sistema de transmissÃo de potÊncia

SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA

Introdução

• Funções do sistema de transmissão de potência:– Transmitir potência do motor para as rodas motrizes

e para a TDP (tomada de potência)– Possibilitar o engate suave da potência do motor

durante o início do movimento do trator– Transformar o torque e a rotação do motor para

atender à demanda da operação a ser executada– Possibilitar a reversão da direção de deslocamento

do veículo (marcha-a-ré)– Possibilitar o parada suave do veículo

Introdução

• Principais componentes

Embreagem de fricção e freios

• Embreagens:– Possibilita o acoplamento suave entre o

motor e a carga e permite a interrupção do fluxo de potência

– Tipos: seca e banhada à óleo

Embreagem de fricção e freios• Embreagem:

– Disco– Carga produzida por

molas (discos de fricçãocomprimidos por molas)

– Acionamento mecânico– Seca: veículos de baixa

a moderada potência


• Embreagem:– Disco– Dupla: tração e TDP– Discos múltiplos– Atuadores

hidráulicos permitemo acoplamento

– Banhada à óleo


• Capacidade de torque de uma embreagem:

• Em que:– Tc = capacidade de torque, N.m– f = coeficiente de fricção– Fc = força de compressão produzida pelas molas das

embreagem, kN– rm = raio médio da embreagem, mm– ns = número de superfícies de transmissão de torque (duas

vezes o número de discos)• Reserva de torque = 2 a 3 vezes o máximo torque

produzido pelo motor• Reserva de torque garante rápido engate e mínimo

deslizamento após o engate


• Raio médio de uma embreagem:

• Em que:– Do = diâmetro externo do disco da embreagem, mm– Di = diâmetro interno do disco da embreagem, mm


• Calor produzido no deslizamento dos discos de umaembreagem:

• Em que:– Q = calor gerado, J– Ts = torque médio transmitido enquanto a embreagem está

patinando, N.m– Ns = máxima rotação relativa aos discos da embreagem, rpm– ts = duração do deslizamento, s


• Aumento de temperatura de uma embreagem:

• Em que:– θ = temperatura da embreagem após o engate, oC– θo = temperatura da embreagem antes do engate, oC– mc = massa das partes que absorvem calor, kg– Cp = calor específico dos elementos que absorvem calor,

J/(kg.oC)


• Taxa específica de geração de calor de umaembreagem:

• Em que:– Er = taxa específica de geração de calor, W/mm2

– Ac = área combinada de todas as superfícies de fricção, mm2

Embreagem de fricção e freios• Dados para projeto de embreagens:

Material

Coeficiente

de fricção

f

Máxima pressão

na face dos

discos

N/mm2

Fluxo de óleo

para

resfriamento,

L/s/m2

Máxima taxa

de geração de

energia,

W/mm2

Máxima

temperatura

suportada pelo

sistema, oC

Embreagens secas:

Orgânico 0,20-0,30 0,1-0,3 Seca 0,5-0,8 150

Metal-Cerâmica 0,30-0,40 0,7-0,9 Seca 0,8-2,3 200-250

Embreagens

banhadas a óleo

Papel 0,09-0,13 0,8-2,5 6-30 0,8-1,2 230-280

Moldado (Molded) 0,08-0,10 1,5-2,5 2,5-30 1,0-1,2 230-280

Enchimento com

fluorcarbono

0,08-0,10 1,5-2,5 2,5-12 1,0-3,0 250-300

Metal sinterizado 0,04-0,09 1,2-3,5 2,5-12 1,0-2,0 300


• Freios:– Freio a tambor, mais usados no passado– Freio a disco, é mais popular atualmente– Projeto semelhante ao das embreagens– Reserva de torque = 2 a 3– Raio médio = levar em consideração o centro

das sapatas

Transmissões e equilíbrio de cargas

• Transmissão: – Fornece condições para movimento à frente,

à ré e neutro.– Transforma torque e rotação do motor para o

necessário nas rodas motrizes


• Rotação e torque das rodas motrizes:

• Em que:– Ne = rotação do motor, rpm– NA = rotação das rodas motrizes, rpm– Te = torque do motor, N.m– TA = torque nas rodas motrizes, N.m– Ept = eT.eD.eFD = eficiência do sistema de transmissão de potência,

produto das eficiências da caixa de marchas (eT), do diferencial (eD) e da redução final (eFD)

– Gpt = GT.GD.GFD = relação de transmissão do sistema, produto dasrelações de transmissão da caixa de marchas (GT), diferencial (GD) e redução final (GFD)

Tipos de transmissões

• Engrenagens deslizantes

• Engrenagens constantemente engrenadas

• Engrenagens acopladas com sincronizador

• Engrenamento com embreagens acionadashidraulicamente (Power-Shift)

• Transmissão continuamente variável (CVT)

• Hidrocinética

Projeto de Engrenagens• Traçado do perfil dos dentes

Projeto de Engrenagens• Representação do ângulo de

pressão

Projeto de Engrenagens• Terminologia referente aos dentes

de engrenagens

Projeto de Engrenagens

• Diâmetro de pitch e módulo de uma engrenagem

• Em que:– Dp = diâmetro de pitch (nominal) do pinhão, mm– Dc = distância entre centros das engrenagens, mm– G = relação de transmissão (maior que um)– m = módulo dos dentes da engrenagem, mm– DG = diâmetro de pitch (nominal) da engrenagem, mm– n = número de dentes da engrenagem

Projeto de Engrenagens

• Módulos típicos de engrenagens usadasem transmissões:– Engrenagens da caixa de marchas 4 a 5 mm– Engrenagens acionadas por embreagens

hidráulicas: 1,5 a 3,5 mm– Engrenagens cônicas espirais: 8 a 12 mm– Engrenagens da redução final: 5 a 7 mm

Projeto de Engrenagens• Características das engrenagens usadas em veículos fora de

estrada:– Requer material e processo de fabricação de alta qualidade

– Superfícies dos dentes com elevada dureza

– Limite de escoamento do material da superfície: 2000 MPa

– Projeto tem que levar em consideração a resistência à fadiga

– Escorregamento entre os dentes geram perda de potência

– Perda de potência em pares de engrenagens externas: 1% a 2% (eficiênciade 98,5%)

– Perda de potência em pares de engrenagens internas: 0,5% a 1,5% (eficiência de 99%)

Engrenagens usadas em caixas de marchas

• Relação de transmissão e torque em um par de engrenagens:

• Em que:– Gm = relação de transmissão do par de engrenagens;– Nin = rotação de entrada, rpm– Nout = rotação de saída, rpm– nin = número de dentes da engrenagem de entrada– nout = número de dentes da engrenagem de saída– Tin, Tout = torque de entrada e de saída, N.m– em = eficiência da transmissão, decimal


• Sincronizador

Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift)

• Power-Shift (high-low) de 4 posições:– Redução; direta; neutro; travado


• Power-Shift com reversão


• Conjuto de engrenagens planetárias:


• Conjuto de engrenagens planetárias:

• Em que:– n = número de dentes da engrenagem– N = rotação da engrenagem, rpm– r, s, pc = subscritos que se referem à corôa,

engrenagem solar e carrier planetário, respectivamente


• Conjuto de engrenagens planetárias– Geralmente a rotação da corôa é zero:

• Em que:– et = eficiência da transmissão– Tpc, Ts = torque no carrier planetário e na engrenagem solar,

N.m

ss

pcpc

tNT

NT

entradadepotência

saídadepotênciae

⋅

⋅==


• Conjuto de engrenagens planetárias– Torque agindo nas engrenagens planetárias e na

corôa:

• Em que:– esp = eficiência da transmissão entre a engrenagem solar e a

planetária– epr = eficiência da transmissão entre a engrenagem planetária e

a corôa


• Conjuto de engrenagens planetárias– Eficiência do sistema:


• Conjuto de engrenagens planetárias– Para que o sistema seja possível:

inteiro=+

p

rs nn

γ

• Em que:– γp = número de engrenagens planetas igualmente

espaçadas


• Conjuto de engrenagens planetárias composto– Dois conjuntos de engrenagens planetárias de tamanhos

diferentes– Um acopla à engrenagem solar– Outro acopla à corôa– Sistema pode ter duas engrenagens solares e duas corôas


• Conjuto de engrenagens planetárias composto


• Troca de engrenamento usando eletro-hidráulica: válvula eletro-proporcional de redução de pressão


• Características de uso:– Relação de transmissão pode ser mudada sem interrupção de

potência– Pedal da embreagem de tração torna-se desnecessário, é

normalmente colocado por razões de segurança– Desvantagens:

• quantidade considerável de energia é usada para acionamento dasvárias embreagens/freios

• Eficiência global de um sistema de trasmissão com acionamentohidráulico é geralmente inferior a 85%

• Transmissões são de fabricação cara– Fabricantes tem optado por sistema de transmissão com parte

por acionamento hidráulico: redução de custo e eficiência global 90%

Transmissões continuamentevariável

• Transmissões continuamente variável (CVT) nãoapresentam relações de transmissão discreta

• A relação de transmissão é continuamente variável

• Pesquisas têm sido conduzidas na busca de CVT mecânica

• Maioria das CVT para veículos pesados são do tipohidrostática


• CVT hidrostática


• CVT hidrostática – quatro tipos:– Tipo 1: Bomba de deslocamento fixo e motor de

deslocamento fixo– Tipo 2: Bomba de deslocamento variável e motor de

deslocamento fixo– Tipo 3: Bomba de deslocamento fixo e motor de

deslocamento variável– Tipo 4: Bomba de deslocamento variável e motor de

deslocamento variável


• CVT hidrostática – equações que governam a transmissão de potência:

• Em que:– Np e Nm = rotação da bomba e do motor, respectivamente, rpm– Dp e Dm = delocamento da bomba e do motor, respectivamente, cm3/rev– Tp e Tm = torque na bomba e no motor, respectivamente, N.m– epv, emv = eficiência volumétrica da bomba e do motor, respectivamente, decimal– ept, emt = eficiência de torque da bomba de do motor, respectivamente, decimal– ∆p = diferença de pressão entre a entrada e saída do motor ou da bomba, MPa


• CVT hidrostática Tipo 1 - Bomba de deslocamento fixo e motor de deslocamento fixo– Não permite troca de relação de transmissão entre entrada e

saída, por isso é nunca utilizada


• CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamentovariável e motor de deslocamento fixo– Permite excelente controle de velocidade e direção– Vazão da bomba pode variar de zero até o valor máximo numa

direção e na direção contrária– Desvantagem: transmissão de torque constante– Para máxima capacidade de transmissão em rotação máxima, a

transmissão tem que operar com a máxima ∆p


• CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamentovariável e motor de deslocamento fixo– Quando Dp é reduzido o torque não aumenta como prevê o

conjunto de equações– Capacidade de transmissão de potência cai em baixas rotações– Em veículos pesados é necessário bombas e motores grandes

para funcionar adequadamente em baixas rotações– Esse sistema de transmissão é usado em tratores para

jardinagem– Veículos pesados utilizam transmissões do tipo potência

constante


• CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamentovariável e motor de deslocamento fixo


• CVT hidrostática Tipo 3 - Bomba de deslocamento fixo e motor de deslocamento variável– Transmissão tipo potência constante– Dm deve ser aumentado para aumentar a rotação de saída– Aumentando Dm aumenta a capacidade de transmissão de torque

sem amentar ∆p– Problema: apresenta uma característica de variação de rotação de

baixa qualidade– Próximo do ponto de reversão o sistema passa de máxima rotação

numa direção para máxima rotação na direção inversa– Por isso, não se permite reversão da rotação– Motores muito grandes são necessários para obtenção de baixas

rotações


• CVT hidrostática Tipo 3 - Bomba de deslocamento fixo e motor de deslocamento variável


• Características de uso das transmissões CVT– A CVT tipo 4 é utilizada em veículos pesados– A CVT tipo 4 fornece bom controle de rotação e reversão de

rotação– Na CVT tipo 4, quando se reduz o deslocamento da bomba para

reduzir a rotação, o deslocamento do motor é simultâneamenteaumentado para promover aumento do torque


• Características de uso das transmissões CVT– Devido a perda de eficiência volumétrica em baixas rotações, as

transmissões hidrostáticas são geralmente usadas em série com conjuntos de engrenagens

– Operador pode usar a potência máxima no eixo das rodasmotrizes em todas as rotações

– Menor eficiência de transmissão tem limitado o uso desse tipo de transmissão et = ept.epm.emv.emt

– Transmissões hidrostáticas tem sido usadas em aplicações emque a flexibilidade de mudança da relação de transmissão é maisimportante que a perda de potência


• Características de uso das transmissões CVT

Transmissões hidrocinéticas

• Eixo de entrada aciona um propulsor que geraum fluxo de óleo dentro da unidade

• O fluxo de óleo aciona a turbina que está ligadaao eixo de saída


• Relação entre torque e rotação

• Em que:– Nin e Nout = rotação de entrada e saída, respectivamente, rpm– Tin e Tout = torque de entrada e saída, respectivamente, N.m– et = eficiência da transmissão

Transmissões hidrocinéticas• Nas transmissões hidrocinéticas a rotação de saída

automaticamente se reduz com o aumento de torque aplicado no eixo de saída e vice versa.

• Por isso, transmissão hidrocinética não tem um relação de transmissão definida.

• Transmissão hidrocinéticas são muito ineficientes quando a relaçãode transmissão é muito baixa ou muito alta

• Assim, as transmissões hidrocinéticas são usadas em série com um sistema de engrenagens planetárias de duas ou três velocidades.


• Não há necessidade de embreagem de tração, relaçãode transmissão é modificada automaticamente

• Em veículos pesados, a transmissão hidrocinética é útilquando não se necessidade de um controle rígido de rotação

• Se a variação de velocidade é crítica, a transmissãohidrocinética precisa ser travada.


• Desempenho típico de uma transmissãohidrocinética

Comparação entre diferentes tiposde transmissões

• Transmissões usando engrenagens deslizantes ou previamenteengrenadas são simples, eficientes mas difícil de variar a relação de transmissão com o veículo em movimento

• O sincronizador facilita o trabalho de mudança da relação de transmissão mas ainda é necessário que se use a embreagem de tração

• O sistema power-shift permite a troca de marchas sem necessidadede acionamento do pedal da embreagem (incluído apenas porrazões de segurança). Sistema power-shift permite ganho de produtividade em relação ao sistema anterior.


• Para tornar o sistema mais barato geralmente se usa o sistemapower-shift de duas velocidades em série com transmissão com sincronizador

• A produtividade do veículo aumenta quando se tem mais opção de relação de transmissão para que se possa adequar melhor a cargaàs condições de trabalho do motor

• O sistema CVT é teoricamente o sistema mais flexível de troca darelação de transmissão

• O único tipo de CVT disponível para veículos pesados é o que usatransmissão hidrostática


• A transmissão hidrocinética não tem relação de transmissãodefinida. Ela ajusta automaticamente a rotação de saída para mudaro torque de saída.

• A transmissão hidrocinética fornece controle automático em funçãoda carga em uma curva de potência constante. Em tratoresagrícolas é melhor utilizada em trabalhos pesados de preparo de solo e operações em que a velocidade de deslocamento não écrítica. Se a variação de velocidade é crítica, a transmissãohidrocinética precisa ser travada.

Ressonância entre transmissões e simulação por computador

• Eixos são submetidos a deflexão torcional em resposta ao torque aplicado, agindo como molas torcionais

• Algumas massas rotacionais na transmissão são grandes e têminércia significativa

• Molas torcionais fazem com as massas rotativas oscilemtorcionalmente nas frequências naturais que são proporcionais àraiz quadrada da razão entre a constante de mola torcional e a inércia

• Pertubações torcionais ocorrem na transmissão devido aosharmônicos do motor, contato entre os dentes das engrenagens, e outros


• A amplitude de oscilação torcional é dada por:

• Em que:– θ = amplitude de oscilação, radianos– T(t) = amplitude da oscilação de torque, N.m– K = constante de mola torcional, N.m/rad– J = momento de inércia das massas rotativas, kg.m2

– ω = frequência angular da flutuação de torque, rad/s


• A frequência natural angular do sistema (ωn):

• Quando a frequência de oscilação do torque se aproxima da frequência natural, a oscilação se tornamuito grande

• Na realidade, existem múltiplas frequências naturais e se a frequência de trabalho se aproxima de algumadelas, pode ocorrer problemas com o conforto do operador ou danos nos componentes


• Devido à complexidade dos sistemas de vibração, a simulação por computador tem sido usada para modelare analisar tais sistemas.

• Tipos de análises:– Análises modais para determinação das frequências naturais e

modos de vibração– Análise de tensões em regime permanente e regime transiente

Diferencial

• Permite que as rodas motrizes girem a diferentes rotações

• Componentes:– Pinhão e corôa: engrenagens cônicas– Montagem do carrier: quatro engrenagens

cônicas.

Diferencial

Diferencial

• Relação entre rotações no diferencial:

• Em que:– NL e NR = rotações dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, rpm– Gd = relação de transmissão do diferencial– nbp e nr = número de dentes do pinhão e da corôa, respectivamente.

Diferencial

• Relação de potência no diferencial:

• Em que:– TL e TR = torques dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, N.m– Tin = torque de entrada no diferencial, N.m– Nin = rotação de entrada no diferencial, rpm– ed = eficiência do diferencial

Diferencial

• Relação de torque no diferencial:

• Em que:– TL e TR = torques dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, N.m– ed = eficiência do diferencial

• Ou seja, os dois lados do diferencial transmitem o mesmo torque• O fator 2 na equação acima é porque o torque na corôa é dividido pela

metade para cada lado do diferencial

Diferencial

• Diferencial é necessário nas manobras• Diferencial degrada o desempenho do veículo

de duas formas:– O torque é limitado pelas condições de tração que

pode ser desenvolvido pela rodas, o máximo torque transmitido é função da pior condição de tração

– A divisão da potência entre os eixos faz com que a maior potência seja direcionada para o lado que tem pior condição de tração. Como os torques são iguaispara cada lado, a potência de cada lado ficaproporcional a rotação de cada lado.

Diferencial

• Bloqueio do diferencial: melhora o desempenho do veículo travando o efeito do diferencial, os dois lados do diferencial passam a girar na mesma rotação

• O bloqueio do diferencial deve ser eliminado durante as manobras

• Diferencial com deslizamento limitado: quando a diferença de rotação entre os dois lados supera um determinado limite, um mecanimo provoca o bloqueio do diferencial. Quando a diferença de rotação cai abaixo de um determinado valor, o bloqueio é automaticamentedesligado.

Redução final

• Produz grande redução de rotação e correspondente aumento de torque.

• A redução final é necessária em veículos queusam rodas de grande diâmetro por causa danecessidade de maior torque de acionamento

• Geralmente a relação de transmissão naredução final está na faixa de 4:1 a 5:1.

Redução final

• Redução final por engrenagens planetárias:

Sistema de direção para veículosde esteiras

Sistema de transmissão de potênciapara TDP em tratores agrícolas

• Tipo 1: 540 rpm, eixo de 35 mm para tratorescom até 65 kW de potência na TDP

• Tipo 2: 1000 rpm, eixo de 35 mm para tratoresde 45 a 120 kW de potência na TDP

• Tipo 3: 1000 rpm, eixo de 45 mm para tratoresde 110 a 190 kW de potência na TDP


• Tipos de eixo da TDP


• Três tipos de TDP quanto aoacionamento:– TDP acionada pela transmissão– TDP continua– TDP independente

Perguntas ???

sistema de transmissÃo de potÊncia

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