O diferencial em um carro funciona para realizar as três tarefas a seguir:
- O diferencial transfere a potência do motor para as rodas do carro.
- Dá o último passo na redução do número de rotações das rodas (lembramos que a caixa de câmbio dá o primeiro passo) e, portanto, aumenta o torque transmitido às mesmas rodas motrizes.
- Ao transferir potência para as rodas motrizes (sempre um número par de rodas no mesmo eixo: duas ou todas as quatro), o diferencial permite que cada uma delas gire em velocidades diferentes (daí exatamente o nome do diferencial).
Neste artigo, você aprenderá por que seu carro precisa de diferentes velocidades de roda, como é fornecido, o que é um diferencial, como funciona um diferencial e quais são suas principais desvantagens. Também veremos vários de seus tipos.
Para que serve um diferencial?
As rodas do carro giram em velocidades diferentes, especialmente ao virar. Você pode ver na animação abaixo que cada roda percorre uma distância muito diferente quando o carro faz uma curva e que as rodas internas percorrem uma distância muito menor do que as rodas externas. Como a velocidade é igual à distância dividida pelo tempo necessário para percorrer essa distância, verifica-se que as rodas que percorrem a distância mais curta giram a uma velocidade menor: assim, ao virar à esquerda, as rodas da esquerda giram mais lentamente do que as certos, e vice-versa. Também deve ser notado que as rodas dianteiras percorrem uma distância diferente das rodas traseiras.
Clique para ver a animação
Para carros com tração em apenas um eixo das rodas - seja nas rodas traseiras ou nas dianteiras - a diferença de rotação das rodas dianteiras para traseiras não é um problema. Não há conexão entre eles, então eles giram de forma independente. Mas as rodas motrizes estão interconectadas de modo que um motor e uma transmissão devem acionar ambas as rodas, embora em diferentes velocidades de rotação. Mas e se tivermos apenas um motor?! Se o seu veículo não estiver equipado com diferencial, as rodas devem ser travadas entre si, sendo forçadas a girar na mesma velocidade. Isso dificultaria as manobras nas curvas - mesmo em pequenos ângulos -: nesses carros, para poder virar, um dos pneus teria necessariamente que deslizar, ou o outro teria que patinar. E com pneus modernos e estradas de asfalto, isso exigirá muito esforço. Essa força terá que ser transmitida através do eixo de uma roda para a outra, colocando assim uma carga muito pesada nos componentes do eixo.
É com esse problema que o diferencial lida perfeitamente.
O que é um diferencial?
Diferencialé um dispositivo que divide o torque do motor em dois caminhos com saídas, permitindo que cada saída gire em uma velocidade diferente.
O diferencial está disponível em todos os carros e caminhões modernos, bem como em muitos veículos com tração nas quatro rodas. Além disso, todos os carros com tração nas quatro rodas devem ter um diferencial entre cada conjunto de rodas motrizes no mesmo eixo e, além disso, precisam de um diferencial entre os pares de rodas dianteiras e traseiras (lembre-se do início do artigo - porque a frente rodas percorrem uma distância diferente, ao contrário das rodas traseiras quando o veículo está se movendo em uma direção diferente de uma linha reta?).
No entanto, alguns veículos 4WD não têm um diferencial entre as rodas dianteiras e traseiras e, em vez disso, esses pares de rodas são fortemente acoplados, de modo que as rodas dianteiras e traseiras devem girar na mesma velocidade. É por isso que os fabricantes não recomendam dirigir em superfícies duras no modo de tração nas quatro rodas nesses carros, mas ligá-lo apenas fora da estrada.
Agora vamos descobrir onde o diferencial geralmente está localizado no carro, dependendo do tipo de direção do carro:
Como funciona um diferencial?
Começaremos com o tipo mais simples de diferencial, chamado diferencial aberto. Mas primeiro precisamos aprender alguns termos - veja a figura abaixo, você encontrará os principais componentes da operação diferencial lá:
Assim, o diferencial consiste nas seguintes partes principais:
- Eixo de acionamento - transmite o torque, conduzindo-o da caixa de câmbio até o início do diferencial
- A engrenagem do eixo de acionamento é uma pequena engrenagem helicoidal em forma de cone que é usada para acoplar com o mecanismo diferencial
- A coroa é a engrenagem acionada, também em forma de cone, que é acionada (girada) pela engrenagem motriz. As engrenagens motriz e movida, juntas, são chamadas passeio final e são eles que servem como a última etapa da redução da velocidade de rotação, que acabará por atingir as rodas (a coroa é sempre menor que a engrenagem motora, o que significa que a engrenagem motora terá que fazer muito mais rotações enquanto a engrenagem movida faz apenas uma revolução em torno de si mesma).
- As engrenagens do eixo são as últimas engrenagens no caminho para transferir a rotação do eixo de transmissão para as rodas.
- Os satélites são um mecanismo planetário, que apenas desempenha um papel fundamental em garantir a diferença na rotação das rodas ao girar.
- Semi-eixos - eixos que vão do diferencial diretamente para as rodas.
E agora vamos passar para o entendimento chave e mais importante de como o diferencial funciona, e veja as animações abaixo, como os componentes acima de um diferencial aberto funcionam em dois casos:
- Quando o carro está dirigindo em linha reta.
- Quando o carro está virando.
Veja por si mesmo - tudo é bem simples:
Clique no botão "Turn" para ver como funciona o diferencial durante uma curva e "Going straight" para ver como seus componentes se movem durante uma linha reta
Como podemos ver, quando dirigimos em linha reta em nosso carro, de fato, todo o mecanismo diferencial gira na mesma velocidade: a velocidade de rotação do eixo de entrada é igual à velocidade de rotação dos semi-eixos e, consequentemente, à velocidade de rotação das rodas. Mas assim que giramos um pouco o volante, a situação muda, e os satélites agora assumem seu papel principal, que são desbloqueados devido à diferença de carga nas rodas (quando uma roda tenta girar, girando mais rápido) , e toda a potência do motor agora passa por eles. E pelo fato de dois satélites serem duas engrenagens independentes, verifica-se que eles transmitem diferentes velocidades de rotação aos semi-eixos, como se os bifurcassem, mas não dividindo toda a potência igualmente, mas transferindo a maior potência para a roda que se move ao longo da borda externa no tempo de giro do carro e, consequentemente, girando-o mais (aumentando seu número de rotações). E a diferença na potência transmitida é tanto mais forte quanto mais íngreme o carro gira (mais precisamente, quanto menor o raio de giro desse carro).
Qual é a principal desvantagem do diferencial?
Um diferencial aberto transfere a rotação para uma ou outra roda em quase qualquer proporção, incluindo a proporção de 100% / 0% - quando uma das rodas motrizes assume todo o torque. Ao mesmo tempo, a distribuição dessa rotação entre as rodas ocorre quando a carga nessas rodas (e junto com elas no semi-eixo) muda - ou seja, uma roda com carga menor em uma curva recebe mais rotação. Mas aqui reside uma desvantagem significativa, que ocorre em certas condições, ou seja, quando ambas as rodas motrizes estão na lama, neve ou gelo, e o carro começa a derrapar - neste caso, a roda com menos aderência receberá a maior parte do rotação. Simplificando, se você, por exemplo, estiver preso na neve, sentado "de bruços" - quando uma roda estiver engatada na superfície da neve e a segunda ficar suspensa no ar, apenas essa roda receberá energia devido à distribuição adequada ao longo dos semi-eixos do diferencial, que está em peso, e é ele que vai girar impotente no ar. Esse problema é especialmente agudo para SUVs e veículos todo-o-terreno.
Que tipos de diferenciais existem?
A solução para esses problemas é diferencial de deslizamento limitado(LSD, também chamado diferencial de deslizamento limitado). Os diferenciais de deslizamento limitado usam mecanismos diferentes para garantir a ação diferencial adequada em diferentes condições de pilotagem. Quando a roda patina, esse diferencial permite que mais torque seja transferido para a roda antiderrapante.
Em SUVs e veículos todo-o-terreno, também são utilizados diferenciais com desengate manual, que, no entanto, muitas vezes não são protegidos contra desligamentos acidentais ou na hora errada por desconhecimento - o fato é que a possibilidade de desengatar o diferencial no go implica a sua possível avaria, e este problema comum.
O que é um acoplamento viscoso (acoplamento viscoso)?
O acoplamento viscoso é encontrado com mais frequência em todos os veículos com tração nas quatro rodas. E, se você leu um artigo sobre o princípio de funcionamento de um conversor de torque, deve saber que um acoplamento viscoso tem um esquema de operação semelhante. É muito utilizado para conectar as rodas traseiras às rodas dianteiras de forma que, quando um jogo de rodas começar a patinar, o torque será transferido para o outro jogo, resolvendo assim o problema da roda patinadora descrito acima.
Uma embreagem viscosa tem dois conjuntos de placas dentro de um alojamento vedado que é preenchido com um fluido viscoso (um pouco mais viscoso que o óleo de engrenagem, por exemplo). Um conjunto de placas é conectado a cada eixo de saída. Em condições normais, ambos os conjuntos de placas e sua porção do fluido viscoso movem-se na mesma velocidade. Mas quando um eixo tenta girar mais rápido, talvez porque esteja escorregando, as muitas placas correspondentes às rodas desse eixo giram mais rápido que as outras. O fluido viscoso entre as placas tenta alcançar os discos mais rápidos, levando assim os discos lentos ao mesmo. Isso transfere mais torque para as rodas giratórias mais lentas, que simplesmente não estão escorregando.
Dispositivo de acoplamento viscoso
Quando o carro vira, a diferença de velocidade entre as rodas do mesmo eixo não é tão grande quanto quando uma das rodas simplesmente patina. Quanto mais rápido as placas giram uma em relação à outra, mais torque é aplicado à embreagem. A embreagem não impede que as bobinas girem porque a quantidade de torque transmitida durante a volta é pequena.
Um simples experimento com ovos ajudará a explicar o comportamento do acoplamento viscoso. Se você colocar um ovo na mesa da cozinha, a casca, a clara e a gema não se moverão. Mas quando você começa a girar o ovo, a casca se moverá em uma velocidade maior do que a clara, e a clara é um pouco mais rápida, comendo a gema, mas a gema se recuperará rapidamente. A propósito, para verificar essas palavras, faça um experimento assim que tiver um ovo: gire-o rápido o suficiente e pare-o, solte o ovo e ele começará a girar novamente (bem, ou pelo menos contrair no sentido da rotação anterior) . Neste experimento, utilizamos o atrito entre a casca, a clara e a gema, aplicando força apenas na casca. Primeiro, na verdade, desenroscamos a casca e, com algum atraso atrás da casca, devido ao atrito, a proteína começou a se desenrolar e depois a gema. E quando paramos a casca, esse mesmo atrito - entre a gema ainda em movimento, a clara e a casca - aplicou força na casca, fazendo com que ela acelerasse. Assim, no caso de um acoplamento viscoso, a força é transferida entre o líquido e os conjuntos de pratos da mesma forma que entre a gema, a proteína e a casca.
O que é um diferencial Torsen?
O diferencial Torsen é um dispositivo puramente mecânico: não está vinculado a nenhum, assim como embreagens ou fluidos viscosos, e em seu núcleo é um mecanismo bastante simples, muito semelhante a um diferencial aberto.
Torsen funciona da mesma forma que um diferencial aberto quando a quantidade de torque entre as duas rodas motrizes é igual. Mas assim que uma das rodas começa a perder tração, a diferença de torque faz com que as engrenagens do diferencial Torsen travem juntas.
Esse diferencial é frequentemente usado em veículos com tração nas quatro rodas potentes e muito potentes. Como um acoplamento viscoso, é frequentemente usado para transferir potência entre as rodas dianteiras e traseiras. E nesta aplicação, o diferencial Torsen supera o desempenho viscoso porque fornece torque às rodas de maneira estável antes que o deslizamento realmente comece. No entanto, se um conjunto de rodas perder completamente a tração, o diferencial Torsen não será capaz de transferir torque para o outro conjunto de rodas devido ao seu design e ao funcionamento desse diferencial.
É assim que um diferencial Torsen moderno se parece
A propósito, quase todos os carros Hummer usam um diferencial Torsen entre os eixos dianteiro e traseiro. Dito isto, o manual do usuário do Hummer oferece uma nova solução para o problema de uma roda perder completamente a tração: pressione o pedal do freio. Ao acionar o freio, o torque é aplicado nas rodas que estão no ar, e depois transferido para as rodas, que podem tirar o carro do “mingau”.