SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA

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1 SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA

2 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

3 Introdução Principais componentes

4 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

5 Embreagem de fricção e freios Embreagem: Disco Carga produzida por molas (discos de fricção comprimidos por molas) Acionamento mecânico Seca: veículos de baixa a moderada potência

6 Embreagem de fricção e freios Embreagem: Disco Dupla: tração e TDP Discos múltiplos Atuadores hidráulicos permitem o acoplamento Banhada à óleo

7 Embreagem de fricção e freios Capacidade de torque de uma embreagem: Em que: T c = capacidade de torque, N.m f = coeficiente de fricção F c = força de compressão produzida pelas molas das embreagem, kn r m = raio médio da embreagem, mm n s = 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

8 Embreagem de fricção e freios Raio médio de uma embreagem: Em que: D o = diâmetro externo do disco da embreagem, mm D i = diâmetro interno do disco da embreagem, mm

9 Embreagem de fricção e freios Calor produzido no deslizamento dos discos de uma embreagem: Em que: Q = calor gerado, J T s = torque médio transmitido enquanto a embreagem está patinando, N.m N s = máxima rotação relativa aos discos da embreagem, rpm t s = duração do deslizamento, s

10 Embreagem de fricção e freios Aumento de temperatura de uma embreagem: Em que: θ = temperatura da embreagem após o engate, o C θ o = temperatura da embreagem antes do engate, o C m c = massa das partes que absorvem calor, kg C p = calor específico dos elementos que absorvem calor, J/(kg. o C)

11 Embreagem de fricção e freios Taxa específica de geração de calor de uma embreagem: Em que: E r = taxa específica de geração de calor, W/mm 2 A c = área combinada de todas as superfícies de fricção, mm 2

12 Embreagem de fricção e freios Dados para projeto de embreagens: Material Coeficiente de fricção f Máxima pressão na face dos discos N/mm 2 Fluxo de óleo para resfriamento, L/s/m 2 Máxima taxa de geração de energia, W/mm 2 Máxima temperatura suportada pelo sistema, o C 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, Embreagens banhadas a óleo Papel 0,09-0,13 0,8-2, ,8-1, Moldado (Molded) 0,08-0,10 1,5-2,5 2,5-30 1,0-1, Enchimento com 0,08-0,10 1,5-2,5 2,5-12 1,0-3, fluorcarbono Metal sinterizado 0,04-0,09 1,2-3,5 2,5-12 1,0-2,0 300

13 Embreagem de fricção e freios 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

14 Transmissões e equilíbrio de Transmissão: cargas Fornece condições para movimento à frente, à ré e neutro. Transforma torque e rotação do motor para o necessário nas rodas motrizes

15 Transmissões e equilíbrio de cargas Rotação e torque das rodas motrizes: Em que: N e = rotação do motor, rpm N A = rotação das rodas motrizes, rpm T e = torque do motor, N.m T A = torque nas rodas motrizes, N.m E pt = e T.e D.e FD = eficiência do sistema de transmissão de potência, produto das eficiências da caixa de marchas (e T ), do diferencial (e D ) e da redução final (e FD ) G pt = G T.G D.G FD = relação de transmissão do sistema, produto das relações de transmissão da caixa de marchas (G T ), diferencial (G D ) e redução final (G FD )

16 Transmissões e equilíbrio de cargas

17 Tipos de transmissões Engrenagens deslizantes Engrenagens constantemente engrenadas Engrenagens acopladas com sincronizador Engrenamento com embreagens acionadas hidraulicamente (Power-Shift) Transmissão continuamente variável (CVT) Hidrocinética

18 Projeto de Engrenagens Traçado do perfil dos dentes

19 Projeto de Engrenagens Representação do ângulo de pressão

20 Projeto de Engrenagens Terminologia referente aos dentes de engrenagens

21 Projeto de Engrenagens Diâmetro de pitch e módulo de uma engrenagem Em que: D p = diâmetro de pitch (nominal) do pinhão, mm D c = distância entre centros das engrenagens, mm G = relação de transmissão (maior que um) m = módulo dos dentes da engrenagem, mm D G = diâmetro de pitch (nominal) da engrenagem, mm n = número de dentes da engrenagem

22 Projeto de Engrenagens Módulos típicos de engrenagens usadas em 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

23 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% (eficiência de 98,5%) Perda de potência em pares de engrenagens internas: 0,5% a 1,5% (eficiência de 99%)

24 Engrenagens usadas em caixas de marchas Relação de transmissão e torque em um par de engrenagens: Em que: G m = relação de transmissão do par de engrenagens; N in = rotação de entrada, rpm N out = rotação de saída, rpm n in = número de dentes da engrenagem de entrada n out = número de dentes da engrenagem de saída T in, T out = torque de entrada e de saída, N.m e m = eficiência da transmissão, decimal

25 Engrenagens usadas em caixas de marchas

26 Engrenagens usadas em caixas de Sincronizador marchas

27 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Power-Shift (high-low) de 4 posições: Redução; direta; neutro; travado

28 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Power-Shift com reversão

29 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias:

30 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) 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

31 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias Geralmente a rotação da corôa é zero: e t = potência de saída potência de entrada = T pc T s N N pc s Em que: e t = eficiência da transmissão T pc, T s = torque no carrier planetário e na engrenagem solar, N.m

32 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias Torque agindo nas engrenagens planetárias e na corôa: Em que: e sp = eficiência da transmissão entre a engrenagem solar e a planetária e pr = eficiência da transmissão entre a engrenagem planetária e a corôa

33 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias Eficiência do sistema:

34 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias Para que o sistema seja possível: n + n s r γ p = inteiro Em que: γ p = número de engrenagens planetas igualmente espaçadas

35 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) 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

36 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Conjuto de engrenagens planetárias composto

37 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) Troca de engrenamento usando eletro-hidráulica: válvula eletro-proporcional de redução de pressão

38 Transmissões com sistema de acionamento hidráulico (Power-Shift) 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 das várias embreagens/freios Eficiência global de um sistema de trasmissão com acionamento hidráulico 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%

39 Transmissões continuamente variável Transmissões continuamente variável (CVT) não apresentam 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 tipo hidrostática

40 Transmissões continuamente CVT hidrostática variável

41 Transmissões continuamente variável 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

42 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática equações que governam a transmissão de potência: Em que: N p e N m = rotação da bomba e do motor, respectivamente, rpm D p e D m = delocamento da bomba e do motor, respectivamente, cm 3 /rev T p e T m = torque na bomba e no motor, respectivamente, N.m e pv, e mv = eficiência volumétrica da bomba e do motor, respectivamente, decimal e pt, e mt = 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

43 Transmissões continuamente variável 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

44 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamento variável 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

45 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamento variável e motor de deslocamento fixo Quando D p 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

46 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática Tipo 2 - Bomba de deslocamento variável e motor de deslocamento fixo

47 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática Tipo 3 - Bomba de deslocamento fixo e motor de deslocamento variável Transmissão tipo potência constante D m deve ser aumentado para aumentar a rotação de saída Aumentando D m 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

48 Transmissões continuamente variável CVT hidrostática Tipo 3 - Bomba de deslocamento fixo e motor de deslocamento variável

49 Transmissões continuamente 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 simultâneamente aumentado para promover aumento do torque

50 Transmissões continuamente variável 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 rodas motrizes em todas as rotações Menor eficiência de transmissão tem limitado o uso desse tipo de transmissão e t = e pt.e pm.e mv.e mt Transmissões hidrostáticas tem sido usadas em aplicações em que a flexibilidade de mudança da relação de transmissão é mais importante que a perda de potência

51 Transmissões continuamente variável Características de uso das transmissões CVT

52 Transmissões hidrocinéticas Eixo de entrada aciona um propulsor que gera um fluxo de óleo dentro da unidade O fluxo de óleo aciona a turbina que está ligada ao eixo de saída

53 Transmissões hidrocinéticas

54 Transmissões hidrocinéticas Relação entre torque e rotação Em que: N in e N out = rotação de entrada e saída, respectivamente, rpm T in e T out = torque de entrada e saída, respectivamente, N.m e t = eficiência da transmissão

55 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 relação de 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.

56 Transmissões hidrocinéticas Não há necessidade de embreagem de tração, relação de transmissão é modificada automaticamente Em veículos pesados, a transmissão hidrocinética é útil quando não se necessidade de um controle rígido de rotação Se a variação de velocidade é crítica, a transmissão hidrocinética precisa ser travada.

57 Transmissões hidrocinéticas Desempenho típico de uma transmissão hidrocinética

58 Comparação entre diferentes tipos de transmissões Transmissões usando engrenagens deslizantes ou previamente engrenadas 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 necessidade de acionamento do pedal da embreagem (incluído apenas por razões de segurança). Sistema power-shift permite ganho de produtividade em relação ao sistema anterior.

59 Comparação entre diferentes tipos de transmissões Para tornar o sistema mais barato geralmente se usa o sistema power-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 carga às condições de trabalho do motor O sistema CVT é teoricamente o sistema mais flexível de troca da relação de transmissão O único tipo de CVT disponível para veículos pesados é o que usa transmissão hidrostática

60 Comparação entre diferentes tipos de transmissões A transmissão hidrocinética não tem relação de transmissão definida. Ela ajusta automaticamente a rotação de saída para mudar o torque de saída. A transmissão hidrocinética fornece controle automático em função da carga em uma curva de potência constante. Em tratores agrícolas é melhor utilizada em trabalhos pesados de preparo de solo e operações em que a velocidade de deslocamento não é crítica. Se a variação de velocidade é crítica, a transmissão hidrocinética precisa ser travada.

61 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 têm inércia significativa Molas torcionais fazem com as massas rotativas oscilem torcionalmente nas frequências naturais que são proporcionais à raiz quadrada da razão entre a constante de mola torcional e a inércia Pertubações torcionais ocorrem na transmissão devido aos harmônicos do motor, contato entre os dentes das engrenagens, e outros

62 Ressonância entre transmissões e simulação por computador 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.m 2 ω = frequência angular da flutuação de torque, rad/s

63 Ressonância entre transmissões e simulação por computador A frequência natural angular do sistema (ω n ): Quando a frequência de oscilação do torque se aproxima da frequência natural, a oscilação se torna muito grande Na realidade, existem múltiplas frequências naturais e se a frequência de trabalho se aproxima de alguma delas, pode ocorrer problemas com o conforto do operador ou danos nos componentes

64 Ressonância entre transmissões e simulação por computador Devido à complexidade dos sistemas de vibração, a simulação por computador tem sido usada para modelar e 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

65 Diferencial Permite que as rodas motrizes girem a diferentes rotações Componentes: Pinhão e corôa: engrenagens cônicas Montagem do carrier: quatro engrenagens cônicas.

66 Diferencial

67 Diferencial Relação entre rotações no diferencial: Em que: N L e N R = rotações dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, rpm G d = relação de transmissão do diferencial n bp e n r = número de dentes do pinhão e da corôa, respectivamente.

68 Diferencial Relação de potência no diferencial: Em que: T L e T R = torques dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, N.m T in = torque de entrada no diferencial, N.m N in = rotação de entrada no diferencial, rpm e d = eficiência do diferencial

69 Diferencial Relação de torque no diferencial: Em que: T L e T R = torques dos lados esquerdos e direitos, respectivamente, N.m e d = 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

70 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 iguais para cada lado, a potência de cada lado fica proporcional a rotação de cada lado.

71 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 automaticamente desligado.

72 Redução final Produz grande redução de rotação e correspondente aumento de torque. A redução final é necessária em veículos que usam rodas de grande diâmetro por causa da necessidade de maior torque de acionamento Geralmente a relação de transmissão na redução final está na faixa de 4:1 a 5:1.

73 Redução final Redução final por engrenagens planetárias:

74 Sistema de direção para veículos de esteiras

75 Sistema de transmissão de potência para TDP em tratores agrícolas Tipo 1: 540 rpm, eixo de 35 mm para tratores com até 65 kw de potência na TDP Tipo 2: 1000 rpm, eixo de 35 mm para tratores de 45 a 120 kw de potência na TDP Tipo 3: 1000 rpm, eixo de 45 mm para tratores de 110 a 190 kw de potência na TDP

76 Sistema de transmissão de potência para TDP em tratores agrícolas

77 Sistema de transmissão de potência para TDP em tratores agrícolas Tipos de eixo da TDP

78 Sistema de transmissão de potência para TDP em tratores agrícolas Três tipos de TDP quanto ao acionamento: TDP acionada pela transmissão TDP continua TDP independente

79 Perguntas???