torque, aperto da correia, calor
DCT	Engrenagens pares/ímpares e duas embreagens	Alto acoplamento mecânico	Calor da embreagem em baixa velocidade e complexidade de controle
Redução EV	Geralmente redução e diferencial fixos	Poucas perdas relacionadas à relação de transmissão	Alta velocidade, massa, limite de velocidade do motor

9. Controle e escolhas práticas

O controle de troca de marchas lê a velocidade do veículo, o acelerador, a rotação do motor, a inclinação, a temperatura do óleo e a aceleração lateral. Um custo simplificado é

J= w_f\,\mathrm{fuel}+w_s\,\mathrm{shift\ shock}+w_d\,\mathrm{delay}+w_t\,\mathrm{temperature}

A otimização de combustível por si só pode causar trocas de marcha frequentes ou vibração em baixa velocidade. Eletrificado Os sistemas adicionam limites de velocidade do motor, SOC da bateria, torque regenerativo e temperatura do inversor.

Sensação de direção e simplicidade de manutenção: MT, considerando o desgaste da embreagem e o esforço do motorista.
Maior massa do veículo, reboque e conforto: AT de múltiplas velocidades, comparando conversor de torque, sistema hidráulico e refrigeração como um sistema.
Economia em velocidade constante: CVT, após verificar o torque máximo de entrada e a capacidade térmica.
Trocas rápidas e resposta esportiva: DCT, após verificar a temperatura da embreagem no trânsito.
VE de passageiros: redução fixa é a base; cruzeiro em alta velocidade e reboque podem justificar múltiplas relações.

10. Resumo em três linhas

Uma transmissão adapta a estreita faixa de velocidade eficiente do motor principal à ampla faixa de velocidade da roda.

MT, AT, CVT e DCT trocam engrenagens, sistema hidráulico, correia e comportamento de dupla embreagem por eficiência, calor e complexidade de controle.

Os VEs podem ser simplificados para uma redução fixa, mas o número de relações deve ser escolhido com base na eficiência do sistema, incluindo alta velocidade. Reboque e regeneração.

Verifique seu entendimento

O que acontece ao dobrar a relação de redução?

Idealmente, a velocidade de saída cai pela metade e o torque dobra. Não há geração de potência; transmissões reais também têm perdas.

Referências

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