Texto #04 – Potência, Torque, Rpm e Reduções em linhas motrizes

 

Introdução:

O nosso texto é simples e será dividido em títulos a fim de que o leitor se interesse pelo assunto e posteriormente, caso queira, se aprofunde consultando textos mais elaborados.

O que é linha motriz?

Linha motriz, ou driveline, é um conjunto de componentes destinados a transformar a energia térmica em energia mecânica e posteriormente transmiti-la às rodas. Embora varie de autor para autor, boa parte a divide em 2 grupos: propulsor e sistema de transmissão. O propulsor é a fonte de conversão de energia (no caso de térmica para mecânica) e a quantidade desta (energia) por segundo para esta conversão é chamada de potência efetiva.

Essa energia precisa ser transmitida, mas no movimento rotativo há a necessidade de torque. Contudo, conforme veremos, o motor dos ônibus, muita das vezes, não oferece o torque necessário para que sua potência possa ser utilizada, sendo então necessário a multiplicação deste momento de força.

Potência efetiva líquida:

Embora seja chamada simplificadamente de potência, a potência efetiva líquida é a quantidade de energia por segundo utilizada para transformar a energia térmica em mecânica a fim de movimentar as rodas. No caso do motor à diesel, a potência é a energia originária da expansão dos gases capaz de empurrar o pistão para baixo e fazer o com que o virabrequim dê uma volta completa no mesmo ponto do final da biela, antes dele ser empurrado. Para facilitar o entendimento das pessoas, a potência é medida em cavalo vapor, que equivale a 73kgfm/s.

Como o motor à pistão tem a potência medida a cada volta completa, é necessário o correspondente angular para esta quantidade de energia, pois quanto mais rápido este propulsor gira, maior a potência e isto ocorrerá até o limite máximo de rotações: após esse limite o motor ficará comprometido além de dispensar pouquíssima potência. A velocidade angular é medida em rotações por minuto (Rpm)

É por isso que o correto é dizer que o motor fornece uma potência máxima de 200cv/2000rpm e não simplesmente 200cv de potência. Nota-se que nesse caso perceberemos que quando todos os pistões fazem o volante dar 2000 voltas por minuto, o motor dispensa 14600kgfm/s de potência.

 

Torque

Torque é o momento de força necessário para a tração, ou seja transmitir a energia mecânica para as rodas. Para ‘visuarlizarmos’ o torque na driveline, devemos nos lembrar dos momentos em que pedalamos uma bicicleta sem marcha: no início achamos o pedal um pouco ‘pesado’, mas na medida em que a bicicleta se movimenta o pedal fica ‘leve’ e ás vezes temos a impressão que nem conseguimos pedalar.

Este torque medido em Nm ou Kgfm por número de revoluções do motor. Exemplos: torque de 800Nm/1600-1800rpm

No motor com combustão interna o torque ocorre no encontro da biela com o virabrequim sendo que ele também precisa do correspondente de velocidade angular (consulte o conceito de torque em livros de física). Infelizmente a dispensa de torque é irregular e, pra piorar, a sua quantidade não acompanha proporcionalmente a potência (veja o gráfico abaixo).

 Para resolver esse problema é necessário a sua multiplicação e esta é feita através de reduções.

 

Reduções:

Reduções são mecanismos utilizados em movimentos rotativos para a multiplicação ou fracionamento de torque em um determinado sistema de transmissão. Na redução temos o torque de entrada e o torque de saída que são separados por determinados mecanismos de transmissão que permitem que uma ‘das partes’ gire mais rápido que a outra (no caso dos ônibus usa-se mais as engrenagens circulares.

Para medir a redução utilizamos as relações, que são números separados por um símbolo de divisão, onde o primeiro número é o de voltas do eixo de entrada, e o segundo número é de voltas do eixo de saída após as engrenagens de redução.

Exemplo de medida de redução: 5:1. Nesse caso significa que o eixo de entrada te quem dar 5 voltas para que o eixo de saída dê 1 volta.

No exemplo acima o torque foi multiplicado 5 vezes. Entretanto a maneira mais interessante de percebermos esta multiplicação é nas bicicletas com marcha: no caso da marcha mais leve, a redução é de aproximadamente 2:1 e por isso ‘pedalamos no ar’ nas retas, mas vencemos as ‘subidas’ com facilidade.

Logo podemos concluir que quando o eixo de entrada precisa dar mais de uma volta para que o eixo de saída dê apenas uma volta, há a multiplicação de torque. Quando o eixo de entrada precisa dar menos de uma volta para que o eixo de saída dê apenas uma, há então a fracionamento de torque. Nesse último caso chamamos essa relação de overdrive, ou sobremarcha. Exemplos de Overdrive: 0,8:1 e 0,99:1

Além dos conceitos acima, existe as comparações entre duas relações que são chamadas de longas e curtas. Quando uma relação indicar que a multiplicação de torque de uma relação é maior do que a outra, então dizemos que esta é mais curta. Quando indicar o contrário, dizemos que esta é mais longa.

Exemplos: a relação 4:1 é MAIS CURTA que a relação 3:1; a 3:1 é MAIS LONGA que 4:1; a 1:1 é mais curta que a 0,51:1.

Câmbio e Eixo de Tração

Infelizmente na mecânica não há mágicas e no início do século XIX os engenheiros/ inventores se depararam com um grande problema apresentado pelos motores com combustão interna: o torque insuficiente e desproporcional ao aumento de potência de acordo com as rotações por minuto desse propulsor.

Para resolver o problema eles então  multiplicaram o torque através da redução no eixo de transmissão, que é chamada de redução fixa. Mas como o motor não possui torque constante  o problema ainda persistia.

Contudo eles se depararam com uma grande benção das leis da física que é o fato do veículo não precisar usar a todo instante o torque máximo e a potência plena dispensada pelo motor. Eles perceberam que inicialmente era necessária uma grande quantidade de força de tração para que o veículo começasse a se movimentar, mas que na medida em que ele ganhasse certa velocidade, apenas a redução do eixo de transmissão seria necessária.

Assim foi necessária a redução cambiável, que é possível através da caixa de marcha. Toda driveline de um ônibus precisa ter no mínimo duas relações disponíveis para que a potência do motor possa ser utilizada. Caso não existisse a caixa de marcha teríamos dois problemas.

O primeiro é que a redução no eixo de tração seria enorme como, por exemplo, 20:1. Ela poderia ser excelente para o ônibus ‘arrancar’ mas quando ele adquirisse uma pequena velocidade esta multiplicação de torque seria desnecessária, o motor não transmitiria a potência para as rodas e ficaria ‘esgoelando’ (o motor com giro alto enquanto o ônibus não ganha velocidade).

O segundo é que se a redução no eixo de transmissão fosse de apenas 5:1 talvez o motor não poderia dispensar a sua potência para colocar o ônibus em movimento por falta de torque suficiente. Mas suponhamos que déssemos ‘um leve’ (srsrs) para ônibus arrancar: nesse caso ele até sairia do lugar e quando adquirisse velocidade o motor até teria torque ideal para mantê-la ou aumentá-la. Entretanto em qualquer subidinha o motor não teria torque suficiente e começaria a perder rotação (igual ao ciclista com falta de torque para dispensar potência para subir um morro).

Assim poderíamos concluir (de forma teórica-didática) que o correto é termos:

1 redução de 5:1 do eixo de transmissão e 2 relações cambiáveis da caixa de marcha: uma de 4:1 e outra de 1:1. Quando o motorista precisar arrancar o ônibus ele seleciona a primeira marcha: 4:1 (da 1ª marcha) x 5:1 (eixo de tração) = 20:1.

Quando o ônibus ‘embalar’ este precisará de pouco torque e então o motorista selecionará a segunda marcha: 1:1 (2ª marcha) x 5:1 = 5:1

Contudo HOJE temos novas tecnologias que permitem 6 relações cambiáveis, ou mais, em caixas manuais e automáticas à disposição do motorista, de modo que ele pode escolher a mais ideal a fim de que o motor possa dispensar a sua potência para transmitir movimento às rodas.




Torque X Potencia ?!

Ao contrário do que é erroneamente divulgado, a potencia não é mais importante que o torque. Pelo contrário: ambos estão no mesmo patamar de importância de acordo com as respectivas rotações do motor para dispensá-los.

Se somente a potência fosse importante, os ônibus para 13 toneladas poderiam usar o motor Energy DCI 160 da Renault com apenas 1,6 litros que dispensa 160cv (srsr). Contudo, embora ele seja fantástico para carros médios, essa potência máxima é atingida à 4000rpm enquanto o torque de 380Nm é a 1750rpm. Não é preciso ser engenheiro para percebermos que a caixa de velocidades deveria ser parruda e pesada já que teríamos uma relação bem curta de 19:1 e as outras seriam proporcionais. Outro problema é que o regime de trabalho tão alto não seria indicado para um veículo tão grande, pois sobrecarregaria as peças do motor pelo estresse de torque tão elevado.

A solução é um motor com uma litragem maior, pois esta permite a dispensa de torque e potencia máximos em rotações mais baixas já que a biela e o virabrequim poderão ser redimensionados. Consequentemente o motor será maior e mais pesado e demandará maior consumo de combustível, mas será o ideal para o serviço a ser prestado pelo veículo.

Outro erro clássico é dizer que o ‘torque é importante para arrancada e a potência é para o ganho de velocidade’. Este é um erro que um bozó JAMAIS deve cometer (srsr). Na verdade a potencia e torque do motor dispensados na faixa de rotações de segurança, são os mesmos. O que ocorre é que para a arrancada haverá a necessidade de ‘muito torque’ e à medida que o veículo ‘embala’ esta necessidade diminui. Por isso o motorista começa utilizando a primeira marcha que é a mais curta e vai trocando até, quando possível, chegar a última marcha que é a mais longa. Em TODAS AS TROCAS o motor trabalhará no mais variado regime de rotação, e o torque máximo e a potência máxima poderão ser exigidos: as reduções cambiáveis é que se ajustarão a necessidade de quantidade torque exigido pelo veículo durante o seu percurso.

Para finalizarmos o nosso texto deixamos uma dica preciosa: não ‘vão na onda’ dos valores máximos e sim observem o gráfico que a fabricante disponibiliza. É somente através dele que veremos o desempenho do motor. Outra dica é que o desempenho do chassi/ plataforma depende primariamente da sua linha motriz e não do motor somente.