Casos por paul van valkenburgh – fotos como creditadas
Por vezes a questão mais simples e inócua requer uma explicação complexa e exigente. Ou não. Por exemplo, digamos que uma criança de 7 anos pergunta: “Pai, de onde eu vim?” E depois de resistir a uma longa e tensa explicação sobre os pássaros e as abelhas, a criança responde: “Não, eu quero dizer que país!” Recentemente, a pergunta de um corredor sobre a selecção das relações de transmissão levou a esta análise das considerações de engenharia. A resposta realmente varia muito, dependendo das necessidades e dos recursos específicos de cada indivíduo, desde o piloto amador casual autocrosser até aos pilotos profissionais de estrada – ou desde os sedans com poucas opções de mudanças de marcha até aos pilotos V8 com transmissões de mudança rápida.
Se você corre muito o mesmo percurso, e o seu carro é exactamente como o comprou, provavelmente já descobriu que as mudanças de marcha não correspondem muito bem às saídas de curva ou às rectas. Talvez a segunda mudança seja muito baixa e você tenha que mudar imediatamente para a terceira, ou talvez essa mudança seja muito alta e você não tenha torque suficiente. Ou talvez mesmo no final da recta tenha de fazer uma sobre-reversão do motor ou uma subida de velocidade por apenas um instante antes da travagem.
Tem três opções para melhorar a situação, embora os seus caminhos possam ser limitados pelo orçamento, pelo equipamento disponível ou pelas regras ditadas pela carroçaria sancionadora. Você pode mudar o diâmetro do pneu, mas isso geralmente tem um efeito menor na relação de transmissão e um efeito maior no manuseio e na altura do passeio. A segunda opção é equipar o seu carro com uma transmissão de mudança rápida com muitas relações disponíveis em cada mudança.
Como bónus, isto pode tornar possível o seu sucesso com apenas uma relação diferencial para a maioria das pistas. Finalmente, se houver poucas ou nenhumas opções para a transmissão, então esperamos que pelo menos a transmissão final possa ser mudada para se adequar a diferentes pistas. No entanto, isso irá alterar a relação em cada mudança pelo mesmo múltiplo, o que provavelmente irá perturbá-lo em outro canto. Como dissemos, a realidade da situação pode limitar qual destas escolhas você pode fazer. Muitos de nós podem estar limitados a apenas uma mudança da engrenagem final de transmissão ou talvez a escolha entre algumas engrenagens de transmissão diferentes. Ainda assim, há sempre esperança.
Economia vs. potência
A relação diferencial de produção ideal – estas engrenagens encontradas nas rodas motrizes do carro – pois a rua é a mais alta possível para a economia de combustível, com um número crescente de relações de transmissão para obter uma boa aceleração a partir de uma paragem sem carga. É por isso que algumas caixas manuais podem agora vir com até seis velocidades, sendo que possivelmente a relação superior é um overdrive. Mas quer seja um principiante ou profissional, a solução ideal para a concorrência será sempre a mesma:
Primeiro, identifique as relações que criam a área máxima sob a curva de binário do seu motor entre a rpm mínima e máxima em cada segmento de aceleração ou recta; e segundo, reduza a carga de trabalho de mudança de velocidades do condutor. A engrenagem é normalmente sobre a última etapa do ajuste do carro de corrida, uma vez que depende de todas as velocidades de saída das curvas e das velocidades máximas em linha recta, que dependem do desenvolvimento final da potência das curvas, travagem e aerodinâmica. A engrenagem não só tem pouca influência sobre esses factores, como é uma coisa relativamente fácil de ajustar no último minuto em carros de corrida que têm relações de mudança rápida.
É possível resolver a questão da engrenagem óptima para cada pista de corrida por adivinhação e teste – a não ser que a pista seja nova ou não possa ser pré-corrida, como no autocrossing, que iremos considerar numa barra lateral separada. Mas com muitas relações disponíveis em algumas das transmissões de corrida que podem ser montadas no grande motor dianteiro, carros com tração traseira, o número de escolhas e o custo do tempo de pista fazem com que seja importante usar algum método racional. Vamos primeiro olhar para a abordagem profissional, e depois reduzi-la a um nível prático.
Aprofessional Approach
Figure 1
A informação de partida ideal seria um registo das velocidades em torno de cada pista específica para um veículo semelhante. A partir destas, podem ser encontradas todas as velocidades mínimas de curva e as velocidades máximas em linha recta. Esta é uma das justificações mais valiosas para os sistemas electrónicos de aquisição de dados – mesmo os mais simples com apenas alguns canais.
Outra, o condutor deve observar todos estes pontos de rpm em linha recta, possivelmente por gravador de voz ou de vídeo. As faixas mínima e máxima de aceleração para cada reta podem então ser plotadas como um gráfico de barras, como mostrado na parte inferior da Figura 1. Assumindo que não haverá nenhum arranque em pé, estas barras permitem calcular o intervalo total de rpm do motor que tem de ser considerado. Às vezes pode haver apenas duas opções, com as escolhas limitadas a uma transmissão de relação próxima ou ampla.
A diferença básica nas aplicações é entre corrida de arrasto, com seus arranques em pé, e corrida de estrada, onde as velocidades mínimas estão possivelmente em torno de 40 mph. Para bons lançamentos de arrasto, muitas vezes você quer a menor relação possível de primeira marcha e passos cuidadosamente espaçados a partir daí. Mas para corridas de estrada, se não houver partidas em pé ou pit stops, você pode estar menos preocupado com uma primeira velocidade baixa e, em vez disso, torná-la mais alta e possivelmente utilizável no percurso. Por isso, você quer que as relações passem da curva mais lenta para a velocidade máxima em linha reta. Em ambos os casos, a fábrica provavelmente já terá feito essas relações de transmissão, com base no seu conhecimento da curva de binário do motor. Entretanto, quando as relações devem ser selecionadas para se ajustar ao torque de um motor modificado, ou para atender aos requisitos de uma determinada velocidade de curva de uma pista de corrida, então ajuda ter uma seleção mais ampla.
Por exemplo, a familiar transmissão de quatro velocidades T10 da BorgWarner foi comprada pela Richmond Gear e está disponível através de (http://www.texracing.com/). Ela tem oito combinações possíveis de relação de transmissão. (http://www.richmondgear.com/) também comprou os direitos das antigas transmissões de cinco e seis marchas Doug Nash, que têm pelo menos oito possibilidades de relação em cada marcha para um número quase ilimitado de combinações.
No entanto, elas são muito mais caras e, portanto, custam proibitivas para todos, exceto para os pilotos profissionais. Neste ponto, o piloto sério pode pegar sua curva de torque dyno e usar um computador para convertê-la em empurrar nas rodas traseiras em cada relação de marcha possível, depois traçar contra a velocidade junto com os gráficos de barras de velocidade da pista. Isto pode ser visto na parte superior da Figura 1. As etiquetas numéricas nestas curvas mostram a relação do diferencial multiplicada pela relação de transmissão em cada seleção de relação possível. Você começa selecionando a relação de transmissão mais baixa que não ultrapassa o limite de giro da roda (como 6,87 obviamente faz), em seguida, corre-a até sua velocidade máxima em rpm (ou o ponto em que seu impulso intercepta a próxima curva de relação), e então é deslocada para outra relação mais alta. Visualmente você pode ver a questão no gráfico.
Se você tem uma caixa de cinco velocidades, então você quer selecionar as cinco relações que lhe daria a área máxima sob suas curvas na área sombreada. Se fosse possível ter um número ilimitado de mudanças, ou uma transmissão continuamente variável, então as rpm poderiam permanecer no torque de pico e o empuxo disponível seria uma curva suave. Estas curvas também ilustram porque é tão importante ter uma curva de torque do motor relativamente plana sobre uma faixa de rpm o mais ampla possível. Se o torque do motor cair drasticamente, ou se tiver quedas notáveis devido à seleção de came ou efeitos de ajuste do cilindro de admissão ou de ajuste do escape, então será mais difícil evitar quedas na curva de impulso usando seleções de proporção. Este processo também mostra como a prática comum de classificar motores por potência de pico é relativamente sem importância.
Um Método Mais Simples
Mas há uma maneira mais barata e simples de selecionar as relações: usando experiência e experimentação, como mostrado no nosso Gráfico do Método Mais Simples. Nosso exemplo vai considerar apenas três opções de engrenagens, e vamos dizer que a pista tem apenas quatro retas principais. Embora este seja um exercício limitado, ainda podemos estudar os compromissos para sempre sem chegar à solução ideal, razão pela qual os profissionais querem uma mudança rápida de velocidade com muitas opções em cada mudança.
Direita, pode ver que a opção de relação ampla é “exagerada” para a velocidade máxima desta pista e também tem uma grande queda de rpm entre a segunda e a terceira. (Quanto mais rápido você for, mais perto você quer que a sua relação de mudança de marcha esteja, mas essa é outra história mais complexa). O diferencial de 3.07:1 com a caixa de velocidades próxima aumenta tanto a segunda velocidade que o motor vai ficar “atolado” ao sair das curvas mais lentas – e você não quer fazer “downshift” para a primeira. Isto dá-nos outra razão para baixar a relação do diferencial de 3.07:1. (Lembre-se que baixar a relação produz um número maior.)
Para encontrar a selecção ideal, multiplique a relação de transmissão final pela velocidade da linha vermelha na quarta mudança (152 mph) e divida esta pela velocidade superior da pista (140 mph). Isto resultaria num valor teórico de 3,33 – o que está suficientemente próximo da relação de transmissão final disponível mais próxima de 3,36:1. Combinando esta transmissão final de 3,36:1 com a transmissão de relação próxima, resultará em apenas um ponto de turno nas três primeiras retas, e dois na última e mais longa. Há uma maneira ainda mais simples de determinar as relações de transmissão corretas: Basta basear a sua decisão apenas no feedback do condutor. Diga que na maioria das retas, ou nas mais importantes, você tende a ter uma redução excessiva ou a ter que mudar de marcha um pouco antes da frenagem. Nesse caso, o que você pode querer fazer é instalar uma relação diferencial ligeiramente superior (ou um número inferior – veja a barra lateral de semântica).
Você poderia até calcular quanto de uma mudança seria ideal, se você soubesse o quanto você estava super-revolvendo. Digamos que você estava indo 500 rpm acima de um limite recomendado de 6000 rpm. Então você quereria uma razão diferencial maior que fosse 6000 dividida por 6500, multiplicada pela sua razão existente. Não importa muito se você vai com um diferencial mais alto como este ou com um diferencial mais baixo e depois muda para cima mais cedo – a não ser que você possa usar sua engrenagem superior, que provavelmente será direta (ou 1:1), e terá um pouco menos de perda de potência da linha motriz. Existem algumas razões para minimizar a necessidade de mudanças, entre elas para reduzir a carga de trabalho do condutor e minimizar a possibilidade de rebentar uma mudança (e a mudança errada que a acompanha, desgaste das peças, etc.).
Menos mudanças também evita o décimo de segundo ou mais da perda de aceleração das mudanças “paradas” entre as mudanças. Mas não deixe que isso ultrapasse o valor de aceleração de mais mudanças para manter o motor no seu pico de binário. A resposta simples para seleccionar as melhores relações de transmissão é encontrar as que fazem o condutor feliz, em parte através da minimização do número de mudanças, mas mais importante, através da minimização dos tempos de volta.
Método simples Gráfico
Aqui está uma forma de escolher a melhor relação de transmissão para um determinado carro entre três escolhas: 3.07:1 transmissão final com uma transmissão de relação ampla, 3.07:1 transmissão final com uma transmissão de relação fechada, e 3.36:1 transmissão final com uma transmissão de relação fechada. Nosso exemplo vai assumir um redline de 6000 rpm e pneus de 26 polegadas de diâmetro. Para encontrar mph em engrenagens, use esta fórmula: (.003) x (rpm) x (diâmetro do pneu em polegadas)/(relação diferencial) x (relação de transmissão). Esta matemática produz a seguinte equação: 468/(relação do diferencial) x (relação de transmissão). (O .003 apenas converte polegadas e minutos para mph.) Plotting speed bars at redline in all four gears for our different ratios produces this spread.
Transmission Choices: Sincronizadores vs. “Dogs”
Todos os pares de engrenagens de transmissão estão sempre em malha, mas só são acoplados intermitentemente com os seus eixos. As transmissões de automóveis de passageiros fazem esta ligação com superfícies de fricção que contactam primeiro, para corresponder mais suavemente às velocidades de rotação.
Em utilização em corridas, estes sincronizadores desgastam-se rapidamente, ou são propensos a falhas mais instantâneas. Em puras caixas de velocidades de corrida, as engrenagens são ligadas alternadamente ao eixo principal por engrenagens escalonadas, também conhecidas como “cães”, que são concebidas para engatar ou agarrar a próxima mudança muito rápida e firmemente, uma acção demasiado dura para a condução diária. O ângulo inferior e os raios de curva destes cães são cuidadosamente projetados para pegar sem desgaste e para travar juntos firmemente enquanto o torque estiver sendo transmitido.
Muitos motoristas que têm este tipo de caixas ou de mudança de força sem soltar no acelerador, ou usar apenas a embreagem para arranques em pé. E, a menos que sejam muito bons nisso, os cães ficam no chão em círculo, e como resultado, ou não entram ou ficam nas mudanças.
O tipo de sincronização é muito ajudado se o condutor aprender a igualar as velocidades entre as mudanças, modulando o pedal do acelerador com uma folga de dois segundos durante a mudança para cima, ou um ligeiro blip durante a mudança para baixo. Caso contrário, os sincronizadores ou os olhais podem ser rapidamente desgastados ou quebrados, exigindo que o condutor se aproxime ainda mais das velocidades – ou talvez até segure a alavanca de mudanças na engrenagem.
Gear Teeth Choices
As transmissões de automóveis de passageiros usam dentes das engrenagens com corte angular ou “corte helicoidal” para reduzir o ruído, enquanto que as engrenagens diferenciais têm dentes de corte “hipóides”. (Estes tipos de engrenagens também são usados para baixar a linha central do eixo de transmissão.) Para aumentar a resistência e eficiência, no entanto, os carros de corrida usam apenas engrenagens de “esporão” de corte reto, que têm principalmente contato de rolamento em suas faces, em vez de contato deslizante.
Relaxamento para Autocross
A seleção da relação de desgaste é muito mais fácil quando a sua faixa de velocidade é muito mais estreita e muito mais baixa. A velocidade mínima de curva para um autocrosser provavelmente não é um critério de seleção relevante aqui, porque com muito excesso de potência em velocidades mais baixas, você não pode usar potência total para grande parte da curva, e portanto a engrenagem é relativamente sem importância.
Se você tem um sistema de aquisição de dados para registrar seu histórico de velocidade, então também é útil para registrar a posição do acelerador. Ou, se você tiver um único canal de dados, basta registrar sua velocidade enquanto você estiver em uma posição de acelerador bem aberta. O sinal de velocidade pode ser executado através de um simples interruptor de ligar/desligar na paragem do acelerador. Digamos que o seu intervalo de velocidade total do acelerador aberto é de 35 a 60 mph-typical valores para o autocross médio, não importa onde está sendo mantido. Então é possível que você possa selecionar uma relação diferencial que colocaria uma única relação de transmissão – não importa qual a relação de um para cobrir esse alcance. Como resultado, você não terá um ponto de mudança bem no meio de uma reta.
Exercício prático
Tempo para guardar as réguas de cálculo e ver como as relações de transmissão afectam os tempos de volta. Os nossos temas serão um par de carros Grand American Rolex classe Porsche GT3 Cup da Team Sahlen, e o exercício envolverá a comparação de duas caixas de velocidades diferentes, uma caixa de relações largas e outra de relações fechadas. Nossa sala de aula é Watkins Glen International, e o piloto da equipe Wayne Nonnamaker é o professor de hoje.
“A curva 5, no meio do gráfico, representa a saída dos cordões da Bota em Watkins Glen e a direção para o dedo do pé da Bota”, observa nosso piloto. As duas linhas superiores na impressão de aquisição de dados da Pi Research representam as rpm para os dois carros. “A linha preta é o gráfico do carro com as marchas mais apertadas, e a linha vermelha é a das marchas mais longas”, explica ele. “Você pode ver que a caixa de velocidades mais apertada tem que realizar dois turnos na reta, enquanto a caixa de velocidades mais longa tem apenas um turno”. As duas linhas do meio representam a velocidade em mph dos dois carros, com preto para a caixa mais apertada e rosa para as engrenagens mais longas. “A linha inferior é a distância entre os dois carros”, observa Wayne. “Você pode ver na reta que há um par de décimos de segundo ganho uma vez que a potência é colocada para baixo. Você também pode ver que a caixa de câmbio mais longa se recupera dramaticamente quando a outra caixa é deslocada, mas o ganho de volta não é suficiente para compensar a perda por estar fora da faixa de força”. Nesta pista e com esta aplicação, a caixa de relação estreita produz as voltas mais rápidas, embora seja necessário um pouco mais de deslocamento.
“Tenha também em mente que o Porsche GT3 Cup é um motor um pouco pujante”, acrescenta Wayne. “Isto significa que é essencial mantê-lo na banda de potência. Se você tiver uma banda de potência mais ampla, isto não é tão essencial. Por isso, quando se olha para o quão perto queres as tuas engrenagens, a largura da tua banda de potência é muito importante”. Embora as relações de transmissão façam parte da história, quanto abuso essas unidades podem sofrer também precisa ser considerado. “Nos nossos carros Rolex, a transmissão pode ser deslocada o mais rapidamente possível”, explica Wayne em relação aos seus carros Porsche GT3 Cup. As suas máquinas Grand-Am Cup Porsche 996, embora exteriormente semelhantes, precisam de uma mão um pouco mais delicada. “Nos carros Grand-Am Cup, tem de esperar um breve momento ou vai moer a transmissão e rasgar a caixa”. Wayne diz que olhar para o carro em particular é importante quando se discute as relações de transmissão. “Portanto, se você tem um Ford Mustang com uma ampla faixa de potência e uma transmissão que leva um momento para mudar; provavelmente não vale a pena apertar essas relações”, acrescenta ele. “No entanto, se você estiver rodando um Integra Type R onde a sua transmissão muda muito rapidamente e a banda é muito alta, então provavelmente valerá a pena para apertar as relações de transmissão”
Ver comentários nos fóruns GRM
7/16/18 1:16 p.m.
Grande artigo!
1/4/21 9:53 a.m.
Como é calculado o limite de impulso da roda?
1/4/21 4:32 p.m.
Você também pode olhar para os dados que você também pode olhar para a aceleração Gs. Se os Gs de aceleração caírem você precisa ajustar a sua engrenagem.
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