A caixa CVT ou continuamente variável desempenha um papel fundamental na indústria. Desde a sua introdução, consolidou-se como uma das tecnologias líderes para a automatização da caixa de velocidades. Presente em milhões de veículos a nível mundial, estima-se que em 2025 este tipo de caixas de velocidades automáticas encontrem-se em 30% dos veículos de passageiros a nível global. Só em 2007, o fabricante Nissan fabricou mais de 1 milhão de veículos equipados com caixa CVT a nível mundial.
De facto, as suas características e comportamento fizeram com que os principais fabricantes apostassem nesta tecnologia para a caixa de velocidades de mecânicas híbridas desde 2016, sendo que as siglas CVT parecem associadas ao futuro próximo do automóvel durante bastante tempo.
Neste post do REPXPERT, o Blog da Oficina Mecânica, vamos analisar a origem, as bases e a estrutura da caixa CVT, com especial atenção para a corrente, componente fundamental nesta caixa de velocidades que já se encontra disponível para o mercado de peças de substituição. Se pretender saber mais sobre esta solução de manutenção para a oficina, neste post contamos-lhe tudo sobre a gama LuK RepSet CVT, o especialista em transmissões da Schaeffler.
Esta solução de manutenção inclui a corrente CVT e as guias, ambos componentes sujeitos a desgaste que é necessário substituir. Atualmente, há aplicações para os modelos do grupo VAG (Audi, Volkswagen, SEAT e Skoda) equipados com caixa de velocidades automática Multitronic®. Além disso, em breve estarão disponíveis aplicações para outras marcas que apostam nesta tecnologia, como a Nissan ou Subaru.
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Origem
As tecnologias de transmissão desempenham um papel muito importante no automóvel. Desde a caixa de velocidades manual tradicional às modernas transmissões automatizadas de dupla embraiagem, fatores importantes como o consumo, o conforto de circulação ou o peso do veículo são determinantes. Para entender a origem desta caixa de velocidades com tecnologia CVT (ou de transmissão variável contínua) é preciso ter em consideração uma condição comum de todos os conceitos tradicionais da transmissão: a interrupção de potência. Tanto as caixas manuais como as automáticas apresentam “saltos” entre mudanças que impedem que o motor funcione de forma constante, isto é, num âmbito de funcionamento ótimo. Mas, e se fosse possível criar uma caixa de velocidades que permitisse um fornecimento constante de potência?
Para conseguir isso seria necessário variar sem interrupções entre as transmissões máximas (de arranque e baixa velocidade) e as mínimas (de alta velocidade). Ao eliminar esses “saltos” entre mudanças, também se ganharia consideravelmente em conforto e em potência de condução, reduzindo ao mesmo tempo o consumo. Por outras palavras, uma caixa de velocidades com estas características implicaria uma melhoria evidente.
A primeira caixa de velocidades com esta tecnologia remonta a 1958. O económico DAF 600 foi o primeiro a ter uma transmissão variável contínua; no entanto, o seu comportamento particular e os consumos elevados impediram que este novo conceito se tornasse popular. Foi preciso esperar vários anos até que a LuK, o especialista em transmissões da Schaeffler, começou a trabalhar em 1993 no desenvolvimento de uma caixa de velocidades contínua por correia metálica. O objetivo inicial deste desenvolvimento era um sistema que suportasse um binário de motor transferível de 300 Nm. Desde então, esta tecnologia foi evoluindo até se tornar num elemento fundamental. Como demonstração disso, basta relembrar que a Schaeffler fabricou mais de 10 milhões de correntes CVT desde a sua introdução.
Princípio de funcionamento da caixa CVT
Para explicar o princípio de funcionamento da caixa CVT, devemos centrar-nos no elemento central: A corrente. Desenvolvida pela LuK, a corrente CVT percorre entre dois pares de polias cónicas, cada uma das quais está composta por uma polia fixa e uma móvel. A polia móvel está colocada axialmente sobre o veio de forma a poder mover-se e deslocar-se axialmente por impulso hidráulico.
Esta deslocação axial da polia móvel implica uma mudança no raio de deslocamento da corrente graças à forma cónica das polias, obtendo assim a correspondente mudança na transmissão sem interrupções. Desta forma, esta tecnologia de caixa de velocidades não fica restrita por um número fixo de rotações, mas permite ajustar a rotação a qualquer valor sugerido pelas necessidades da velocidade dentro dos seus limites de utilização.
A transferência do binário de rotação é realizada da mesma forma para a embraiagem de fricção. Para que o sistema funcione, é essencial que as forças de compressão exercidas sobre as polias cónicas sejam suficientemente grandes, não só para transferir o binário do motor com segurança, mas também para poder transferir as variações no binário que ocorram no lado das rodas sem que ocorra um deslizamento no elemento de ligação. Tanto a compressão como o ajuste dos conjuntos de polias são realizados hidraulicamente.
Estrutura
Além de permitir o ajuste pretendido da transmissão, a caixa de velocidades deve garantir uma série de funções adicionais, entre as quais se encontram, por exemplo, a função de arranque ou a de uma marcha-atrás. Na ilustração anterior podemos ver a estrutura da transmissão CVT Audi denominada Multitronic®, presente no mercado desde 1999, em diferentes variantes.
Também é possível observar a engrenagem planetária de inversão com a embraiagem de avanço e de recuo. Isto é, trata-se de um conjunto planetário duplo, no qual se gera a mesma transmissão de avanço da do recuo. Estas funções, em conjunto com a compressão e o ajuste, também são realizadas através da seleção das embraiagens correspondentes por meios hidráulicos. Por sua vez, este sistema hidráulico recebe ordens de um controlo eletrónico.
Funcionamento da caixa CVT
A caixa Multitronic® utiliza uma embraiagem de múltiplos discos em sistema húmido como elemento de arranque embora também seja possível montar em conversores de binário hidrodinâmicos ou embraiagens hidráulicas. O binário de rotação é transferido para o conjunto primário de polias através de um pinhão dentado. Este pinhão permite ajustar a transmissão total para os diferentes motores. Na imagem anterior, podemos ver detalhes dos conjuntos de polias.
No conjunto primário de polias, é possível observar o sensor de binário de duas fases, que garante que o sistema mantenha a compressão suficiente em todos os estados de funcionamento. Os conjuntos de polias estão desenhados em conformidade com o denominado princípio de duplo pistão, isto é, cilindros independentes para a função de compressão e ajuste. Entre ambos os conjuntos de polias encontra-se a corrente CVT LuK.
O conjunto secundário de polias está diretamente montado sobre o veio do pinhão que, por sua vez, aciona a coroa dentada. O binário de rotação é transferido desde aí para as flanges que se encontram sobre os veios de acionamento do veículo através do diferencial. Na seguinte figura está ilustrado o sistema hidráulico (incluindo a bomba) com o controlo eletrónico incorporado. É possível perceber claramente o acionamento da bomba, que se pode tratar de uma bomba de engrenagens internas ou de uma bomba de palhetas.
Qualidades da corrente CVT LuK
Tal como mostrámos anteriormente, este conceito de caixa de velocidades tornou-se popular entre os automóveis de diferentes segmentos, e espera-se que a sua presença no mercado continue a crescer. Perante esta perspetiva e desde o momento do seu lançamento, a Schaeffler continuou a desenvolver a corrente CVT, elemento transmissor deste tipo de mudanças. Os aspetos de melhoria em que se trabalhou são dois: Em primeiro lugar, tentou-se otimizar o comportamento acústico da corrente, para conseguir um funcionamento mais silencioso em todos os níveis de utilização. Por outro lado, tentou-se aumentar a estabilidade da correia sob potências elevadas, embora o limite inicial de 300 Nm não tenha implicado um grande impedimento para a sua implementação nas mecânicas atuais da geração do downsizing.
Na imagem inferior podemos ver de forma detalhada o desenho pormenorizado da corrente para aplicações de um binário de rotação de até 300 Nm. Está constituída por diferentes falanges que formam a corrente, pelas peças de pressão balanço e pelos elementos de segurança.
A corrente CVT deve ter um desenho otimizado para apresentar a mínima fricção, contribuindo para a melhoria da dinâmica de condução e redução do consumo. Também deve ser capaz de transmitir binários de rotação elevados, sem que ocorram perdas de fricção.
Outra qualidade que a corrente CVT deve oferecer é a sua proteção contra o desalinhamento. Isto é possível graças ao desenho das superfícies frontais das peças de balanço e à sua estrutura. Por fim, deve evitar as deformações dos conjuntos de polias devido a cargas, erros de ângulo e distorções relativas entre as polias cónicas fixas e as móveis.
