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Quando em movimento, os veículos são afetados por diferentes forças de resistência, como a força de atrito proveniente da interação com a superfície da estrada. Portanto, os veículos têm que acumular a potência necessária para superar as forças de resistência para partir de uma paralisação e acelerar. A resistência da estrada é chamada de resistência à tração, e a tração, que supera essa resistência, cria o efeito de tração. Além da resistência à estrada, os veículos devem resistir à resistência do ar. Para caminhões é especialmente importante, pois a resistência do ar é proporcional à área de projeção frontal do veículo e sua velocidade elevada à terceira potência (s^3). Assim, os fabricantes de caminhões devem prestar muita atenção não apenas à caixa de câmbio e ao parâmetro da relação de transmissão (mín. e máximo), mas também correlacionar esses parâmetros com a potência, o peso próprio do veículo, o peso bruto do veículo, etc. veículo, os especialistas levam em consideração a relação potência-peso, ou seja, a relação entre a potência máxima do motor e seu peso bruto.
As características da caixa de velocidades têm um efeito significativo na eficiência do combustível. Empresas conhecidas como Eaton, Allison, ZF estão continuamente desenvolvendo novas soluções de caixas de câmbio, que oferecem vantagens significativas para proprietários de caminhões comerciais. Deve-se notar que o desempenho da transmissão depende das condições da estrada, do ciclo de funcionamento do motor (longos períodos de condução com velocidade constante ou paradas e partidas frequentes), da velocidade média do veículo, etc.
Os caminhões variam muito em tamanho, potência e configuração; variedades menores podem ser mecanicamente semelhantes a alguns automóveis de passageiros. Esses veículos podem ser muito grandes e potentes, podendo ser configurados para ajustar equipamentos especializados, como no caso de caminhões de bombeiros e betoneiras e escavadeiras de sucção. Os caminhões modernos são em grande parte movidos por motores a diesel, embora existam caminhões de pequeno e médio porte com motores a gasolina nos EUA, Canadá e México. Os caminhões modernos são projetados para percorrer longas distâncias. Portanto, esses veículos devem ser equipados com caixas de câmbio muito confiáveis e duráveis.
A transmissão do caminhão é uma combinação de unidades inter-relacionadas, que ajudam a transmitir o torque do motor às rodas motrizes. Além disso, o valor do binário e a sua direcção podem ser alterados dependendo de outros factores. As transmissões de diferentes marcas e modelos de caminhões têm suas peculiaridades, que são determinadas por fatores como o número de eixos motrizes, características individuais de design do veículo, etc. As transmissões padrão de caminhões manuais incluem necessariamente componentes como embreagem, caixa de câmbio, eixo de transmissão, transferência caso.
Já o torque que é transmitido às rodas motrizes do caminhão por meio da transmissão é diretamente proporcional às relações de transmissão. As relações de transmissão são determinadas pelos engenheiros para cada veículo específico durante o processo de seu desenvolvimento. O valor do torque é determinado por características técnicas e dinâmicas, que deverão ser implementadas no modelo a ser desenvolvido.
Rastejando por áreas urbanas estreitas no trânsito com paradas e arrancadas frequentes, movendo-se através de marcas de pneus escavadas em um canteiro de obras enlameado ou passando por tarefas de coleta de lixo residencial – a aplicação direcionada de caminhões ou veículos comerciais Classe 6 a 8 pode definir requisitos específicos para caixas de câmbio em comparação com seus equivalentes rodoviários. No entanto, não interrompeu uma tendência geral de automação em camiões e veículos comerciais, que afetou especialmente as caixas de velocidades.
A caixa de velocidades manual foi testada durante décadas por milhões de camionistas comerciais, que consideram esta solução a solução mais adequada para camiões: as caixas de velocidades manuais são simples, relativamente baratas na produção e na manutenção e garantem um consumo de combustível reduzido. No entanto, as caixas de velocidades manuais têm uma desvantagem significativa, que pode ofuscar todos os méritos acima mencionados e provocar desagrado entre os condutores: a mudança manual de velocidades e as manipulações simultâneas com os pedais podem ser bastante problemáticas, especialmente no trânsito urbano. Não admira que hoje em dia os fabricantes de camiões, com as mais recentes tecnologias à sua disposição, procurem satisfazer as exigências dos condutores e tornar o processo de mudança de velocidades mais cómodo e à prova de falhas. De acordo com numerosos trabalhos de pesquisa, A América do Norte está a seguir a Europa na tendência de “shiftless-ness” à medida que as caixas de velocidades manuais automáticas e automatizadas continuam a ganhar popularidade no segmento de camiões comerciais. As razões incluem maior eficiência de combustível e recrutamento e produtividade mais fáceis de motoristas do que com manuais, juntamente com maior segurança.
Em caminhões pequenos você poderá encontrar caixas de câmbio manuais que se assemelham às soluções de mudança aplicadas em automóveis de passageiros. Eles geralmente têm aproximadamente seis marchas e geralmente possuem um sincronizador. Para estes caminhões, o padrão H simples é fácil de operar. No entanto, fica um pouco mais complicado quando se lida com caminhões maiores e veículos comerciais com mais marchas. Nestes caminhões maiores geralmente existem controles adicionais para ajudar a gerenciar o controle das diferentes marchas. Em caminhões mais antigos, o controle costuma ser uma alavanca separada montada no chão ou, mais recentemente, um interruptor pneumático montado na alavanca "H"; em caminhões mais novos, o controle geralmente é um interruptor elétrico montado na alavanca “H”. As caixas de câmbio multicontrole são construídas com potências muito mais altas, mas raramente usam sincronização. Existem várias alternativas comuns para o padrão de mudança – Range, Splitter, Range-Splitter. As caixas de câmbio manuais de caminhões atuais são mais comumente "divisoras de faixa".
As transmissões automáticas modernas apresentam diferenças significativas em relação aos seus antecessores, que eram usados em caminhões comerciais. A principal diferença está na quantidade de faixas de marcha e no próprio princípio de controle da transmissão do caminhão. A quantidade de marchas nas antigas caixas automáticas era limitada a 5, e o controle era feito com auxílio de sistema hidráulico. Hoje em dia, os fabricantes de transmissões oferecem caixas de câmbio automáticas com mais de 5 marchas, controladas eletronicamente. Além disso, as modernas caixas de velocidades automáticas estão equipadas com o bloqueio do conversor de binário.
A lista de vantagens das modernas caixas de câmbio automáticas para caminhões comerciais inclui um processo suave de mudança de marcha. O consumo de combustível nas estradas rurais é comparável ao nível de consumo ao utilizar a caixa de velocidades manual. A transmissão automática permite que o motorista conduza o caminhão com mais facilidade e segurança, prestando mais atenção à estrada e não se distraindo com as mudanças manuais de marcha. As principais desvantagens competitivas das caixas de velocidades automáticas para camiões comerciais são o aumento do consumo de combustível, a manutenção e os problemas de transmissão automática, resultando em serviços de reparação dispendiosos.
A transmissão manual automatizada (AMT) é considerada outra solução promissora de transmissão para caminhões e veículos comerciais. Os AMTs são semelhantes às transmissões manuais em termos de capacidades funcionais e princípios operacionais. Pode-se dizer que o AMT é quase igual à caixa de câmbio manual, mas inclui acionamentos servo e hidráulicos, que controlam o funcionamento da embreagem e o processo de troca de marchas. Os AMTs são notáveis por sua eficiência. Além disso, as transmissões automatizadas não são tão caras em manutenção e reparo quanto as transmissões automáticas, e o consumo de combustível das transmissões automatizadas é compatível com o nível das caixas de câmbio manuais (às vezes os AMTs podem economizar ainda mais combustível). Se os caminhões com caixas de câmbio automáticas são fáceis de usar, mas exigem despesas consideráveis com combustível e serviços, então os caminhões com AMTs revelam-se não apenas convenientes, mas também economicamente viáveis.
No entanto, deve-se notar que quando você muda uma caixa de câmbio manual ou AMT e engata a embreagem, o torque do motor é interrompido e a potência não é transferida do sistema de transmissão para as rodas. Em uma transmissão totalmente automática, o conversor de torque permite mudar as marchas da transmissão sem interromper o torque que vai do motor para as rodas.
Como as caixas de câmbio automáticas e as soluções AMT impulsionam gradualmente as opções de troca manual de marchas do mercado de transmissões para caminhões e veículos comerciais, analisaremos esses tipos de caixas de câmbio com mais detalhes.
A transmissão automática comum inclui conversor de torque, parte mecânica, sistema de controle e mecanismos auxiliares. O conversor de torque funciona como um mecanismo de transmissão hidráulica, no qual a potência é transferida pelo fluxo do ATF. O conversor de torque consiste no impulsor da bomba, no rotor da turbina e no starter. O mecanismo de travamento garante melhor economia de combustível. O conversor de binário proporciona a ligação entre o motor e a transmissão, reduz as cargas dinâmicas, evita a paragem do motor durante sobrecargas e aumenta o binário do motor ao arrancar parado e em condições de estrada difíceis.
As transmissões automáticas possuem 3 engrenagens planetárias e embreagens de fricção, que garantem o processo de troca de marchas da transmissão. O valor da relação de transmissão muda gradualmente sem interromper o fluxo de potência. A mudança de marcha é realizada pelo sistema de controle em modo automático. Muitos modelos de transmissões automáticas são equipados com retardador hidrodinâmico, que serve para desacelerar o veículo e reduzir o desgaste das pastilhas de freio. O retardador é normalmente instalado em transmissões automáticas de ônibus e máquinas e veículos que operam em áreas montanhosas. Unidades avançadas de controle eletrônico (ECU) de transmissões automáticas garantem alta adaptabilidade às condições da estrada e ao estilo de condução e permitem a implementação de funções adicionais. A pedido do cliente, a transmissão automática pode ser equipada com câmbio automático tipo botão ou alavanca.
A Allison Transmission, uma das maiores fabricantes mundiais de transmissões automáticas para caminhões e veículos comerciais, equipa suas soluções de transmissão com o sistema de diagnóstico de transmissão de caminhões denominado Prognostics, que permite ao motorista monitorar o estado dos principais componentes do veículo. A função Oil Life Filter controla o consumo de combustível, economizando combustível durante a condução e durante a marcha lenta do motor. A função Filter Life Monitor informa ao motorista sobre a necessidade de troca do filtro da transmissão. A função Transmission Health Monitor monitora o status dos circuitos de acionamento da transmissão e avisa o motorista sobre a necessidade de manutenção e reajuste em tempo hábil.
Hoje a Allison Transmission oferece uma ampla gama de soluções de transmissão para caminhões e veículos comerciais (modelos de transmissão das Séries 1000, 2000, 3000 e 4000). Outra solução de transmissão automática TC10 foi projetada por Allison para veículos de tração. As transmissões Allison da Série Torqmatic são usadas para ônibus. Os caminhões pesados, usados na indústria de mineração e construção, são frequentemente equipados com transmissões Allison das séries 5000, 6000, 8000 e 9000.
A Volvo, um conhecido fabricante de caminhões, também fornece soluções eficientes de transmissão automática, como a Powertronic. O Powertronic é uma transmissão automática totalmente de 6 velocidades com controle eletrônico, projetada para movimentos com operações freqüentes de parada e partida. A transmissão do caminhão Powertronic é equipada com conversor de torque para garantir alta força propulsiva na partida paralisada, sem interrupções no torque transmitido às rodas motrizes. Portanto, esta transmissão é uma opção ideal para caminhões Volvo que operam em canteiros de obras e no trânsito urbano.
A empresa Voith oferece a família de transmissões automáticas DIWA, destinadas a ônibus urbanos e suburbanos. A principal característica dessas transmissões automáticas é que o torque do motor é transmitido mecanicamente e também hidraulicamente. A partida da paralisação é realizada hidraulicamente e à medida que a velocidade do movimento aumenta a participação hidráulica é gradativamente substituída pela parte mecânica. Deve-se observar que a potência do motor é dividida antes do acionamento do conversor de torque e combinada posteriormente. Assim, o conversor de torque e duas engrenagens planetárias formam a 1ª engrenagem hidromecânica. Portanto, a transmissão DIWA opera com alta eficiência em uma ampla faixa de velocidades, garantindo partida suave a partir da paralisação e aceleração constante. Então, o sistema de transmissão aciona a transferência de torque puramente mecânica, que opera com menos perdas. O conversor de torque funciona simultaneamente como retardador hidráulico, o que garante o acionamento imediato do freio hidráulico independente da marcha engatada.
A alta eficiência desta transmissão é alcançada graças à combinação “conversor de torque diferencial”. Enquanto as transmissões automáticas comuns mudam de marcha 2 a 3 vezes na partida, a Voith DIWA continua usando a 1ª marcha – acionando simultaneamente o conversor de torque e as peças mecânicas da transmissão do caminhão. Portanto, um número menor de mudanças torna o movimento do ônibus mais suave e reduz o desgaste dos discos de fricção. O conversor de torque no DIWA está localizado no meio da caixa de câmbio, tal posicionamento ajudou a eliminar o excesso de tubos e mangueiras de conexão.
A empresa alemã ZF também oferece soluções de transmissão notáveis para camiões e veículos comerciais. Por exemplo, a transmissão automática de 6 velocidades ZF EcoLife destina-se a caminhões e ônibus. Esta transmissão possui um eficiente sistema de refrigeração, que permite operar em condições de temperatura mais severas quando a temperatura do óleo da transmissão no trocador de calor atinge até 120°C. Além disso, os engenheiros da ZF usaram aqui o conversor de torque com taxas de aceleração mais altas quando o parâmetro de RPM do motor é baixo. O amortecedor de vibração de torque integrado reduz o consumo de combustível ao partir parado, por meio da desativação rápida do bloqueio do conversor de torque.
Outra transmissão automática de 6 velocidades ZF-PowerLine, destinada a veículos comerciais leves, destaca-se pela economia de combustível graças a um avançado conversor de torque. Deve-se notar que o conversor de torque da transmissão automática nas caixas de câmbio ZF é utilizado no início do movimento e para de funcionar quando o carro acelera até a velocidade de 10-15 km/h. neste caso não há necessidade de utilização da 1ª marcha “prolongada”. A família de transmissões ZF Ecomat foi projetada especificamente para ônibus urbanos e veículos para fins especiais.
Hoje, a eletrônica desempenha um papel importante no controle de diferentes sistemas implementados em caminhões. Atualmente, o microprocessador regula o funcionamento não só da ignição do motor, mas também da embreagem e da caixa de câmbio. A principal vantagem do controle eletrônico sobre as opções mecânica, hidráulica ou pneumática é a melhor capacidade de resposta e a possibilidade de combinar um grande número de parâmetros. Diferentes modos de operação podem ser alterados reconfigurando o software, em vez de fazer alterações no projeto da transmissão. Assim, a eletrónica garante um funcionamento mais económico do veículo e uma experiência de condução mais segura. Portanto, cada vez mais caminhões (especialmente caminhões pesados) estão equipados com transmissões manuais automatizadas. Muitas pessoas confundem esse tipo de transmissão com a solução de troca automática de marchas, mas as transmissões automáticas, ao contrário da AMT, possuem conversores de torque.
O projeto da transmissão automatizada pode incluir um acionamento eletromecânico, eletropneumático ou eletro-hidráulico, que converte os sinais recebidos da unidade de controle eletrônico (ECU) em um deslocamento angular do garfo da embreagem. O próprio AMT possui o eletromotor com servo acionamento, que movimenta o garfo da embreagem. Esta solução técnica aparentemente simples é controlada pelo complicado software, que processa os sinais da alavanca do joystick, localizada na cabine do caminhão, quando o motorista muda de marcha. Portanto, existem apenas dois pedais na cabine do caminhão equipado com AMT – acelerador e freio. Essa transmissão para caminhões surgiu no final da década de 90 e inicialmente essa tecnologia foi percebida pelos motoristas com desconfiança. Além disso, naquela época, as transmissões automatizadas eram significativamente mais caras do que as transmissões manuais. Mas hoje em dia, com o desenvolvimento de tecnologias mais avançadas e económicas, cada vez mais camiões estão equipados com transmissões automatizadas. A Eaton foi a primeira empresa no mercado de transmissões automatizadas com a sua transmissão AutoShift lançada na década de 90. Desde então, o portfólio de produtos da Eaton foi complementado com um UltraShift de médio porte de 6 velocidades e UltraShift Plus pesado de 10, 11, 13 e 18 velocidades.
A transmissão mecânica automatizada (AMT) está ganhando popularidade na indústria automotiva, devido à combinação das vantagens das transmissões mecânicas e das transmissões automáticas em termos de consumo de combustível, baixo custo, maior conforto de condução e qualidade de troca de marchas. Hoje em dia, as transmissões manuais automatizadas para caminhões são produzidas por uma ampla gama de empresas: ZF, Volvo, Daimler AG, Eaton, Mack, Detroit Diesel, Mercedes, Man, etc.
A Volvo Trucks oferece a transmissão manual automatizada de 6 velocidades I-Sync, destinada aos caminhões Volvo FL. Esta transmissão de caminhão foi especialmente projetada para o motor D7 e para circular em ruas urbanas e áreas suburbanas. O acionamento eletro-hidráulico garante mudanças de marcha suaves ao dirigir em trânsito urbano denso com paradas frequentes . A transmissão I-Sync está disponível em duas versões – para motor D5K e para motor D8K. A alavanca, montada atrás do volante, permite ao motorista selecionar o modo de troca de marchas manual ou automática. Não há pedal de embreagem em caminhões com transmissão I-Sync – a troca manual de marchas é realizada com o auxílio da alavanca citada. No modo automático, a transmissão I-Sync muda de marcha de forma independente em um momento bem escolhido. A capacidade de torque desta transmissão pode chegar a 1.050 Nm, tornando a transmissão I-Sync uma opção ideal para caminhões que operam em áreas urbanas.
Outra solução AMT bem conhecida desenvolvida pela Volvo Trucks é a transmissão I-Shift. Esta transmissão é baseada em uma caixa manual de malha constante. O principal componente desta transmissão “inteligente” é a unidade de controle eletrônico (ECU), que controla o funcionamento da embreagem da transmissão e o processo de mudança de marcha. A ECU muda de marcha com muita precisão graças à análise de dados sobre velocidade do caminhão, peso, torque necessário, inclinação da estrada e outros parâmetros. O sistema também troca dados com o motor, que, por sua vez, regula a taxa de RPM e a travagem do motor para obter a máxima eficiência. Esta solução de transmissão foi projetada para economizar até 5% de combustível. Esta transmissão automatizada pode ter uma ou duas marchas redutoras de velocidade, bem como a opção com marchas à ré adicionais. As engrenagens redutoras de velocidade melhoram significativamente a capacidade de arranque a partir de uma paragem, reduzem a carga na embraiagem para 75% e ajudam a evitar serviços de reparação adicionais.
A Mack Trucks oferece transmissões automatizadas mDrive (12 velocidades) e mDrive HD (variantes de 13 e 14 velocidades) destinadas a diferentes modelos de caminhões Mack.
As transmissões de caminhões Mack são desenvolvidas para operar suavemente com motores e eixos Mack MP, portanto não há problemas de compatibilidade ou desempenho. Com materiais duráveis, operação simples e fabricação americana, essas soluções de transmissão garantem não apenas trocas de marcha eficientes, mas também economia de combustível, desgaste reduzido e experiência de direção conveniente.
A Detroit Diesel Corporation, uma subsidiária da Daimler Trucks North America (de propriedade integral da alemã Daimler AG), oferece transmissão manual automatizada DT12 destinada a caminhões pesados. Esta transmissão de caminhão garante desempenho de mudança de marcha suave, durabilidade e facilidade de operação.
A transmissão DT12 liga o motor aos eixos e se comunica com o DD13 e o DD15 em uma rede eletrônica integrada para compartilhar dados de redução de danos, como sobrecarga da embreagem da transmissão e proteção da transmissão. O DT12 utiliza informações de um mapa topográfico para manipular as funções do motor e da caixa de câmbio, aproveitando o entorno do caminhão.
A família de transmissões automatizadas Mercedes-Benz PowerShift inclui diversos modelos de transmissões. O processo de mudança de marcha em caminhões equipados com PowerShift de 12 velocidades é implementado de forma rápida e suave. Esta transmissão possui um modo de “manobra” e engrenagens para o tráfego da linha principal em altas velocidades e baixo nível de RPM. Os caminhões de transporte em linha Mercedes-Benz Actros estão equipados com uma versão atualizada do PowerShift 2. Graças ao uso do avançado sistema de sensores, as marchas são trocadas de forma mais rápida e suave. Os caminhões de construção Mercedes-Benz Actros são equipados com o AMT PowerShift Off-road de 12 marchas, que conta com diversos modos de operação e 4 marchas à ré. O design desta caixa de velocidades também inclui um sensor de inclinação e um avançado sistema de arranque suave a partir da paralisação. O AMT PowerShift GO 240-8 de 8 velocidades é instalado nos autocarros turísticos Mercedes-Benz Travego e Tourismo.
A MAN Nutzfahrzeuge Gruppe produz transmissões automatizadas TipMatic, que criam uma síntese perfeita de conforto e eficiência. A transmissão TipMatic de 12 velocidades com modo “off-road” e 2 marchas à ré foi projetada para caminhões pesados TGX e TGS.
Esta transmissão automatizada pode ter uma marcha direta ou overdrive. Os modos de operação são selecionados com a ajuda do seletor no console central, enquanto as marchas são trocadas por meio do seletor de subdireção. A transmissão TipMatic pode ser equipada com o retardador MAN PriTarder ou com o intarder ZF. A pedido, o TipMatic pode ser equipado com programas de controle especiais: Profi (modo de mudança manual kick-down), Fleet (para motoristas inexperientes).
Apesar de cada vez mais fabricantes de caminhões preferirem instalar transmissões automáticas ou automatizadas em seus produtos, as transmissões manuais ainda têm participação significativa no segmento de caminhões comerciais. Ainda existem muitos admiradores de soluções de transmissão manual confiáveis e com preços razoáveis, que gostam de se encarregar do processo de troca de marchas com a ajuda do câmbio manual do caminhão. As transmissões de dez marchas continuam sendo o tipo manual mais comum para caminhões rodoviários pesados, embora as caixas de 13 e 18 marchas sejam populares entre os motoristas de caminhões de longa distância e sejam comumente aplicadas com motores de alta potência. Os caminhões usados na construção e outras vocações tendem a ter caixas de câmbio “low-low” de 11 velocidades com três faixas de relação, em vez das duas nas transmissões rodoviárias. Empresas conhecidas como Eaton, ZF e Volvo não desistem das opções de transmissão manual para caminhões e veículos comerciais. A adoção de transmissões totalmente automáticas e AMTs em caminhões tem sido impulsionada em grande parte pelas demandas dos motoristas por conforto e conveniência, bem como por questões de segurança. Portanto, é difícil fazer previsões precisas para uma indústria de alta tecnologia, onde as empresas colocaram um grande esforço e recursos financeiros significativos para desenvolver soluções técnicas extremamente complicadas que há 10 ou 15 anos pareciam incríveis. Quem sabe num futuro não tão distante todas as operações comerciais serão realizadas por caminhões autônomos.