Como ocorre o funcionamento dos conjuntos de embreagens de múltiplos discos?

Ao ligarmos o motor de um carro, precisamos selecionar a primeira marcha ou a marcha a ré para nos deslocarmos. Entretanto, não podemos apenas com a alavanca de cambio, engatar a marcha e arrancar. Então é necessário a sincronia da velocidade do motor com a velocidade da caixa de cambio, ou não seria possível o engrenamento das marchas. Essa sincronia de velocidades é obtida com um componente chamado embreagem, que pode ser acionada manual ou automaticamente, pode ser de fricção, centrífuga ou hidráulica, mas sempre com funções importantes para o deslocamento do motor com conforto e boa dirigibilidade.

Função

A embreagem está localizada entre o motor e a caixa de marchas, e basicamente sua função é acoplar e desacoplar aquele desta. Mas sua função está um pouco além disso, pois o simples acoplamento ou desacoplamento é seguido por vibrações ou trancos. Estes fenômenos não podem ocorrer ou desgastariam rapidamente o conjunto, em casos extremos, poderia haver a quebra de componentes da embreagem. Temos então que a embreagem não apenas deve conectar e desconectar o motor da caixa de marchas quando desejado, mas deve desempenhar essa ação com suavidade, progressividade, de modo que a transmissão de torque para a caixa de marchas ocorra sem vibrações ou trancos, possibilitando trocas de marcha em movimento ou parado. As vibrações e as sobrecargas que atingem a caixa de marchas, são absorvidas pela embreagem.

Sempre que a embreagem for bruscamente acionada, ou seja, pressionando subitamente o disco de embreagem contra o volante, ocorrem sobrecargas. Motores com falhas no sistema de injeção, que causam falhamentos e funcionamento rugoso do mesmo também sobrecarregam a embreagem por conta das vibrações excessivas. As sobrecargas são absorvidas pela embreagem através do seu deslizamento sobre o volante do motor, mesmo assim, essas pancadas também são absorvidas por um conjunto de pequenas molas de torção montadas no disco de embreagem, ou do contrário sua quebra seria inevitável. Ou seja, além de acoplar e desacoplar o motor da caixa de marchas, a embreagem também serve como dispositivo de absorção e amortecimento de sobrecargas e vibrações, para que o acoplamento e o desacoplamento ocorram da forma mais suave possível.

Os tipos de embreagens utilizados nos automóveis estão sumarizados abaixo:

• Embreagem de fricção com disco seco / Embreagem de molas / Embreagem de diafragma;
• Embreagem de fricção em banho de óleo / Embreagem dupla;
• Embreagem centrífuga;
• Embreagem hidráulica / Conversor hidrodinâmico de torque.

Embreagem de fricção com disco seco

Este é o tipo de embreagem mais utilizado na indústria automotiva, equipa carros com transmissão manual e automatizada, é chamada de embreagem de fricção por utilizar o princípio de atrito entre dois discos para a transmissão de rotação para as rodas. Entretanto, em algumas literaturas, esse tipo de embreagem é também chamado de Embreagem de Molas ou de Diafragma, todavia o funcionamento de ambas é o mesmo.

Neste tipo de embreagem, a transmissão da rotação do virabrequim é realizada através de um disco com guarnições de atrito rebitadas nele. O disco é acionado por um conjunto de molas helicoidais, ou uma única mola em forma de disco, vulgarmente chamada de “chapéu chinês”.

A grande vantagem deste tipo de embreagem, encontra-se na sua simplicidade de funcionamento e manutenção, além do baixo custo. Entretanto, é um conjunto limitado para algumas aplicações, visto que as guarnições do disco de embreagem possuem uma temperatura limite de funcionamento, que quando superada, resulta na perda de fricção entre disco e volante do motor. Sendo então necessária a troca do disco de embreagem.

Embreagem de fricção em banho de óleo

Trata-se de uma variação da embreagem acima, também utiliza a fricção entre dois componentes para realizar a transmissão de rotação do motor para as rodas, mas com a adição de um óleo para fins de refrigeração. O óleo aumenta a capacidade térmica da embreagem, pois uma vez que o disco de embreagem aquece, este troca de calor com o óleo. Outra característica desse tipo de embreagem, é o arrasto, devido ao óleo, do disco de embreagem com o volante do motor ser maior em relação a embreagem seca. Embreagens banhadas em óleo são utilizadas em câmbios de dupla embreagem (DCT), portanto não possuem pedal de embreagem, pois se tratam de câmbios automatizados, o acionamento da embreagem é realizado por atuadores hidráulicos.

A embreagem dupla é assim chamada, pois possui dois discos de embreagem formando um só conjunto. Cada disco aciona engrenagens (marchas) pares e impares. Enquanto o veículo trafega em uma determinada marcha, a ECU do cambio já realiza o engate da marcha seguinte, consequentemente no momento da troca, a marcha seguinte já estava engatada, e isso reduz consideravelmente a interrupção do torque, comum em câmbios manuais e automatizados de embreagem única.

Embreagem centrífuga

A simples embreagem centrífuga é um tipo de embreagem utilizado em motores de pequeno deslocamento (cilindrada), como motores estacionários e de hobby (automodelos). Se utiliza do principio da força centrífuga, no qual contrapesos que estão montados na embreagem, são impelidos contra as paredes do tambor a medida que o motor gira. Quanto maior a rotação, maior a força que os contrapesos pressionam o tambor, transferindo potência para as rodas.

Embreagem hidráulica / Conversor hidrodinâmico de torque

Uma embreagem hidráulica utiliza o torque do motor para girar uma bomba e uma turbina, a bomba transmite esse torque ao óleo da embreagem, este por sua vez adquire energia, que age sobre as pás de uma turbina, fazendo-a girar e transmitir o torque para as rodas. Ambas, bomba e turbina formam a embreagem, dentro de ambas existem pás que além de transmitir e receber o torque do óleo, servem com dutos que conduzem este de volta a bomba, para que seu ciclo de funcionamento se inicie novamente.

O conversor de torque nada mais é do que uma embreagem hidráulica modificada, seu principio é o mesmo, e seus componentes também. Exceto pelo estator, ou também chamado de reator, que fica montado entre a bomba e a turbina. A função do reator é prover caminhos mais favoráveis para o retorno do óleo de embreagem para a bomba. Devido ao reator, o conversor de torque é capaz de multiplicar o torque do motor, podendo fornecer a caixa de marcha um torque duas vezes maior. Este, contudo, reduz a medida que as rotações aumentam, até atingir a relação de 1:1.

Componentes – Embreagem de fricção com disco seco

Os principais componentes desta variação de embreagem serão destacados nos subtópicos abaixo.

Disco de embreagem

É a peça de manutenção da embreagem, um disco de aço dotado de molas e guarnições de atrito, no centro do disco existem ranhuras que se encaixam na árvore primária da caixa de marchas. A função do disco de embreagem é receber o torque disponível no volante do motor, atenuando as sobrecargas e absorvendo vibrações, motivo pelo qual esse é dotado de molas helicoidais ao redor das ranhuras. As molas estão dispostas na parte metálica do disco de embreagem, e trabalham como amortecedores de torção. As guarnições de atrito são feitas de amianto com ligas de cobre e alumínio, material com alto coeficiente de atrito, mas que sustentam este até determinada temperatura. Quando superada sua temperatura de trabalho, as guarnições perdem sua propriedade de fricção, deslizam, prejudicando a transmissão de torque. A guarnição de atrito também possui um limite de espessura, motivo pelo qual existe a troca preventiva do disco, pois uma vez que este supera sua espessura limite, além de não transmitir a rotação do motor com eficácia, também está muito mais sujeita a rupturas.

Platô

O platô de embreagem é aparafusado no volante do motor, consequentemente gira solidário a este, sua matéria-prima são o ferro fundido e chapas de aço. No platô estão localizadas a superfície de encosto e a mola de pressão. Neste ponto temos duas variações, as molas helicoidais e a mola diafragma, ambos tipos de mola desempenham a mesma função no platô, pressionar o disco de embreagem contra o volante do motor. Entretanto, as duas molas trabalham de forma diferente. As molas helicoidais são dispostas em torno da circunferência do platô, e por estar em maior número em relação a mola diafragma, estão mais expostas a problemas que nesta são inexistentes. Por exemplo, a tensão desigual entre a molas, que gera uma pressão desigual sobre o disco de embreagem, e assim um desgaste desigual deste, uma vibração inconveniente das molas por estarem expostas a alta força centrífuga e o deslizamento decorrente do desgaste das guarnições do disco de embreagem, pois as molas não compensam o desgaste daquele e trabalham com pressão inferior a nominal, tornando o deslizamento inevitável. A mola diafragma é única no platô que a contém, tem a forma de prato, foi muito apelidada de prato ou chapéu chinês por ser circular e cônica. No centro da mola há um furo com estrias que se propagam do centro até uma parte do raio da mola. Este é o ponto de contato com o colar. A mola é feita de aço, não sofre ação da força centrífuga e além disso, consegue manter sua capacidade de pressionar o disco de embreagem por muito mais tempo, e ainda com este desgastado.

Colar

Também chamado de anel de impulso, anel de encosto ou rolamento de encosto, nada mais é do que um rolamento com alojamento para o garfo de embreagem. Quando o rolamento recebe uma força impulsora do garfo de embreagem, este é impelido contra a mola diafragma pressionando-a, e quando o garfo deixa de agir sobre o rolamento, este volta a sua posição inicial e a mola volta a pressionar o disco de embreagem.

Cabo de embreagem / Cilindro mestre de embreagem

Os primeiro tipos de acionamento da embreagem eram feitos por cabos de aço, e por serem baratos de fabricar, simples e fáceis de substituir ou ajustar, permanecem no mercado até hoje. Os cabos possuem terminais com engates que se encaixam na alavanca do pedal, e no garfo de embreagem. Existem cabos que são dispostos em tubulações pré-definidas para eles, cabos sem conduíte, como também existem cabos que possuem conduítes, pois são dispostos na imediações externas do carro, necessitando de um conduíte para fins de proteção.

Mesmo sendo baratos, os cabos cederam espaço para o acionamento hidráulico de embreagem, que incorporavam cilindros mestres semelhantes aos do sistema de freio, bem como o fluído hidráulico de mesma especificação deste. Neste tipo de acionamento, o pedal de embreagem aciona diretamente um cilindro, que impele com pressão, o fluído para o cilindro de acionamento do garfo de embreagem. Ambos os cilindros funcionam da mesma forma, com um pistão que os divide internamente em duas partes. De um lado temos o fluído hidráulico pressurizado por um pistão ligado ao pedal de embreagem, este empurra o pistão do cilindro contra sua mola. A medida que o pistão do cilindro se desloca, este destapa orifícios por onde o fluído hidráulico escapa com pressão rumo ao cilindro de acionamento.

Garfo

Trata-se de um braço de alavanca, que recebe o cabo de embreagem em uma de suas extremidades (ou a haste ligada ao cilindro mestre de acionamento), e sua outra extremidade aloja-se no colar de embreagem, e age neste, puxando-o ou retornando-o a sua posição inicial.

Volante do motor

O volante do motor, além de acumular a energia cinética do tempo produtivo do motor e utilizar nos tempos improdutivos, serve também como elemento de transmissão de torque para a caixa de marchas. Através do atrito entre o disco de embreagem e o volante do motor, temos a transmissão do torque obtido das combustões, para a caixa de marchas. Entretanto, o volante do motor acaba transmitindo vibrações oriundas dos pistões, que em seus momentos de combustão geram ruídos causadores de vibrações torcionais.

Para reduzir essas vibrações foi introduzido o volante de dupla massa. Um volante no qual há uma massa para a inércia do motor e outra para a inércia da caixa de marchas. As duas massas são unidas por molas. O disco de embreagem atua na segunda massa, a massa de inércia da caixa de marchas, é dispensa o uso de mola para absorção da vibração, como nas embreagens comuns. As duas massas são concêntricas, a massa de inércia do motor (volante) possui molas em parte de sua circunferência, uma extremidade dessa molas se liga a massa de inércia do motor, enquanto que a outra extremidade se liga a massa de inércia da caixa de marchas. Quando o motor gira, leva consigo as duas massas, mas por meio das molas, tem os ruídos e vibrações oriundos das combustões, absorvidos.

Componentes – Embreagem de fricção em banho de óleo

A embreagem em banho de óleo é composta pelos componentes descritos nos subtópicos seguintes.

Tambor de embreagem

Aloja todos os componentes da embreagem, bem como também serve de reservatório para o óleo utilizado para reduzir a fricção e reduzir o estresse térmico dos componentes.

Pistões e molas de retorno

São pistões ativados hidraulicamente, sua função é ativar e desativar a embreagem das marchas pares. As molas fazem os pistões voltarem para sua posição inicial depois que a pressão do óleo é reduzida.

Componentes – Embreagens de marchas pares e ímpares (Clutch Plate)

As embreagens neste caso são compostas por discos de fricção e discos dentados, estes últimos engrenam com ranhuras internas do tambor de embreagem, e desta forma transmite a força do motor para o eixo primário externo ou interno, dependendo de qual embreagem está acionada.

Componentes – Embreagem centrífuga

Os componentes da embreagem centrífuga são descritos nos subtópicos seguintes.

Tambor

É a capa que cobre a embreagem, externamente pode acoplar-se ao eixo primário da caixa de marchas ou pode possuir um pinhão de transmissão, internamente forma uma superfície de atrito no qual as sapatas irão entrar em contato e transmitir a rotação do motor.

Sapata

As sapatas são contrapesos com uma superfície de fricção, elas são fixadas por molas e a medida que a rotação do motor aumenta, as sapatas vencem a força da mola e se distanciam do centro entrando em contato com o tambor de embreagem. Muito semelhante ao funcionamento do tambor de freio.

Molas de retorno

As molas exercem um força atrativa sobre as sapatas, mantendo-as no centro da embreagem. Quando esta gira com o motor, a força centrífuga supera a força das molas, contrariamente, quando a rotação do motor reduz, a força da mola se sobrepõe a força centrífuga e traz de volta as sapatas.

Componentes – Embreagem hidráulica – Conversor hidrodinâmico de torque

Os componentes da embreagem hidráulica são destacados abaixo.

Cárter

Invólucro no qual são alojados bomba, turbina e onde fica retido o óleo movido pela bomba. O cárter dispõe de retentores para impedir a o vazamento de óleo pelo eixos.

Bomba

Acionada pelo motor, a bomba tem a função transmitir ao óleo do conversor de torque o torque produzido pelo motor. As aletas da bomba possuem um desenho projetado para direcionar o óleo para as pás da turbina.

Turbina

A turbina está ligada ao eixo primário da caixa de cambio. O óleo, uma vez bombeado, toma o caminho direcionado pelas aletas da bomba, e transmitem o torque recebido para a turbina. A função da turbina é transmitir o torque recebido do óleo para a caixa de cambio.

Reator

O reator é um dispositivo presente, apenas, no conversor de torque. Também está ligado ao eixo primário da caixa de marchas, porém, por conta de um dispositivo que engata e desengata o reator do cárter da caixa de marchas, o reator só transmite torque para o eixo primário em baixas rotações. A função do reator é direcionar o óleo vindo da turbina para a bomba, mediante uma trajetória de menores perdas. Consequentemente, o torque do motor poderá ser multiplicado.

Funcionamento

O funcionamento do sistema de embreagem diferente dentre os tipo já explicitados, pois alguns destes utilizam princípios de físicos diferentes, sendo necessário uma abordagem diferenciada para cada um.

Embreagem de fricção a seco

Quando o motor está funcionando, o conjunto móvel gira, girando solidário ao volante do motor temos a embreagem. Ao acionarmos o pedal de embreagem, estamos empurrando o colar contra a mola diafragma (ou mola helicoidal), com a força do pé atuando na mola esta se deflete e puxa a área de contato do platô com o disco de embreagem (também chamada de placa de pressão), assim o disco fica livre, independente do gira do platô, consequentemente do volante do motor. Dizemos então que o carro está debreado.

A partir do momento que começamos a soltar o pedal de embreagem, a força da mola se sobrepõe a força do pé, e começa a empurrar a área de contato do platô contra o disco. O atrito das guarnições do disco de embreagem com o volante do motor, garante a sincronização da velocidade do motor com a velocidade do eixo primário da caixa de marchas, eixo no qual o disco de embreagem é encaixado nas suas ranhuras. Dizemos então que o carro está embreado.

Embreagem de fricção a banho de óleo

Nesta embreagem, que equipa carros com cambio de dupla embreagem, temos um tambor, que gira solidário ao eixo virabrequim. Dentro do tambor de embreagem, temos dois conjuntos de discos de embreagem e discos de pressão, um para marchas pares e outro para marchas impares. Cada um esta encaixado em seus respectivos eixos, este por sua vez são concêntricos, com um passando por dentro do outro, mas que são capazes de girar de forma independente. Quando ligamos o motor, os atuadores hidráulicos não pressurizam os pistões, e então o disco de embreagem não é empurrado junto aos discos de pressão, que possuem dentes que se encaixam em entalhes dispostos no tambor de embreagem. Tanto a embreagem para marchas pares, como a embreagem para marchas impares estão livres, sem transmissão de torque. A partir do momento que pressionamos o acelerador, o sistema eletrônico da caixa de marcha entende que queremos nos deslocar, e aciona o pistão da embreagem respectiva à primeira marcha. Dessa forma, o pistão atua pressionando fortemente os discos de embreagem junto aos discos de pressão. No momento da troca de marchas, a ECU desativa os pistões referentes a embreagem da marcha já engatada, e aciona a embreagem da marcha seguinte. Enquanto isso, na caixa de marchas, a marcha a ser engatada já havia sido pré-selecionada enquanto a marcha anterior estava engatada. Assim o câmbio de dupla embreagem consegue ser bem sucedido em velocidade de troca, e com o mínimo de queda de rotação durante a troca.

Embreagem centrífuga

Este tipo de embreagem funciona de acordo com as rotações do motor, geralmente é aparafusada no eixo virabrequim, e ao começar a girar, seus contrapesos passam a ficarem expostos a força centrífuga produzida pelo eixo, quando essa força supera a força da mola que os segura no eixo, os contrapesos são empurrados para fora, encostando no tambor de embreagem. Como o contato entre os contrapesos e o tambor não é imediato, a sincronização das velocidades é garantida a partir do contato progressivo e do atrito entre as duas peças. Quando os contrapesos estão totalmente em contato com o tambor de embreagem, todo o torque do eixo virabrequim é transmitido para a corrente ou eixo, dependendo da aplicação do motor.

Embreagem hidráulica / Conversor de torque

Conectado ao eixo virabrequim, temos a embreagem hidráulica, um tipo de embreagem que não utiliza fricção como forma de transmissão do torque do motor para as rodas, e sim a transferência de energia para um fluído. Uma bomba gira de acordo com a velocidade do motor, pois está ligada ao volante do motor, ao girar, as pás da bomba impulsionam o óleo hidráulico em direção às pás da turbina, transmitindo o torque do motor para a turbina, que está ligada a caixa de marchas. Entretanto, quando o motor está girando em velocidade de marcha-lenta, a força transmitida pela bomba não é suficiente para dar energia ao óleo capaz de girar a turbina, então o veículo permanece parado. Uma vez que aceleramos, o motor ganha mais velocidade, e imprime mais torque sobre as pás da turbina, e então esta começa a girar, dessa forma o torque do motor é transmitido para as rodas e o carro começa a se deslocar. Quanto mais rápido o motor gira, mais rápido o carro irá andar, além disso, à medida que a velocidade aumenta, a relação entre a velocidade do motor e do eixo primário diminui, chegando a 98%. Este fator é o que faz dos carros automáticos serem tão bons quanto os manuais em consumo de combustível no ciclo rodoviário. O conversor de torque é uma variação da embreagem hidráulica, naquele temos, entre a bomba e a turbina, um reator. O princípio de funcionamento é o mesmo, novamente temos um fluído hidráulico como meio de transmissão do torque do motor para a caixa de marcha. Assim como na embreagem hidráulica, a bomba movida pelo motor, impele o óleo contra as pás da turbina. Entretanto, ao sair da turbina de volta a bomba, o óleo passa antes por um reator, no qual suas pás desviam o óleo para que esse percorra uma trajetória ideal. Trajetória essa que é capaz de aumentar o torque do motor em até 2x, quando o carro parte da inércia, contudo. O reator possui um dispositivo de roda livre e de engate, este último o deixa fixo quando a velocidade da bomba é baixa, e a roda livre é utilizada quando o carro atinge velocidade de cruzeiro, assim ambas bombas e turbina giram à mesma velocidade. Uma vez que o veículo ganha velocidade, bomba, turbina e reator diminuem suas velocidades relativas, assim o reator deixa de agir sobre o fluxo de óleo que retorna a bomba, a relação de torque transmitido pelo motor e recebido pelo eixo primário da caixa de marchas reduz de 2:1 até valores próximos de 1:1.

Manutenção

Os tipos de embreagem que envolvem fricção possuem um ponto fraco, em hipótese nenhuma pode haver derrapagem entre volante e disco de embreagem. Dessa forma a transmissão de torque é totalmente comprometida. A derrapagem entre os eixos é um problema frequente neste tipo de embreagem, ela ocorre naturalmente quando as guarnições do disco de embreagem se desgastam ao ponto de não haver mais atrito suficiente entre elas e o volante do motor. O motor gira e o carro não desenvolve na mesma proporção, é possível ouvir facilmente o som do motor crescendo enquanto o veículo não desenvolve. Entretanto, outras causas podem acarretar na derrapagem da embreagem. Por exemplo, a mola de pressão do disco perde sua força com o uso, e quando está totalmente frágil, não consegue empurrar o disco contra o volante de forma adequada, causando a derrapagem. Além disso, sabendo que o disco se desloca sobre o estriado do eixo primário, caso haja alguma obstrução nesses estriados, tanto no eixo como no disco, o disco pode não retornar de forma adequada, gerando, também, sua derrapagem. O ajuste da embreagem deve ser efetuado conforme as notas técnicas do fabricante, o curso do pedal não pode estar sem uma pequena folga, ou caso contrário, este pode manter uma parte do disco levemente em contato com o volante, geranto desgaste prematuro, logo, a derrapagem.

Quando o disco não consegue mais absorver as vibrações consequentes do impacto com o volante, vibrações são sentidas pelo motorista. O disco deve ter suas guarnições e molas em estado integro, rachaduras são sinais de guarnições expostas a sobrecarga, e estas não conseguem mais absorver as vibrações, bem como a quebra das molas de tensão. Entretanto, nem sempre as vibrações ao acionar e desativar a embreagem são decorridas da embreagem, bases do cambio ou do motor, uma vez desgastadas, não conseguem conter as vibrações do motor, e transmitem para o motorista. Embora sejam comum roncados em caixa de marchas usadas, um simples colar em final de vida pode gerar ruídos semelhantes, pois trata-se de um rolamento que em final de vida útil expõe rapidamente seu defeito. Ruídos ao girar. Além disso, no volante do motor é sempre instalado uma bucha no qual o eixo primário da caixa de cambio se apoia. Com seu desgaste o contato metal-metal acaba exposto, e então torna-se uma fonte de ruídos.

• A. CROLA, David, Automotive Engineering Powertrain, Chassis System and Vehicle Body, Oxford, Elsevier, 2009. 835p;
• GENTA, Giancarlo, MORELLO, Lorenzo, The Automotive Chassis Volume 1 Components Design, Torino, Editora Springer, 2009. 633p;
• HEISSING, Bernd, ERSOY, Metin. Chassis Handbook – Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives, Germany, Vieweg+Teubner, 2011. 591p;
• SENAI, Série Metódica Ocupacional;
• BOSCH, Robert, Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. Edgard Blücher LTDA, 2004. 1231p;
• Livro do Automóvel, Seleções do Readers Digest, 1978.

Como ocorre o funcionamento dos conjuntos de embreagem de múltiplos discos?

Qual é a função do conjunto de embreagens?

Quais são os 4 tipos de acionamento de embreagem?

O que acontece se colocar o disco de embreagem ao contrário?