Transeixos de motor elétrico: guia de projeto, seleção e manutenção

O que uma transmissão com motor elétrico realmente combina

Um transmissão de motor elétrico integra três funções que antes exigiam componentes separados em uma única carcaça: o motor elétrico, a engrenagem de redução e o diferencial que divide a potência entre as duas rodas motrizes. Em um veículo convencional a gasolina, o motor, a transmissão e o diferencial do eixo são normalmente conjuntos distintos conectados por eixos de transmissão. Num veículo eléctrico construído em torno de uma transmissão, tudo isto reside numa unidade compacta montada directamente no eixo, razão pela qual o design se tornou a arquitectura padrão para a maioria dos carros eléctricos, muitos veículos híbridos e um número crescente de carrinhos de golfe eléctricos, empilhadores e veículos utilitários ligeiros.

Esta consolidação é importante porque os motores elétricos se comportam de forma muito diferente dos motores de combustão interna. Um motor elétrico produz torque total quase instantaneamente a partir de uma paralisação e pode girar com segurança a RPM muito mais altas do que um motor a pistão, o que significa que a engrenagem necessária para traduzir a potência do motor em velocidade útil da roda e torque parece completamente diferente de uma transmissão tradicional de múltiplas velocidades. A maioria das transmissões elétricas usa uma única relação de transmissão fixa em vez de várias marchas selecionáveis, uma vez que a ampla faixa de torque do motor torna a mudança praticamente desnecessária para a condução diária.

Componentes principais dentro da caixa

A abertura de uma transmissão elétrica típica revela um conjunto bastante compacto de peças trabalhando juntas em uma caixa compartilhada. O motor elétrico fica em uma extremidade, geralmente um motor síncrono de ímã permanente ou um motor de indução, dependendo das prioridades de projeto do fabricante em relação à eficiência, custo e desempenho de alta velocidade. Anexado ao eixo de saída do motor está um conjunto de engrenagens de redução, mais comumente um trem de engrenagens helicoidais de dois ou três estágios, embora alguns projetos usem conjuntos de engrenagens planetárias para uma pegada mais compacta.

Da engrenagem de redução, a potência flui para um diferencial aberto ou de deslizamento limitado, que permite que as duas rodas motrizes girem em velocidades diferentes durante as curvas, enquanto ainda recebem potência do único motor. Em torno de tudo isso está um sistema de lubrificação, geralmente um sistema alimentado por bomba de baixa pressão ou por respingo, usando um fluido de transmissão específico formulado para lidar com a lubrificação das engrenagens e, em muitos projetos, também com algum grau de resfriamento do motor.

Principais subsistemas a conhecer

• Motor de acionamento elétrico, de ímã permanente ou de indução
• Trem de engrenagens de redução de relação fixa, normalmente helicoidal ou planetário
• Unidade diferencial aberta ou de deslizamento limitado
• Circuito integrado de lubrificação e refrigeração
• Conjuntos de rolamentos vedados que suportam o motor e os eixos de saída

Design de velocidade única e por que raramente são necessárias múltiplas engrenagens

Uma das perguntas mais comuns das pessoas que transitam de veículos de combustão é por que as transmissões elétricas quase nunca incluem uma transmissão de múltiplas velocidades. A resposta está na forma das curvas de torque e potência de um motor elétrico. Um motor a gasolina só produz um torque forte dentro de uma faixa estreita de RPM, e é por isso que existem múltiplas marchas para manter o motor operando perto desse ponto ideal em uma ampla faixa de velocidades do veículo. Os motores elétricos, por outro lado, fornecem torque quase máximo a partir de zero RPM e mantêm a potência útil em uma faixa de velocidade muito mais ampla, geralmente até 15.000 ou até 20.000 RPM em alguns projetos.

Por causa disso, uma relação de transmissão única e cuidadosamente escolhida pode cobrir um desempenho aceitável desde uma partida parada até velocidades de rodovia, sem o peso, o custo e a complexidade mecânica adicionais dos mecanismos de mudança. Alguns veículos elétricos de alto desempenho utilizam transmissões de duas velocidades para melhorar a aceleração em baixa velocidade ou a eficiência em velocidade máxima, mas isso continua sendo a exceção e não a regra em todo o mercado mais amplo.

Selecionando a transmissão certa para uma aplicação em veículo

A escolha de uma transmissão com motor elétrico para um projeto de veículo novo ou um projeto de conversão requer a correspondência de diversas especificações com o caso de uso pretendido, em vez de simplesmente escolher a opção de maior potência disponível. A classificação de potência contínua é mais importante do que a potência de pico para aplicações sustentadas, como cruzeiro ou reboque em rodovias, uma vez que uma transmissão que só consegue sustentar sua potência nominal por alguns segundos antes do estrangulamento térmico irá decepcionar no uso no mundo real, mesmo que seu número de pico pareça impressionante no papel.

A seleção da relação de transmissão deve ser baseada na velocidade máxima desejada e nas características de aceleração desejadas, uma vez que uma relação de transmissão final mais curta melhora a aceleração e a capacidade de subida de colinas ao custo de uma velocidade máxima mais baixa e uma eficiência rodoviária ligeiramente reduzida, enquanto uma relação mais alta faz o oposto. Os compradores também devem confirmar se o tipo de diferencial é adequado à sua aplicação; um diferencial aberto é adequado para uso típico de passageiros, mas veículos de desempenho ou aplicações off-road se beneficiam de um diferencial de deslizamento limitado ou controlado eletronicamente que gerencia melhor o fornecimento de potência quando uma roda perde tração.

Especificações principais para comparar

Estratégias de resfriamento e seu impacto na confiabilidade

O gerenciamento de calor dentro de uma transmissão elétrica afeta diretamente a consistência do desempenho e a confiabilidade a longo prazo. Projetos refrigerados a ar, comuns em aplicações de baixa potência, como carrinhos de golfe e veículos utilitários leves, dependem do fluxo de ar através de carcaças com aletas e são simples e de baixa manutenção, mas limitados na quantidade de energia sustentada que podem dissipar antes que o desempenho diminua gradualmente. Os projetos refrigerados a líquido circulam o líquido refrigerante através dos canais ao redor do estator do motor e, às vezes, através da própria caixa de engrenagens, permitindo operação sustentada de alta potência sem o estrangulamento térmico que assola as unidades resfriadas a ar sob cargas pesadas ou prolongadas.

Algumas transmissões de alto desempenho usam resfriamento à base de óleo que circula o mesmo fluido usado para a lubrificação das engrenagens diretamente através ou ao redor dos enrolamentos do motor, o que oferece uma transferência de calor eficiente, mas exige uma seleção cuidadosa do fluido, uma vez que o óleo deve satisfazer simultaneamente os requisitos de isolamento elétrico do motor e as necessidades de lubrificação de extrema pressão do trem de engrenagens. Os compradores que avaliam transmissões para aplicações exigentes, como veículos de entrega comercial ou veículos de desempenho, devem perguntar especificamente sobre classificações de potência sustentadas em temperaturas operacionais realistas, em vez de confiar apenas nos valores de pico de partida a frio de uma folha de especificações.

Considerações de instalação para conversões e novas construções

Para engenheiros que trabalham em conversões de veículos elétricos ou na construção de veículos personalizados de baixo volume, a montagem de uma transmissão elétrica requer atenção a vários detalhes além de simplesmente aparafusá-la no lugar. Os pontos de montagem devem ser projetados para lidar com o fornecimento instantâneo de torque de um motor elétrico, que pode causar picos de tensão mais elevados nos suportes do que um motor a gasolina comparável que aumenta o torque de forma mais gradual. Suportes rígidos ou mal projetados podem transmitir vibração e ruído excessivos para a cabine, por isso muitos fabricantes especificam suportes hidráulicos ou elastoméricos ajustados especificamente para características do trem de força elétrico.

A seleção do semieixo também merece atenção cuidadosa, uma vez que as juntas homocinéticas que conectam a transmissão aos cubos das rodas devem ser classificadas para os picos instantâneos de torque que um motor elétrico pode fornecer, especialmente durante aceleração agressiva a partir da paralisação. Usar semieixos classificados apenas para saída de torque médio em vez de torque máximo é uma causa comum de falha prematura da junta homocinética em veículos convertidos.

Lista de verificação antes da instalação final

• Confirme se os pontos de montagem estão classificados para fornecimento instantâneo de torque, não apenas para peso estático
• Verifique se a classificação de torque do semieixo excede o pico de saída da transmissão
• Verifique o roteamento da linha de refrigeração quanto a dobras ou raio de curvatura excessivo
• Certifique-se de que a fiação do sensor de posição do motor esteja protegida contra interferência de cabos de alta tensão
• Confirme se os níveis de enchimento de fluido e o tipo correspondem exatamente às especificações do fabricante

Práticas de manutenção que prolongam a vida útil

As transmissões com motor elétrico requerem muito menos manutenção de rotina do que uma combinação tradicional de motor e transmissão, mas não são totalmente isentas de manutenção. O óleo da engrenagem deve ser inspecionado e trocado de acordo com o cronograma do fabricante, pois mesmo um sistema vedado pode acumular partículas metálicas provenientes do desgaste normal da engrenagem ao longo do tempo, e o fluido degradado perde sua capacidade de proteger as engrenagens e, em projetos resfriados a óleo, os próprios enrolamentos do motor.

Os sistemas de refrigeração em transmissões refrigeradas a líquido precisam de inspeção periódica quanto a vazamentos, concentração adequada de refrigerante e fluxo de ar limpo através do radiador associado, uma vez que um sistema de refrigeração que perde silenciosamente a eficácia pode levar à degradação gradual do motor muito antes de ocorrer qualquer falha dramática. As vedações dos rolamentos também devem ser verificadas periodicamente quanto a sinais de vazamento, uma vez que uma falha na vedação, permitindo o escape do óleo da engrenagem ou a entrada de contaminantes, pode levar rapidamente ao desgaste acelerado em toda a unidade.

Os proprietários e gestores de frotas devem manter um registo de manutenção simples, monitorizando alterações de fluidos, reabastecimentos de líquido refrigerante e qualquer ruído ou vibração incomum relatados pelos motoristas, uma vez que os problemas da transmissão elétrica muitas vezes se anunciam através de mudanças sutis no som ou na suavidade, muito antes de ocorrer uma falha catastrófica. Detectar estes primeiros sinais durante os intervalos de manutenção de rotina é muito menos dispendioso do que substituir uma unidade danificada após uma falha completa.

Combinando uma Transaxle com seu caso de uso específico

Em última análise, a melhor transmissão de motor elétrico para qualquer projeto depende da combinação de potência contínua, torque, relação de transmissão e capacidade de resfriamento com as demandas reais do veículo em questão, em vez de buscar o valor de potência de pico mais alto disponível. Um veículo utilitário de baixa velocidade ou carrinho de golfe se beneficia de uma unidade simples, refrigerada a ar e de baixo consumo de energia que minimiza custos e complexidade, enquanto um veículo de entrega comercial ou construção voltada para o desempenho precisa de uma unidade refrigerada a líquido com uma potência sustentada que reflita as condições reais de operação, em vez de breves picos de bancada de testes.

Compradores e engenheiros devem solicitar fichas técnicas completas cobrindo potência contínua e de pico, curvas de torque em toda a faixa de RPM, especificações diferenciais e detalhes do sistema de refrigeração antes de se comprometerem com uma transmissão específica, e devem comparar esses números diretamente com as demandas da aplicação pretendida, em vez de confiar apenas em resumos de marketing.