Como funciona a tração nas quatro rodas

Introdução

Existem tantos tipos diferentes de tração nas quatro rodas quanto veículos com esse sistema. Parece que cada fabricante possui soluções diferentes para levar potência a todas as rodas. A linguagem usada pelos diferentes fabricantes pode ser um pouco complicada. Então, antes de começarmos a explicar como tudo funciona, vamos esclarecer algumas terminologias:

  • Tração nas quatro rodas: geralmente, quando os fabricantes dizem que o carro tem tração nas quatro rodas, estão se referindo ao sistema temporário. Por razões que iremos explorar mais adiante nesse artigo, esses sistemas são designados apenas para situações de pouca aderência, como fora da estrada ou na neve ou gelo. 
  • Tração em todas as rodas: esses sistemas também são chamados de tração permanente nas quatro rodas e tração integral. Esses sistemas são feitos para utilização em todas as superfícies, tanto nas estradas como fora delas. A maioria deles não pode ser desativada.

Os sistemas temporários e permanentes de tração nas quatro rodas podem ser avaliados utilizando-se os mesmos critérios. O melhor sistema irá enviar exatamente a quantidade certa de torque para cada roda e é essa quantidade máxima de torque que não deixará o pneu patinar.

diagrama da tração nas quatro rodas

 

Nesse artigo, vamos explicar os fundamentos da tração nas quatro rodas, começando com algumas noções sobre atrito e dando uma olhada nos componentes que formam esse sistema. Em seguida vamos observar alguns sistemas diferentes, como o encontrado no Hummer, fabricado para a GM pela AM General.

Precisamos saber um pouco sobre torqueatritopatinagem de roda para que possamos entender o funcionamento dos diferentes sistemas de tração nas quatro rodas encontrados nos carros.

Torque é a força de torção que o motor produz. O torque produzido pelo motor é o que faz seu carro se mover. As diversas marchas no câmbio e a redução no diferencial multiplicam o torque e o distribuem às rodas. Mais torque pode ser mandado para as rodas na primeira marcha do que na quinta, já que a primeira possui uma maior relação de transmissão pela qual se multiplica o torque.
Esse gráfico em barras indica a quantidade de torque que o motor está produzindo. O ponto no gráfico indica a quantidade de torque que irá causar a patinagem da roda. Um carro que tem uma boa arrancada nunca excede esse torque, para que os pneus não patinem; um carro que tem uma arrancada ruim excede esse torque, fazendo com que o pneu patine. Assim que eles começam a patinar, o torque cai para praticamente zero.

>> Clique aqui e veja uma animação do funcionamento: veja o grafico

 

O interessante a respeito do torque é que, em uma situação de pouca aderência, a quantidade máxima de torque gerada é determinada pela qualidade dessa aderência e não pelo motor. Mesmo que você tenha um motor da NASCAR em seu carro, simplesmente não há como aproveitar a força se os pneus não aderirem ao solo.

Para explicar melhor este artigo, vamos definir tração como a máxima quantidade de força que o pneu pode aplicar sobre o solo (ou que o solo pode aplicar sobre o pneu – dá no mesmo). Esses são os fatores que afetam a tração:

  • Peso sobre o pneu – quanto mais peso sobre o pneu, mais tração ele tem. O peso pode mudar de acordo com o movimento do carro. Por exemplo, quando um carro faz uma curva, o peso se transfere para as rodas externas. Quando ele acelera, o peso vai para as rodas traseiras (veja Como funcionam os freios para obter mais detalhes). 
  • Coeficiente de atrito – esse fator relaciona a quantidade de força de atrito entre duas superfícies com a força que as une. No nosso caso, ele relaciona a quantidade de aderência entre os pneus e a estrada com o peso que repousa sobre cada pneu. O coeficiente de atrito é, na maioria das vezes, uma combinação entre os tipos de pneus do veículo e o tipo de superfície sobre a qual ele é conduzido. Por exemplo, um pneu da NASCAR tem um coeficiente de atrito muito alto quando está sendo usado em uma pista de concreto seca. Essa é uma das razões por que carros de corrida da NASCAR podem fazer curvas a uma velocidade tão alta. Porém, o coeficiente de atrito para o mesmo pneu na lama seria quase zero. Em contraste, grandes pneus de off-road cheios de sulcos, que não possuem um coeficiente de atrito tão alto em uma pista seca, na lama o teriam. 
  • Patinagem das rodas – existem dois tipos de contato que os pneus podem fazer com a estrada: estático e dinâmico. 
    • Contato estático - o pneu e a estrada (ou solo) não deslizam um em relação a outro. O coeficiente de atrito no contato estático é mais alto que no dinâmico, fazendo com que o estático ofereça uma aderência melhor.
    • Contato dinâmico - o pneu desliza em relação à estrada. O coeficiente de atrito para o contato dinâmico é menor, oferecendo menos aderência.

Basicamente, a patinagem da roda acontece quando a força aplicada ao pneu excede a aderência disponível naquele pneu. A força é aplicada ao pneu de duas maneiras:

  • Longitudinalmente - a força longitudinal vem do torque aplicado aos pneus pelo motor ou pelos freios. Ela tende a acelerar ou desacelerar o carro. 
  • Lateralmente – a força lateral é criada quando um carro faz uma curva. É necessária força para que um carro mude de direção – no fim das contas, os pneus e o solo provêm a força lateral.

Digamos que você tenha um carro com tração traseira potente e esteja fazendo uma curva numa estrada molhada. Seus pneus têm aderência suficiente para gerar a força lateral necessária para manter seu carro na estrada enquanto a curva é feita. Digamos que você acelere fundo no meio da curva (não faça isso!) – seu motor envia muito mais torque para as rodas, produzindo uma quantidade enorme de força longitudinal. Se você somar a força longitudinal (produzida pelo motor) à força lateral (criada pela curva) e o total exceder a aderência disponível, você provavelmente fará com que as rodas patinem e o carro derrape.

A maioria das pessoas não chega nem perto de exceder a aderência disponível para um chão seco, ou mesmo num chão molhado e plano. Sistemas de tração nas quatro rodas normais e permanentes são muito úteis em situações de pouca aderência, como na neve ou em ladeiras escorregadias. 

Tração nas quatro rodas e aderência

Os benefícios da tração nas quatro rodas são fáceis de entender: se você está dirigindo com tração nas quatro rodas em vez de duas, terá potencial para dobrar a força logitudinal (a força que faz o veículo andar) que os pneus aplicam ao solo.

Isso pode ser útil em diversas situações. 

  • Na neve: é necessária muita tração para deslocar um carro na neve. A quantidade de força disponível é limitada pela aderência no momento. A maioria dos carros com tração nas duas rodas não consegue se movimentar se houver mais de alguns centímetros de neve na estrada, porque na neve cada pneu tem apenas uma pequena quantidade de tração. Um carro com tração nas quatro rodas utiliza os quatro pneus. 
  • Fora da estrada: nas condições de fora-de-estrada, é muito comum um par de pneus estar em uma situação de pouca aderência, como atravessando um riacho ou uma poça de lama. Com a tração nas quatro rodas, o outro jogo par de pneus ainda conta com aderência, de maneira a poder tirá-lo da situação difícil. 
  • Subindo ladeiras escorregadias: tal tarefa requer muita aderência. Um carro com tração nas quatro rodas pode usar os quatro pneus para levar o carro ladeira acima.

Existem situações em que a tração nas quatro rodas não oferece vantagem sobre a tração nas duas. Particularmente, sistemas de tração nas quatro rodas não o ajudarão a parar em superfícies escorregadias. Fica tudo por conta dos freios e do sistema de freio antitravamento (ABS).

Componentes de um sistema de tração nas quatro rodas

As partes principais de qualquer sistema de tração nas quatro rodas são os dois diferenciais (dianteiro e traseiro) e a caixa de transferência. Somados a isso, sistemas temporários têm rodas-livres de cubos bloqueáveis e ambos os sistemas podem incluir avançados equipamentos eletrônicos que os ajudam a fazer um uso ainda melhor da aderência disponível.

Diferenciais

Carros de tração nas quatro rodas possuem dois diferenciais: um localizado entre as rodas dianteiras e outro entre as rodas traseiras. Eles enviam o torque da árvore de transmissão ou do câmbio para as rodas do carro. Permitem também que as rodas da esquerda e da direita girem em velocidades diferentes ao se fazer uma curva.

Em uma curva, as rodas internas fazem um caminho diferente das externas, assim como as rodas da frente fazem um caminho diferente das de trás, de modo que cada uma das rodas gire em uma velocidade diferente. Os diferenciais permitem que a velocidade seja diferente nas rodas internas e externas à curva (em um carro com tração permanente nas quatro rodas, a diferença de rotação entre as rodas dianteiras e traseiras é proporcionada por um terceiro diferencial dentro da caixa de transferência – falaremos disso a seguir).

o diferencial da tração nas quatro rodas
Diferencial livre - o tipo mais comum de diferencial

 

Existem vários tipos de diferenciais usados em carros e caminhões. O tipo de diferencial usado tem um efeito significativo no modo pelo qual o veículo utiliza a aderência disponível. Veja Como funcionam os diferenciais para obter mais detalhes.

A caixa de transferência
Esse é o dispositivo que divide a força entre os eixos dianteiro e traseiro em um carro com tração nas quatro rodas.

a caixa de transmissão de um carro com tração nas quatro rodas
Uma caixa de transferência periódica de tração nas quatro rodas temporária. A redução por engrenagem planetária pode ser empregada para fornecer marcha reduzida.

 

De volta ao nosso exemplo da curva: enquanto os diferenciais permitem a diferença de velocidade entre as rodas dianteira e traseira, a caixa de transferência, em um sistema de tração integral, contém um dispositivo que permite velocidades diferentes entre as rodas dianteiras e traseiras. Isso pode ser por meio de um acoplamento viscoso, um diferencial central ou outro tipo de engrenagem. Esses dispositivos permitem que um sistema de tração permanente funcione perfeitamente em qualquer piso.

A caixa de transferência, em um sistema de tração nas quatro rodas temporário, engata a árvore de transmissão dianteira à árvore de transmissão traseira, para que as rodas sejam obrigadas a girar na mesma velocidade. Isso requer que os pneus deslizem quando o carro fizer uma curva. Sistemas temporários como esses devem ser usados somente em condições de pouca aderência, em que é relativamente fácil os pneus deslizarem. Em asfalto seco é difícil os pneus deslizarem, de modo que a tração nas quatro rodas deve ser desengatada para evitar trepidação nas curvas e desgaste prematuro dos pneus e de toda a transmissão.

Algumas caixas de transferência, normalmente aquelas em sistemas temporários, contêm também um conjunto de marchas adicional, a marcha reduzida. Essa relação de marcha extra proporciona ao veículo mais torque e uma velocidade de saída na transmiossão extremamente baixa. Em primeira, usando a reduzida, o veículo pode atingir no máximo 10 km/h, mas é produzido um torque incrível nas rodas. Isso permite que os motoristas subam tranqüila e lentamente ladeiras das mais íngremes. A reduzida atua sobre todas as marchas do câmbio.

Cubo de roda-livre
Cada roda em um carro é presa a um cubo. Picapes e utilitários com tração nas quatro rodas temporária normalmente possuem cubos dianteiros com roda-livre. Quando a tração dianteira não está sendo utilizada, esses cubos permitem desconectar as rodas do diferencial dianteiro, das semi-árvores (as árvores que ligam o diferencial aos cubos) e a árvore de transmissão respectiva. Isso faz com que eles parem de girar, protegendo-os contra desgaste e esforço desnecessários e diminuindo o consumo de combustível.

Os cubos de roda-livre manuais eram muito comuns. Para acionar a tração nas quatro rodas, o motorista tinha que sair do veículo e acionar um botão para os cubos travarem. Sistemas mais novos possuem cubos de roda-livre automáticos que são acionados quando o motorista engata tração nas quatro rodas. Geralmente esse sistema pode ser acionado com o veículo em movimento.

Tanto o sistema manual como o automático utilizam uma luva deslizante que conecta a semi-árvore dianteira ao cubo da roda respectivo.

Equipamentos eletrônicos avançados
Equipamentos eletrônicos avançados têm um papel fundamental em muitos veículos com tração nas quatro rodas temporária e permanente. Alguns carros usam o sistema ABS para aplicar seletivamente os freios nas rodas que começarem a patinar – isso é chamado controle de tração pelo freio.

Outros possuem um sofisticado sistema eletrônico de controle de embreagens controlado eletronicamente que pode administrar melhor a transferência de torque entre as rodas. Veremos esse sistema avançado mais adiante.

Primeiro, vamos ver como funciona o sistema de tração nas quatro rodas temporário mais básico.

Um sistema básico

O sistema 4×4 temporário típico encontrado em picape e utilitários esportivos antigos funciona assim: o veículo é normalmente de tração traseira. O câmbio se conecta diretamente a uma caixa de transferência. Dali, uma árvore de transmissão aciona o eixo dianteiro e outra, o eixo traseiro. 

diagrama da tração nas quatro rodas
Diagrama de um sistema básico

 

Quando a tração nas quatro rodas é acionada, a caixa de transferência engata a árvore de transmissão dianteira da traseira, fazendo com que cada eixo receba metade do torque que está vindo do motor. Ao mesmo tempo, os cubos dianteiros se travam.

Os eixos dianteiros e traseiros possuem um diferencial livre cada. Ainda que esse sistema forneça uma tração muito melhor do que um veículo com tração nas duas rodas, ele tem duas desvantagens principais. Nós já falamos sobre uma delas: não pode ser usado no asfalto seco devido à caixa de transferência travada.

O segundo problema é devido aos tipos de diferenciais usados: o diferencial livre divide o torque igualmente entre cada uma das duas rodas a que é ligado (veja em Como funcionam os diferenciais para obter mais detalhes). Se uma daquelas duas rodas sair do chão, ou estiver numa superfície muito escorregadia, o torque aplicado a ela cai para zero. Como o torque é dividido igualmente, isso significa que a outra roda também receberá zero de torque. Assim, mesmo que a outra roda tenha aderência plena, o torque não será transferido. A animação abaixo mostra como um sistema desses reage em diversas condições.

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Animação de um sistema básico em diversas combinações de terreno. Esse veículo fica imóvel quando duas de suas rodas estão no gelo.
Anteriormente, dissemos que o melhor sistema de tração nas quatro rodas enviaria a quantidade exata de torque para cada roda, evitando assim a sua patinagem. Baseado nesse critério, esse sistema deixa a desejar. Ele envia para ambas as rodas a mesma quantidade de torque, o que fará com que o pneu com menor aderência deslize.

Existem maneiras de se melhorar sistemas como esse: trocar o diferencial livre por um diferencial traseiro autobloqueante é uma das mais comuns – isso certifica que ambas as rodas traseiras são capazes de aplicar um pouco de torque independente do que aconteça. Outra opção é um diferencial travante, que trava as duas rodas traseiras, assegurando que cada uma delas tenha acesso ao torque que vem para o eixo, mesmo se uma das rodas estiver fora do chão – isso melhora o desempenho em condições off-road.

O sistema definitivo

de tração nas quatro rodas hummer

O veículo militar AM General Hummer combina tecnologia mecânica avançada com equipamentos eletrônicos sofisticados para criar, comprovadamente, o melhor sistema de tração nas quatro rodas existente. 

O Hummer possui um sistema integral com características adicionais que podem ser utilizadas para melhorar o desempenho off-road. Nesse sistema, assim como no nosso sistema básico, o câmbio é ligado à caixa de transferência. A partir da caixa de transferência, uma árvore de transmissão se conecta ao eixo dianteiro e outra ao eixo traseiro. Entretanto, a caixa de transferência no Hummer não trava automaticamente os eixos dianteiros e traseiros. Ao contrário, ela possui um diferencial central aberto, mas pode ser travado pelo motorista. No modo livre (não travado), os eixos dianteiros e traseiros podem se mover com velocidades diferentes, para que o veículo possa se mover em estradas secas sem nenhum problema. Quando o diferencial está travado, os eixos dianteiros e traseiros têm acesso ao torque do motor. Se as rodas da frente estiverem em areia movediça, as rodas de trás receberão todo o torque possível.

o diagrama do sistema de tração nas quatro rodas do Hummer
Diagrama do sistema do Hummer - uma ótima característica do Hummer é que cubos com engrenagens são usadas em cada roda. Isso aumenta toda a linha de direção, dando ao Hummer 40,64 cm de espaço acima do chão, mais que o dobro que a maioria dos outros carros com tração nas quatro rodas

 

Tanto os diferenciais dianteiros como os traseiros são Torsen®. Esses diferenciais têm um arranjo de engrenagens único: assim que ele percebe uma diminuição do torque numa das rodas (o que acontece quando um pneu está para patinar), o conjunto de engrenagens transfere torque para a outra roda. Diferenciais Torsen® podem transferir de duas a quatro vezes o torque de uma roda para a outra. Esse é um enorme ganho sobre os diferenciais livres. Mas se uma das rodas estiver fora do chão, a outra ainda não recebe nenhum torque.

Para resolver esse problema, o Hummer é equipado com um sistema de controle de tração pelo freio. Quando um pneu começa a patinar, o controle de tração aplica o freio àquela roda. Isso faz com que aconteçam duas coisas:

  • impede que o pneu patine, permitindo que ele use o máximo de aderência disponível
  • permite que a outra roda aplique mais torque

O sistema de controle de tração pelo freio aplica uma quantidade significativa de torque na roda que está para patinar, permitindo que o diferencial Torsen® imprima um aumento de duas a quatro vezes de torque para a outra roda.Vamos fazer um teste com o Hummer.

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O sistema do Hummer em diversas combinações de terreno: para que ele ficasse preso, as quatro rodas teriam que perder a traçãoO sistema no Hummer é capaz de enviar uma grande quantidade de torque para qualquer um dos pneus com aderência, mesmo que isso signifique mandar tudo para um pneu só. Isso traz o Hummer para bem perto do que podemos considerar um sistema de tração nas quatro rodas ideal, que possa fornecer a cada pneu a quantidade máxima de torque que ele é capaz de utilizar.

Para mais informação sobre tópicos relacionados à tração nas quatro rodas, confira os links na próxima página.

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~ por Mauro Junior em fevereiro 4, 2010.

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