Conversor de torque, o integrante do sistema de transmissão automática

O conversor de torque trabalha para que todo o sistema funcione de maneira perfeita

Sempre pensamos no conversor de torque como uma abóbora mágica que se esconde entre o motor e a transmissão, afinal, esta é uma área da transmissão em que raramente vamos inspecionar. Algumas vezes encontramos um temido código de falha de Lock Up ou reclamações, por parte do usuário, de dirigibilidade.

Este é o ponto onde o jogo de culpas começa. Será o conversor?

Ou será algum controle do conversor, como os solenoides, válvulas, o TCM/PCM?

Ou será algum vazamento através de alguma bucha ou vedador?

Pode ser qualquer um destes itens e, portanto, neste caso é que entra o conhecimento em jogo. Este é o propósito desta matéria, ajudar o técnico a definir qual é o problema real.

Funcionamento básico

Antes de avançar na análise dos problemas, projetos, falhas e causas, é importante entender como o conversor de torque opera. Eis aqui algumas explicações. Primeiro e mais importante, entendemos que, a não ser quando a embreagem do Lock Up está aplicada, o fluido realiza todo o trabalho no conversor de torque. Conforme mostrado na figura 2, o impulsor (bomba do conversor), que está ligado ao eixo de manivelas do motor, gira e então transfere a energia rotacional do impulsor ao fluido, sendo que o impulsor “estilinga” o fluido para a turbina. A turbina é conectada ao eixo de entrada da transmissão e recebe torque daquela força. As palhetas da turbina absorvem a força do fluido, e qualquer energia remanescente que se perde é direcionada ao estator.

Durante a multiplicação de torque, o estator, que está “travado” redireciona este fluido de volta para o impulsor na mesma direção da rotação do motor. Este é fundamentalmente o principio de funcionamento do conversor e da multiplicação de torque.

Figura 2 – Da esquerda para a direita: Tampa, pistão, turbina, estator e impulsor

O fluido viaja rapidamente em um fluxo de vortex onde se move do impulsor para a turbina, passando pelo estator, e de volta para o impulsor. O momentum do fluido redirecionado pelo estator ajuda o impulsor (leia-se motor) a girar mais. Não é uma analogia perfeita, mas é como andar de bicicleta com o vento nas costas, ou seja, você anda um pouco mais rápido.

Quando o impulsor (rotação do motor) e a turbina (rotação do eixo de entrada do câmbio) estão aproximadamente na mesma velocidade, o conversor de torque entra na “fase de acoplamento” e o fluido age mais como um “fluxo rotativo”. Durante esta condição, a energia do fluido proveniente da turbina atinge a parte traseira das lâminas do estator, o que faz o estator começar a girar a fim de evitar que as lâminas freiem o fluido contra a rotação do impulsor. Eis o porquê do estator possuir uma roda livre (embreagem de uma via), para permitir que o estator trave durante a fase de multiplicação de torque e gire livremente quando o veículo se encontra em velocidade de cruzeiro.

Figura 3 – Fluxo do fluido durante a multiplicação de torque

Brasagem para maior eficiência

No decorrer dos anos, os conversores sofreram algumas modificações. Os fabricantes estão tornando os conversores mais leves para reduzir a massa em movimento e melhorar a economia de combustível. Muitos conversores utilizados em transmissões de tração dianteira utilizam um projeto elíptico, conforme mostra a figura 3. Este formato é usualmente chamado de “formato panqueca”. Ele permite uma carcaça do conversor de torque menor e mais espaço na transmissão para engrenagens e embreagens adicionais- é necessário apertar estas novas transmissões de 10 marchas de alguma maneira.

Figura 4 – Transmissão 41TE à esquerda e 62TE à direita

Alguns conversores utilizam conjuntos de turbinas brasadas onde as palhetas são brasadas na carcaça. As turbinas que têm as palhetas fixas por processo de brasagem são mais resistentes. Isso porque elas possuem menor descentralização lateral e são mais eficientes. Em uma turbina não brasada, as palhetas são crimpadas através de reentrâncias na carcaça do conversor. A figura 4 mostra a diferença entre uma turbina brasada e uma turbina crimpada, lado a lado. As reentrâncias nas turbinas crimpadas não são precisas, e assim existem folgas relativamente grandes ao redor da crimpagem, como podemos observar na figura 5. Estas reentrâncias permitem que o fluido passe através delas, o que reduz a eficiência do conversor. Ademais, conforme podemos imaginar, este desenho não é estruturalmente rígido como uma turbina brasada. Podemos dizer que o fluido que vaza através da turbina, que é chamado de “lavagem” se torna um fator de perda de energia e pode aumentar o calor gerado pelo conversor.

Condução de calor:

O conversor de torque é a fonte principal de calor gerado em uma transmissão automática. Um conversor operando em stall (rotação máxima do motor X rotação da turbina) gera uma grande quantidade de calor, e um conversor em que o lock up está totalmente aplicado gera uma quantidade de calor mínima.

Figura 5 – Turbina crimpada a esquerda e brasada a direita

Figura 6 – Aberturas na turbina de um conversor crimpado. O fluido que vaza através destas aberturas é chamado de “lavagem” e reduz sua eficiência.

É comum nos conversores de torque modernos o Lock up estar parcialmente aplicado já na 2ª marcha (e às vezes até em primeira). Uma vez aplicado, o Lock up pode não desaplicar totalmente até que o veículo esteja completamente parado ou operando sobre carga muito alta. Isto é especialmente verdade no caso das transmissões CVT. A programação do TCM mantém o Lock up aplicado tanto quanto possível para aumentar a economia de combustível. Isto é possível através de um programa sofisticado de controle do conversor e de materiais de fricção melhorados. Observando a tela do osciloscópio no caso de um veículo HONDA de 10 marchas (figura 7), podemos ver que ele aplica totalmente o Lock up a 20 km/h em 3ª marcha. Começa a aplicar em 2ª marcha a 15 km/h. Uma vez aplicado, perceba que nunca desaplica durante o teste.

Figura 7 – Dados do escâner mostrando a aplicação do lock up em uma transmissão HONDA 10 marchas. O Lock Up começa a aplicar a 15 km/h em segunda marcha e aplica totalmente a 25 km/h.

Roxo – rotação do motor
Marrom – rotação do eixo de entrada
Verde – velocidade do veículo
Vermelho marcha aplicada- Azul – comando do lock up

Como nota suplementar, em alguns conversores tais como o da transmissão 6L80, a baixa velocidade e baixa RPM do Lock Up junto com a desativação do cilindro pode causar um stress adicional no material de fricção da cinta e nas molas de amortecimento/retentores das molas. As molas de amortecimento geram trincas nas janelas de apoio das molas. Existe uma placa atualizada de retenção das molas porque este problema ocorre muito frequentemente nos conversores.

O material utilizado nas cintas do Lock Up costuma ser de papel (celulose) ou material de carbono. Vamos ver como estes dois materiais se portam com o calor. Utilizando um multímetro, podemos perceber que a cinta de carbono possui uma resistência muito baixa entre o material e a tampa do conversor (metálica), indicando que ela age como um condutor. Ao passo que a cinta de celulose (papel ou compósito) tem resistência infinita entre o material e carcaça do conversor, indicando que ela é um isolante. A cinta de carbono, agindo como condutor, pode transferir melhor o calor para a tampa que o material de papel, que age como isolante. Embora a condução térmica e elétrica não sigam as mesmas regras, aprendemos que o material de carbono pode se comportar melhor na condução do calor que o material de compósito. As cintas de carbono são trançadas de maneira que permitam que o movimento do fluido entre as fibras mesmo quando o Lock Up está aplicado. O movimento do fluido ajuda na remoção do calor. O problema com as cintas de carbono é que, embora elas lidem muito bem com o calor, não suportam muito impacto. O carbono é sensível á contatos irregulares e podem fraturar mais facilmente. Por exemplo, com o conversor da transmissão 6L80 sob carga, as orelhas de fixação do flexplate podem defletir (devido à tampa ser muito fina) e causar pontos altos onde o material de fricção toca a carcaça. Os pontos altos causam stress na fibra de carbono e com o tempo ela irá fraturar ocasionando falha do material.

Figura 8 – Material de fricção de compósito e fibra de carbono

Existe uma grande variedade de conversores que utilizam cinta de material de fricção de compósito (papel). Estes conversores trabalham com cavidades e cortes no material de fricção para amplo fluxo de fluido para mantê-los resfriados. Na figura 8, podemos ver os cortes de alivio do fluido para permitir um fluxo constante de óleo passando pela cinta e que ajuda a reduzir o calor durante a aplicação parcial da embreagem do Lock Up.

Duas passagens/três passagens

Existem dois projetos principais de conversores de torque baseado em seus circuitos de fluido. Num conversor de torque com dois dutos, há uma passagem de “aplicação” e uma passagem de “liberação”. Os nomes se referem ao estado do conversor de torque. O fluido entra no conversor através da passagem de “aplicação” quando o Lock Up está sendo aplicado (figura 9). O fluido entra por trás da turbina através da passagem de “liberação” quando o Lock Up é liberado.

Figura 9 – Fluxo de fluido num conversor de 2 passagens fluindo no modo de liberação. O fluido entra no conversor através do eixo de entrada e passa entre o pistão do Lock Up (turbina) e a tampa.

Figura 10 – Fluxo de fluido num conversor de 2 passagens fluindo no modo de aplicação. O fluido entra por trás da turbina aplicando o pistão

Quando o fluido entra na passagem de liberação, ele é dirigido através da ponta do eixo de entrada a viaja através do conversor entre a tampa do conversor e o pistão do Lock Up. Desde que o fluido está viajando através do pistão e da tampa, ele empurra o pistão para longe da tampa do conversor, o qual o libera.

Figura 11 – Pistão de conversor com 29,2 cm de diâmetro, com um furo de 6,35 cm no centro. Isto gera uma força de 11,5 kgf com uma pressão de aplicação de 115 psi.

O oposto acontece durante a aplicação do Lock Up revertendo o fluxo de fluido. Ele entra no conversor de torque através da passagem de aplicação, por trás da turbina, e o fluido é drenado através da ponta do eixo de entrada (figura 10). A pressão no lado da turbina do pistão do lock up força o pistão contra a tampa e a cinta de material de fricção veda o circuito contra a tampa. A pressão do conversor está presente em toda a superfície do pistão do lock up e a força gerada é que aplica a embreagem do conversor contra a tampa.

Baseado na figura 11 nota-se que para aplicação total deste pistão serão necessárias 11.500 libras de força. O bastante para erguer dois caminhões médios! Lembre-se disso para uma análise posterior.

Figura 12 –Embreagem cativa de 3 passagens de uma transmissão HONDA de 10 marchas, com o furo de aplicação identificado.

Como podemos deduzir, os conversores de 3 passagens possuem um circuito de óleo adicional. Muitos conversores de 3 passagens utilizam dois circuitos de óleo para ciclar o fluido através do conversor de torque. Usualmente, a terceira passagem é para aplicação dedicada do pistão do Lock Up do conversor. (figura 12). Este tipo de conversor de 3 passagens utiliza uma embreagem de Lock Up com múltiplos discos e um circuito hidráulico de controle mais complicado. Desde que o conversor está sempre carregado com pressão, a pressão de aplicação do pistão do Lock Up precisa ser maior que a pressão de carregamento para que ele seja aplicado. A força de sobrepujamento nos conjuntos de embreagens é determinada pela diferença entre a pressão de carregamento e a pressão de aplicação do Lock Up, multiplicada pela área da superfície.

Exemplos de conversores de 3 passagens incluem o Mercedes 722.6/NAG, Ford 6R140, HONDA 6 e 10 velocidades, e a transmissão ZF 8HP.

Pistão flutuante e embreagem cativa

Os conversores podem também ser classificados pelo seu projeto. Desde a década de 1980, muitos conversores utilizam um desenho de “pistão flutuante”, onde o pistão do Lock Up é basicamente um grande disco amortecido que é ligado por estrias no cubo da turbina. Conforme mencionamos, o pistão flutua para frente e para trás dependendo da direção do fluxo de óleo. Estes conversores são basicamente conversores de duas passagens onde a válvula de controle do Lock Up simplesmente reverte a direção do fluxo de óleo forçando o pistão a aplicar ou desaplicar o Lock Up. Embora o projeto de duas passagens seja mais comum, o projeto de pistão flutuante pode ser também de três passagens, como muitas unidades HONDA, onde a terceira passagem é responsável por controlar a quantidade de pressão existente entre a tampa e o pistão.

Figura 13 – Encaixe da carcaça da embreagem 6R140 onde os discos de aço gastaram as estrias

Figura 14 –Tampa do conversor com a carcaça do pistão soldada, onde a solda cisalhou

Um outro projeto de conversor que está ganhando popularidade é o conversor com “embreagem cativa”. Este projeto utiliza múltiplos discos ou superfícies de embreagens para aumentar a capacidade de agarramento. Muitos destes projetos utilizam um pistão separado localizado na tampa frontal. Este tipo de embreagem cativa é bastante sujeito a vazamentos cruzados. Quando a embreagem está liberada, qualquer pressão que possa vazar no circuito da embreagem pode, através da força centrífuga, causar aumento de pressão e começar a aplicar o conjunto da embreagem. Esta aplicação parcial da embreagem do Lock Up pode “matar” parcialmente o motor, que é quando a embreagem arrasta o motor e diminui sua rotação principalmente quando o veículo está parado. O usuário do automóvel observará isso quando o veiculo começar a pular, balançar ou mesmo mostrar uma marcha lenta irregular, ameaçando apagar. Estes problemas podem se tornar mais aparentes quando a transmissão aquece e seus componentes se expandem, afinando o fluido e aumentando as chances de vazamentos cruzados.

Figura 15 – Inspecionando deformações no pistão do Lock Up com auxilio do Plastigage

Figura 16 – Deformação do pistão de uma transmissão 6F50 com o auxilio de Plastigage

Outros problemas que os projetos de embreagem cativa apresentam incluem pistões trincados, estrias de placas gastas, ou mesmo uma carcaça de embreagem danificada, como vemos no conversor da transmissão 6R140. Nas figuras 13 e 14, não somente o conversor, discos metálicos gastos em suas estrias, como também as soldas da carcaça central se quebraram permitindo que o fluido de aplicação e liberação se misturarem, evitando a aplicação do Lock Up. Como nota positiva, a embreagem cativa de 3 passagens pode ser testada com ar comprimido como qualquer embreagem de uma transmissão convencional, sendo que o reparador pode verificar a qualidade de aplicação da embreagem na bancada mesmo!

Fatos interessantes

Alguns pistões de conversores são projetados com uma conicidade de 1 a 3 graus onde o material de fricção contata a tampa. Este ângulo existe para permitir que o material de fricção assente por igual na tampa do conversor quando sua aplicação é feita com pressão total. Pode-se perceber esta conicidade ao aplicar Plastigage na superfície de assentamento da cinta do Lock Up, conforme as figuras 15 e 16 mostram. Isto é particularmente verdade em conversores que utilizam fibra de carbono em sua cinta.

Fazendo-se a mesma experiência em conversores que tem como material de cinta o papel (compósito), esta conicidade não existe. (Figura 17).

Figura 17 – Transmissão 42TE – nenhuma conicidade com material de compósito (papel)

Então, por que isto importa? Bem, podemos imaginar o que aconteceria quando o conversor não é alimentado com a pressão correta. Se a pressão for muito baixa com um pistão que tenha conicidade e o pistão não defletir como planejado, e somente a porção externa da cinta de fricção contatar a tampa, fará com que o pistão patine, superaqueça, queime a falhe. Por outro lado, excesso de pressão de aplicação fará com que o pistão continue a defletir e contate primeiramente a porção interna da cinta de fricção, causando patinação, superaquecimento, queima e falha da cinta.

Lista de pontos a serem diagnosticados:

As áreas a serem inspecionadas quando se fizer um diagnóstico do conversor de torque e códigos de falha de Lock Up são:

Caminho do fluido

Buchas desgastadas – buchas, tais como a do suporte do estator em muitas transmissões, separam os circuitos de fluidos de aplicação e liberação (figura 18). Se uma bucha estiver excessivamente desgastada, o fluido de aplicação poderá se intrometer no circuito de liberação e causar falhas de aplicação do Lock Up. Inspecione visualmente a bucha e verifique a folga lateral do eixo com o mesmo instalado. Utilize buchas de boa qualidade e certifique-se de inspecionar a bucha de reposição quanto ao seu correto assentamento e medida.

Figura 18 – As buchas separam a região de aplicação da região de liberação do Lock Up

Vedadores danificados

Vedadores do eixo de entrada, bomba e conversor de torque mantém o fluido de aplicação e o fluido de liberação separados (figura 19). Um vedador danificado ou deformado pode causar um vazamento cruzado entre as duas regiões, de aplicação e liberação do ATF para o conversor. Alguns fabricantes insistem em orientar a instalação do conversor de torque enquanto a transmissão estiver na posição vertical. Isto é para que o técnico se certifique que o vedador interno ao conversor não está desalinhado, o que poderia possivelmente danificar o vedador pelo eixo de entrada se o conversor for instalado na posição horizontal.

Controle hidráulico

Válvulas de controle do Lock Up – vamos dar ao conversor de torque uma chance! Válvulas desgastadas ou alojamentos de válvulas gastos poderiam evitar que a pressão de aplicação atingisse o conversor de torque. Válvulas reguladoras anodizadas (endurecidas) oscilando em alojamentos de alumínio podem eventualmente produzir desgaste do corpo de válvulas. Podemos realizar uma inspeção visual com uma luz, ou um teste de balanço da válvula, porém um teste de vácuo é a melhor opção quando se quer determinar um alojamento desgastado.

Figura 19 – Vedadores críticos que isolam a área de aplicação da área de liberação do Lock Up em um conversor

Válvulas reguladoras de pressão

Não tratamos aqui somente da válvula reguladora do Lock Up. Certifique-se que a pressão de linha esteja dentro do especificado. Muitas válvulas reguladoras de pressão/alojamentos, que estejam desgastados, poderão causar alta pressão ou pressão variável (errática) de linha, o que causa problemas em bombas, corpos deslizantes da bomba, bem como para os conversores.

Válvulas reguladoras de pressão alimentam o conversor de torque com fluido de liberação, assim é importante verificar a integridade do circuito da válvula reguladora de pressão de linha. Podemos fazer isto por inspeção visual bem como pelo teste de vácuo.

Válvulas de alimentação dos solenoides

Enquanto revisamos um diagrama esquemático hidráulico típico, percebemos que os solenoides que controlam diretamente a pressão das embreagens da transmissão e do Lock Up, são alimentadas com uma pressão regulada chamada com frequência de alimentação do solenoide, moduladora, ou limitadora de alimentação do atuador. O controle do conversor (bem como o controle de mudanças) é bastante independente de outras pressões e todas elas começam derivando da pressão de linha. Se a pressão de alimentação dos solenoides estiver incorreta, muito baixa ou muito alta, o mesmo acontecerá com a pressão de aplicação do Lock Up.

Controle elétrico

Operação do solenoide – a correta operação do solenoide é muito crítica em transmissões modernas. O módulo de controle modula a largura de pulso (PWM) da corrente de alimentação do solenoide a uma frequência específica. O solenóide espera uma quantidade precisa de pressão de entrada a fim de gerar uma quantidade precisa de pressão de saída. Conforme mencionamos previamente, a alimentação do solenóide é crítica, porque o TCM não pode controlar precisamente a pressão de alimentação de saída se o solenoide não for alimentado com a pressão correta de entrada. O solenóide pode também falhar mecanicamente ou travar em certas ocasiões. Testar um solenoide é muito difícil em algumas transmissões. Se possível, substitua o mesmo por outro sabidamente em bom estado, como melhor alternativa caso desconfie de um determinado solenoide. Se não for possível no momento, é possível executar um teste básico de amperagem, teste de resistência e talvez aplicar pressão de ar e uma bateria para fazê-lo pulsar. Para alguns solenóides, tais como os das transmissões ZF, podem ser testados com vácuo para certificar quando estão fechados, eles fazem uma boa vedação (figura 20).

Figura 20 – Adaptador para teste de vácuo dos solenoides ZF

Somente porque um solenóide abre e fecha na bancada, isto não indica necessariamente que ele está bom. Ele ainda poderá falhar e não controlar corretamente a pressão sob condições de operação.

Figura 21 – Tampa de material endurecido e pistão atualizado.

Conclusão

Os reparadores de transmissões automáticas devem certificar que o corpo de válvulas, bomba, circuitos de fluido, controle do computador e operação dos solenoides estejam em boa forma. Os reparadores de conversores de torque precisam se certificar que utilizam os corretos vedadores, rolamentos e buchas, bem como as cintas de fricção, folgas internas e componentes tenham a mínima descentralização. Gerentes e equipe de vendas precisam educar seus clientes que existem certos conversores que simplesmente são inadequados desde o começo, o que realmente requer que o conversor de torque seja melhorado com pistões mais resistentes, conjuntos de molas de amortecimento, e tampas, conforme mostrado na figura 21. Isto é mais evidente em veículos de produção normal que são utilizados de maneira mais pesada, como picapes de trabalho. Também é verdade para os clientes que exigem maior desempenho de seus veículos, que os preparem para velocidades maiores.