Como funciona um câmbio manual: troque as marchas

O que o modelo mostra

Quem dirige um carro de câmbio manual na cidade pode trocar de marcha algumas centenas de vezes em uma hora. O motor nunca muda de ideia sobre a rotação em que gosta de trabalhar, e mesmo assim o carro consegue se arrastar num estacionamento ou cruzar uma rodovia em velocidade constante. A caixa entre a embreagem e o eixo cardã é o que torna isso possível, e esta exposição a abre ao meio.

O modelo é um câmbio de cinco marchas para um carro com motor na frente e tração traseira. Metade da carcaça foi cortada. A embreagem fica à esquerda, onde o motor seria parafusado, e o eixo de saída sai pela direita. Use a alavanca de câmbio no canto da vista 3D para trocar de marcha. A sequência é reproduzida devagar para que você veja a embreagem abrir, a luva deslizar, o anel sincronizador de latão fazer seu trabalho e os dentes travarem. O painel mostra a velocidade de cada eixo e a velocidade do carro correspondente. "Trocar sem embreagem" deixa você tentar a única coisa que todo instrutor de autoescola manda não fazer.

Por que um motor precisa de mais de uma relação

Um motor a gasolina entrega potência útil numa faixa de talvez 1500 a 6000 rpm. Abaixo dela, ele morre ou trabalha forçado; acima, fica sem fôlego. Um carro, por outro lado, precisa ir da velocidade de um pedestre a bem mais de 100 km/h. Se o motor estivesse ligado às rodas por uma única relação fixa, você poderia escolher uma relação que faz o carro arrancar com vigor ou uma que permite rodar em silêncio, mas não as duas.

Por isso o câmbio oferece uma escolha de relações. Na primeira, o motor dá muitas voltas para cada volta das rodas, o que multiplica o torque e permite arrancar em uma subida. Na quinta, o motor dá menos voltas que o eixo cardã, e o carro avança com o motor em rotação tranquila. O motorista escolhe a relação que mantém o motor na faixa confortável para a velocidade do momento.

Como a potência passa por três eixos

Siga a transmissão, do motor ao eixo cardã.

1. Embreagem. O volante do motor é parafusado ao virabrequim. O disco de embreagem é apertado entre o volante e o platô por uma mola diafragma, e o disco é estriado no eixo de entrada.
2. Eixo de entrada. Leva uma engrenagem de 23 dentes, sempre engrenada com uma engrenagem de 33 dentes do eixo intermediário.
3. Eixo intermediário. Um único eixo de aço com seis engrenagens usinadas nele. Gira no sentido oposto ao do eixo de entrada, a 23 ÷ 33 da velocidade dele.
4. Engrenagens do eixo de saída. Cada engrenagem do eixo intermediário está engrenada com um par no eixo de saída. Esses pares não são fixos ao eixo de saída. Giram sobre rolamentos de agulhas, cada um na sua velocidade.
5. Luvas. Três luvas deslizantes ficam sobre cubos estriados no eixo de saída. Quando uma luva desliza para o lado sobre os dentes de engate na lateral de uma engrenagem, essa engrenagem fica travada no eixo e a transmissão passa por ela.
6. Eixo de saída. Fica alinhado com o eixo de entrada e leva a transmissão de volta ao eixo cardã e ao eixo traseiro.

A quarta marcha é um caso especial. A luva da 3ª e da 4ª pode travar a própria engrenagem de entrada no eixo de saída, de modo que os dois eixos giram juntos e o eixo intermediário é contornado. Isso se chama marcha direta, e a relação é exatamente 1.

Relações e velocidade do carro a 3000 rpm

Os números do modelo são valores de modelo escolhidos para lembrar um câmbio típico de cinco marchas, não copiados de um carro específico. Cada par para a frente tem 56 dentes no total, de modo que todos cabem na mesma distância entre os eixos. A relação de cada marcha é a relação do engrenamento constante vezes a relação do seu próprio par:

relação = (33 ÷ 23) × (engrenagem do eixo de saída ÷ engrenagem do eixo intermediário)

Para converter rotação do motor em velocidade do carro, são necessários mais dois números. A relação final no eixo traseiro é 43 : 11, ou seja, 3,909. Os pneus são 205/55 R16, o que significa um aro de 16 polegadas (406,4 mm) mais dois flancos, cada um com 55% de 205 mm de altura. Isso dá ao pneu 631,9 mm de diâmetro e 1,985 m de circunferência. Na terceira marcha:

rotação da roda = 3000 ÷ (1,435 × 3,909) = 534,9 rpm

velocidade do carro = 534,9 × 1,985 m × 60 ÷ 1000 = 63,7 km/h

As outras linhas seguem os mesmos passos. De uma marcha para a seguinte, a relação cai por fatores de 1,77, 1,55, 1,44 e 1,26. Os degraus ficam menores em direção ao topo, o que é comum: em alta velocidade, o arrasto do ar sobe rapidamente, e uma pequena diferença entre a quarta e a quinta mantém o motor perto da sua melhor rotação ao subir de marcha. A abertura da primeira à quinta é 4,92.

O que as relações fazem com o torque e a força nas rodas

O modelo não simula o torque do motor, então este exemplo toma um número emprestado. Digamos que o motor entregue 150 N·m a 3000 rpm. É um valor suposto para um motor a gasolina pequeno, não uma medição. Nessa rotação ele produz 150 × 2π × 3000 ÷ 60 = 47,1 kW, e um câmbio não pode acrescentar nada a isso. O que ele faz é trocar velocidade por força. O torque nas rodas é o torque do motor vezes a relação total, e o empurrão na estrada é esse torque dividido pelo raio de rolagem do pneu, 0,316 m para o pneu 205/55 R16 do modelo.

Duas verificações mostram que a tabela é coerente. Na primeira, 7278 N a 23,3 km/h (6,47 m/s) dão 47,1 kW, a potência do motor. Na quinta, 1479 N a 31,9 m/s também dão 47,1 kW. A força cai a um quinto enquanto a velocidade sobe pelo mesmo fator. A coluna de 4% usa o número da revisão das National Academies sobre tecnologias de economia de combustível, que estima a perda de uma transmissão manual em cerca de 4% da potência bruta do motor, contra cerca de 13% de um automático convencional. Para um carro de 1200 kg, 7278 N significariam 6,1 m/s² de aceleração na primeira se os pneus aguentassem, o que em geral não acontece. A aderência, e não o câmbio, define o limite na arrancada.

As relações também decidem quanto a rotação do motor cai ao subir de marcha. A 3000 rpm, o motor cairia para 1696 rpm depois da troca de 1ª para 2ª, para 1941 rpm depois de 2ª para 3ª, para 2091 rpm depois de 3ª para 4ª e para 2391 rpm depois de 4ª para 5ª. São os mesmos números que o anel sincronizador precisa alcançar, só que no sentido contrário. A primeira diferença é grande porque a primeira é uma marcha curta, para arrancar, e a última é pequena porque a quinta é longa. Mais um número é útil para planejar uma viagem: na quinta, o carro do modelo percorre 38,2 km/h para cada 1000 rpm, na quarta 30,5 km/h e na primeira 7,8 km/h.

Por que as engrenagens nunca saem de engrenamento

No modelo, todas as engrenagens giram o tempo todo, mesmo as que não levam a transmissão. Na terceira, por exemplo, a engrenagem livre da quinta no eixo de saída gira a 3764 rpm enquanto o eixo sob ela gira a 2091 rpm. Parece desperdício, mas resolve um problema antigo. Nos primeiros câmbios "crash", as próprias engrenagens deslizavam para o lado para engrenar, e seus dentes precisavam se encontrar de topo. Num câmbio de engrenamento constante, os dentes de cada par ficam engrenados a vida toda, e só os pequenos dentes de engate na lateral de uma engrenagem precisam encontrar seu caminho.

Como as engrenagens nunca precisam deslizar para engrenar, elas podem ter dentes helicoidais, cortados em ângulo em relação ao eixo. No modelo, o ângulo é de 25°. Um dente helicoidal entra em contato gradualmente ao longo da largura, em vez de tudo de uma vez, então o câmbio é muito mais silencioso que um de dentes retos. O preço é um empurrão lateral: para uma hélice de 25°, a força ao longo do eixo é tan 25° = 0,47 vez a força que gira a engrenagem. Os câmbios a suportam com rolamentos de rolos cônicos ou de esferas. Os dentes do eixo intermediário são cortados com a mão oposta à dos seus pares, como deve ser para duas engrenagens helicoidais paralelas engrenarem.

O que o anel sincronizador faz durante uma troca

Eis a dificuldade. Quando você passa da segunda para a terceira a 41 km/h, o eixo de saída continua girando a 1353 rpm porque o carro ainda está rolando. Com a embreagem pisada, o eixo de entrada, o disco de embreagem, o eixo intermediário e todas as engrenagens livres formam um conjunto solto, ainda girando a cerca de 3000 rpm do instante anterior. A engrenagem da terceira no eixo de saída faz parte desse conjunto. Para travá-la no eixo sem estalo, o lado de entrada precisa desacelerar para 3000 × 1,435 ÷ 2,217 = 1941 rpm.

O anel sincronizador faz esse trabalho. É um anel de latão com o interior cônico, entre o cubo e a engrenagem. A engrenagem tem um cone de aço correspondente. Quando a alavanca começa a se mover, a luva empurra o anel contra o cone, e o atrito entre os dois arrasta a engrenagem, e com ela todo o conjunto solto, em direção à velocidade do eixo. No modelo, a barra de diferença de rotação cai de algumas centenas de rpm até zero.

Enquanto ainda há diferença de velocidade, o atrito gira o anel um pouco contra suas chavetas no cubo. Nessa posição, os dentes de bloqueio em volta do anel ficam na frente dos dentes da luva e a impedem de avançar. É por isso que uma troca apressada dá sensação de trava: você está empurrando um anel que ainda não terminou. Quando as velocidades se igualam, o atrito cede, o anel gira de volta meio dente e os chanfros dos dentes guiam a luva. Um instante depois ela desliza sobre os dentes de engate da engrenagem e a engrenagem fica travada no eixo. Num carro real, toda a sequência leva uma fração de segundo.

Os números por trás de uma troca sincronizada

Os projetistas não tratam uma troca como um único evento. Um artigo de S. Razzacki, da DaimlerChrysler, apresentado no SAE World Congress de 2004, divide uma troca de sincronizador em seis eventos. O primeiro é o toque do pino, uma pequena chaveta com mola, no anel de bloqueio. O terceiro é o encontro da ponta de um dente da luva com a ponta de um dente do anel, o que gira ("indexa") o anel pela pequena folga que ele tem no cubo. Os eventos seguintes cobrem a passagem do chanfro da luva pelo chanfro do anel e a chegada do dente da luva aos dentes de engate da própria engrenagem. O artigo dimensiona cada peça para que esses eventos ocorram em ordem e traça uma zona de estalo contra uma zona de troca dura. Se o cone faz pouco, o motorista ouve um estalo. Se o anel bloqueia com firmeza demais, a alavanca parece emperrada.

Dois torques decidem onde um projeto cai. O torque de sincronização é o que o cone produz por atrito. O torque de indexação é o que gira o anel até sua posição de bloqueio, e depende do ângulo dos dentes do anel (o "ângulo de ponta"). Um artigo da SAE de 2007, de Razzacki e J. Hottenstein, sobre sincronizadores para transmissões de dupla embreagem, enuncia a regra com clareza: o torque de sincronização precisa ficar maior que o de indexação em todos os pontos da troca para evitar estalos ou ruído de raspagem, enquanto o torque de indexação precisa superar o arrasto total da transmissão para que o anel ainda bloqueie num câmbio frio com óleo grosso. Um ângulo de ponta mais íngreme reduz o torque de indexação, então um projetista que o torna mais íngreme para poupar esforço pode precisar de mais atrito no cone para manter a primeira condição verdadeira.

O modelo deixa de fora os pinos, mas ainda dá para estimar o que o cone precisa fazer. Tome a troca de 2ª para 3ª. O lado de entrada precisa desacelerar de 3000 para 1941 rpm, ou seja, 110,9 rad/s. Suponha, a título de ilustração, que o disco de embreagem, o eixo de entrada, o eixo intermediário e as engrenagens livres tenham juntos um momento de inércia de 0,05 kg·m². A energia a retirar é ½ × 0,05 × (314,2² − 203,3²) = 1,43 kJ. Se a troca leva 0,1 s, o cone precisa fornecer um torque médio de 0,05 × 110,9 ÷ 0,1 = 55 N·m sobre esse conjunto e dissipar 14 kW como calor durante um décimo de segundo. Um anel de latão não aguenta isso por muito tempo, e é por isso que as marchas baixas, onde as diferenças de velocidade são maiores, recebem sincronizadores de vários cones em muitos câmbios de série.

Por que uma troca sem embreagem raspa

Agora ative "Trocar sem embreagem" e tente passar da terceira para a quarta. Com a embreagem engatada, o eixo de entrada continua, na prática, parafusado a um motor em funcionamento. O motor gira a 3000 rpm, então a engrenagem de entrada, que é a da quarta, também gira a 3000 rpm. O eixo de saída gira a 2091 rpm. O anel sincronizador teria de frear todo o motor e o volante em 909 rpm, com o motor empurrando de volta, por um cone de poucos centímetros de largura. Ele não consegue.

Assim o anel permanece na posição de bloqueio e, se o motorista empurrar forte o bastante, os dentes da luva chegam aos dentes de engate enquanto eles ainda deslizam um diante do outro. A um raio de 30 mm, uma diferença de 909 rpm faz as faces passarem a 2,9 m/s, e 424 dentes de engate passam por segundo. Cada um bate nos chanfros da luva e a empurra de volta. Esse barulho é o ruído de raspagem, e cada rodada dele arredonda as arestas que deveriam guiar a luva.

A mesma conta explica por que os motoristas dos antigos câmbios "crash" usavam a debreagem dupla. Embreagem pisada, alavanca no ponto morto, embreagem solta, uma acelerada ou uma espera para levar o lado de entrada à velocidade certa com a ajuda do motor, embreagem pisada de novo e só então a marcha é escolhida. O motorista fazia de ouvido o que o anel sincronizador hoje faz por atrito.

A ré e a engrenagem inversora

Duas engrenagens engrenadas giram em sentidos opostos. O eixo intermediário já gira no sentido oposto ao do eixo de entrada, e cada par para a frente o inverte de novo, de modo que o eixo de saída gira no mesmo sentido do motor. Para o carro andar de ré, coloca-se mais uma engrenagem no caminho. No modelo, a engrenagem de 13 dentes do eixo intermediário aciona uma engrenagem intermediária de 17 dentes, que aciona uma engrenagem da ré de 38 dentes no eixo de saída. A engrenagem intermediária não muda a relação, só o sentido.

As engrenagens da ré no modelo têm dentes retos. É a prática comum, e é por isso que um carro em marcha à ré faz um zunido que nunca se ouve nas marchas para a frente. Muitos câmbios engatam a ré deslizando a engrenagem intermediária para dentro do engrenamento, o que só funciona com as engrenagens paradas; por isso é preciso parar o carro primeiro. No modelo, a luva 5-R e seu sincronizador levam o lado de entrada ao repouso antes de a ré entrar.

Lendo o gráfico de dente de serra

Em uma marcha, a rotação do motor está ligada à velocidade do carro por uma reta: rpm do motor é igual à velocidade dividida pela circunferência do pneu, vezes a relação da marcha, vezes a relação final. O gráfico de velocidade e rpm, em Controles, traça uma reta por marcha. Escolha uma rotação de troca e o caminho sobe uma reta até essa rotação, depois cai na vertical para a reta seguinte, na mesma velocidade. As quedas formam os dentes de serra.

O tamanho de cada queda é fácil de calcular. Depois de uma troca para cima, o motor passa a girar na rotação de troca vezes a razão entre a nova marcha e a antiga, então a queda é a rotação de troca vezes um menos essa razão. No Honda Civic Type R, a 2ª é 2,115 e a 1ª é 3,625, então o motor mantém 0,5834 da sua velocidade. Troque a 7000 rpm e ele cai para 4084 rpm. Nas marchas altas, as relações ficam mais próximas, então os dentes diminuem: no câmbio do modelo, as quedas a 6500 rpm são 2826, 2293, 1970 e 1320 rpm.

A relação final e o tamanho do pneu esticam o gráfico para os lados, mas não mudam as quedas. É por isso que o catálogo pode mostrar no mesmo gráfico os jogos de relações do Tremec TR-6060, que vêm sem eixo nem pneu: as velocidades usam então a relação final de 3,909 e o pneu 205/55 R16 do modelo e são marcadas como valores do modelo, enquanto as quedas de rpm são exatas.

Força nas rodas em cada marcha

A força que empurra o carro é o torque do motor vezes a relação total vezes o rendimento das engrenagens, dividido pelo raio do pneu. O gráfico de força nas rodas a traça para cada marcha contra a velocidade, ao lado de uma linha tracejada que representa o que a estrada e o ar opõem. A diferença entre a curva de uma marcha e a linha tracejada é o que sobra para acelerar o carro; a tabela sob o gráfico a converte em metros por segundo ao quadrado.

Os fabricantes publicam dois pontos da curva de torque, não a curva inteira: o torque máximo e a faixa de rpm em que ele se mantém, e a potência máxima e sua rotação. O gráfico une esses pontos com segmentos retos e mantém a potência quase constante até a linha vermelha. É uma aproximação, e a tela diz isso. A resistência ao avanço é a de um carro modelo para todas as entradas: 1400 kg, resistência de rolagem de 0,012 e área de arrasto de 0,65 m².

Duas coisas aparecem de imediato. Primeiro, a 100 km/h a marcha mais forte do Civic Type R é a 2ª, a 6719 rpm, com cerca de 7,6 kN nas rodas, cerca de 1,5 vez o que a 4ª dá. Segundo, a curva da marcha seguinte quase nunca sobe acima da atual antes da linha vermelha. Para a aceleração mais rápida, mantém-se cada marcha até a linha vermelha. Um carro cuja potência fica constante numa faixa de rotações é a exceção: no GR Supra, as curvas da 4ª e da 5ª se encontram perto de 5900 rpm.

Igualar a rotação e debreagem dupla

Ao reduzir a marcha, o motor precisa girar mais rápido. A 80 km/h, o motor do modelo gira a 2625 rpm na 4ª e precisa de 3768 rpm na 3ª. Se a embreagem for solta com o motor ainda na rotação mais baixa, a embreagem precisa arrastar o motor para cima sozinha, e o carro é puxado para trás por um instante. Uma pequena acelerada com a embreagem pisada, chamada de "toque no acelerador", leva primeiro o motor para cima; isso é igualar a rotação. O laboratório de igualação de rotação, em Controles, deixa você executar os passos e mostra quanto você errou, quanto calor a embreagem recebeu e o tamanho do solavanco. Com uma inércia do motor de 0,15 kg·m² (valor do modelo), errar por todas as 1142 rpm joga cerca de 1,1 kJ na embreagem.

Um câmbio sem sincronizadores, um câmbio "crash", tem um segundo problema. O eixo de entrada precisa estar na velocidade certa antes que a marcha possa entrar, e com a embreagem pisada nada além do atrito o desacelera. Motoristas de caminhões antigos e dos primeiros carros pisavam por isso a embreagem duas vezes: embreagem pisada e marcha fora, embreagem solta no ponto morto para que o motor acione o eixo de entrada, uma acelerada para levá-lo à nova velocidade, embreagem pisada de novo e marcha engatada. No laboratório, o câmbio sem sincronizadores só aceita a marcha se o eixo estiver a menos de 150 rpm (valor do modelo) da velocidade de que precisa; caso contrário, raspa.

Sair parado: para onde vai o calor do deslizamento

Parado, a embreagem precisa deslizar, porque o motor gira e as rodas não. Enquanto a embreagem não trava, o torque da embreagem vezes a diferença de velocidade vira calor. O laboratório de saída parado deixa você escolher a rotação do motor que mantém e o torque que a embreagem transmite, e então faz o carro modelo andar na 1ª marcha, milissegundo por milissegundo.

Há um resultado curioso escondido nisso. Se o motor é mantido em uma só rotação enquanto a embreagem desliza, a embreagem transforma em calor quase tanta energia quanto o carro ganha em movimento. A partir de 3000 rpm com 200 N·m, a embreagem recebe cerca de 32,5 kJ enquanto o carro ganha cerca de 29,3 kJ; o resto vai para a resistência ao avanço. Saia parado a 2000 rpm com 180 N·m e o calor cai para cerca de 14,5 kJ. Peça à embreagem mais torque do que o motor dá naquela rotação e o motor desacelera, e abaixo de 650 rpm (o limite do modelo) ele morre. Uma boa saída fica entre os dois: rotação suficiente para o motor continuar funcionando, mas não tanta que a embreagem cozinhe.

Câmbios reais no catálogo

O catálogo tem 31 entradas. 18 são carros com as relações de marcha publicadas: o Honda Civic Type R e o Civic Si, o Acura Integra Type S e o Integra 6MT, os Toyota GR86, GR Corolla e GR Supra 3.0, o Mazda MX-5, o Nissan Z, o Subaru WRX, dois Ford Mustang e seis carros que usam o Tremec TR-6060. Doze são jogos de relações de câmbio da Tremec, e a última é o modelo desta página. Os números vêm do kit de imprensa, do folheto ou da ficha de produto do próprio fabricante; o link da fonte está sob cada entrada.

Alguns pontos chamam a atenção. O Civic Type R e o Integra Type S compartilham todas as relações e a relação final de 3,842. O GR Corolla tem duas relações finais, 4,058 da 1ª à 4ª e 3,450 para a 5ª, a 6ª e a ré. O MX-5 tem uma 6ª direta (1,000) e o Nissan Z uma 5ª direta, como a 4ª do modelo. O Camaro SS tem uma sexta de 0,50, então em velocidade de cruzeiro o motor gira à metade da velocidade do eixo cardã. A Tremec dá ao TR-6060 uma distância entre eixos de 85 mm e sincronizadores de duplo e triplo cone em todas as marchas, onde o modelo tem um cone por marcha.

Onde o modelo é mais simples que um câmbio real

• As relações são valores de modelo, e cada par tem exatamente 56 dentes. Câmbios reais ajustam o número de dentes e usam ângulos de hélice e módulos ligeiramente diferentes para cada par.
• Sincronizadores reais costumam ter dois ou três cones nas marchas baixas, porque elas enfrentam as maiores diferenças de velocidade. O modelo tem um cone por marcha.
• As chavetas, molas e esferas de trava que mantêm as luvas no ponto morto e impedem que duas hastes se movam ao mesmo tempo (o intertravamento) foram omitidas.
• Os rolamentos, os retentores e o próprio óleo estão ausentes. Num câmbio real, as marchas baixas mergulham no óleo e o espirram por toda parte.
• A folga da embreagem é desenhada com cerca do dobro do tamanho real para que você a veja abrir. O motor cai para 900 rpm quando você segura o pedal pisado, como se o pé direito tivesse saído do acelerador.
• As velocidades do carro usam o tamanho nominal do pneu e ignoram o deslizamento do pneu. Um pneu carregado rola com alguns por cento a menos que seu tamanho nominal.

Outros câmbios construídos sobre as mesmas ideias

O Modelo T. O carro da Ford usou um conjunto planetário de duas velocidades de 1908 a 1927. O museu Henry Ford observa que suas engrenagens estavam sempre engrenadas, o que o tornava mais fácil de trocar que os conjuntos deslizantes não sincronizados da época. É o mesmo argumento que levou ao engrenamento constante num câmbio manual, alcançado por outro caminho.

Motocicletas. Uma equipe de estudantes de Princeton que reconstruiu uma Triumph Tiger Cub de 1963 descreve a mesma estrutura do modelo: um eixo principal e um eixo intermediário, com garfos seletores deslizando engrenagens ao longo deles. A diferença está no seletor. Nesse motor, um setor de troca acionado pelo pé move uma placa seletora, que afasta ou aproxima os garfos. Motocicletas posteriores costumam usar um tambor com ranhuras, como os câmbios de corrida da Honda com seu tambor seletor. Nos dois arranjos, o piloto sobe ou desce uma marcha por vez, o que torna um câmbio sequencial. O piloto abre mão da livre escolha da marcha e ganha um câmbio sem grade, em que uma única peça móvel aciona todos os garfos.

Carros de corrida. Engenheiros da Honda escreveram que os câmbios de Fórmula 1 desde o início dos anos 1990 usam um engate por dentes e um tambor seletor, o mesmo princípio de uma motocicleta. Não há anel sincronizador. O regulamento da época, como a Honda o resumiu, exigia de quatro a sete marchas à frente e proibia um câmbio de variação contínua. O problema num câmbio de dentes de engate é a colisão de topo de um dente com outro, que danificava as engrenagens; por isso a equipe da Honda desenvolveu uma troca que mantém o torque do motor fluindo durante a mudança, e um controlador que sincroniza o tambor com o intervalo entre os dentes. Em 2008, segundo a Honda, todas as equipes tinham um câmbio que troca sem interrupção de torque. Um câmbio comercial de F1 da Xtrac, o P1044, é listado com sete marchas, seleção sequencial sem interrupção da transmissão e torque de entrada contínuo de 340 N·m.

Transmissões automáticas. Um automático convencional substitui o eixo intermediário e as luvas por conjuntos planetários trocados por embreagens e freios, e substitui a embreagem de atrito por um conversor de torque. A ZF diz que seu 8HP de oito marchas precisa de apenas cinco elementos de acionamento para quatro conjuntos de engrenagens e tem abertura total de 7,0. A abertura do modelo de cinco marchas é 4,92, então o automático cobre uma faixa maior com mais degraus. O custo é a eficiência: a revisão das National Academies dá aos automáticos convencionais um rendimento de 86 a 94%, e uma perda de cerca de 4% da potência do motor num manual.

Dupla embreagem. Um câmbio de dupla embreagem (DCT) mantém o arranjo do manual, mas usa duas embreagens em dois eixos de entrada, uma para as marchas ímpares e outra para as pares. A página da Honda sobre seu DCT de motocicleta, lançado em 2010, descreve exatamente isso: uma embreagem para a 1ª, a 3ª e a 5ª, a outra para a 2ª, a 4ª e a 6ª. Enquanto uma marcha aciona, a próxima já está selecionada no outro eixo, e a troca é uma passagem de bastão entre embreagens. A mesma revisão das National Academies informa que um DCT de seis marchas com embreagem úmida pode reduzir o consumo de combustível em até 4,1% em relação a um automático de seis marchas, mas que as versões de embreagem seca tiveram problemas de dirigibilidade e que a suavidade na saída é difícil de igualar.

CVT. Uma transmissão continuamente variável não tem degraus. A unidade do CITY 2020 da Honda usa uma correia metálica em V empurrada entre duas polias, e a relação muda continuamente conforme muda o diâmetro efetivo das polias. Sem engrenagens, não há nada para sincronizar, e o motor pode manter uma só rotação enquanto o carro acelera. A Fórmula 1 a proibiu, como mostra o regulamento citado acima.

Equívocos comuns

"Uma marcha mais baixa dá mais potência ao motor." Não dá. A potência nas rodas é a potência do motor menos as perdas. Uma marcha mais baixa dá mais força em baixa velocidade, como mostra a tabela, e também permite que o motor gire mais rápido, onde em geral produz mais potência.

"Uma marcha mais alta sempre economiza combustível." Só enquanto o motor não está forçado. Uma marcha longa em baixa velocidade faz o motor trabalhar com carga alta e rotação baixa, o que pode gastar mais combustível que a marcha de baixo, e pode fazer a transmissão tremer.

"O anel sincronizador faz o trabalho todo." Ele só iguala a velocidade da engrenagem e a do eixo. O pedal da embreagem continua sendo necessário para desligar o motor, e é por isso que o ajuste "Trocar sem embreagem" do modelo falha.

"No câmbio, toda engrenagem está travada no eixo." Só uma está. Na terceira marcha do modelo, as engrenagens livres do eixo de saída giram sobre rolamentos de agulhas em velocidades de cerca de 770 rpm (primeira) a 3760 rpm (quinta), nenhuma travada em nada.

"A quarta é a marcha mais eficiente porque nada está engrenado." As engrenagens do eixo intermediário continuam engrenadas e girando no óleo, então ainda causam algum arrasto. A marcha direta é um pouco melhor, não livre de perdas.

"A debreagem dupla é só coisa de antigamente." É o mesmo trabalho feito à mão. Motoristas de câmbios sem sincronizadores ainda a fazem, e um câmbio de corrida de dentes de engate faz a mesma coisa com sensores e um controlador.

Experimente na tela

1. Ajuste Marcha para 2ª e depois para 3ª, e observe o painel. O eixo de entrada deve cair de cerca de 3000 para 1941 rpm. Reduza Câmera lenta para ver a barra de diferença de rotação se fechar antes que o anel deixe a luva passar.
2. Ative Embreagem pisada e depois troque de marcha. O motor cai para 900 rpm no modelo, mas o disco e o eixo de entrada continuam girando com o carro, então o anel sincronizador só tem o conjunto solto para desacelerar.
3. Ative Trocar sem embreagem e passe da 3ª para a 4ª. A linha de diferença de rotação deve mostrar as 909 rpm do texto, e a mensagem diz que o motor continua ligado. Depois compare com uma troca normal de 3ª para 4ª.
4. Leve Desmontar a 1 e ative Ver por dentro e Nomes das peças. Encontre as três luvas no eixo de saída. Elas servem a 1ª e a 2ª, a 3ª e a 4ª, e a 5ª e a ré.
5. Ajuste Marcha para Marcha à ré a partir do ponto morto e note que o eixo de saída gira ao contrário. O painel mostra a velocidade dele como negativa. Conte a engrenagem extra no caminho.

Uma breve história

Os primeiros carros com várias marchas usavam câmbios de engrenagens deslizantes, cujas engrenagens deslizavam para engrenar enquanto o motorista tentava acertar o momento. Eram os câmbios "crash", bem batizados. Os câmbios de engrenamento constante com dentes de engate facilitaram as trocas, mas as velocidades ainda precisavam ser igualadas pelo motorista.

Earl A. Thompson, engenheiro do Oregon, pediu a patente de um mecanismo de troca de marchas em março de 1918 (concedida em 1922) e passou anos tentando interessar as montadoras de Detroit. Seu sincronizador chegou à produção no Cadillac de 1928, e a Cadillac o nomeou engenheiro-chefe adjunto em 1929. O princípio do sincronizador é hoje usado em quase todos os câmbios manuais.