Qual é o torque de direção através da engrenagem de cremalheira e pinhão?
No sistema de direção automotiva, a estrutura de cremalheira e pinhão é atualmente o mecanismo de direção mecânica mais comum. A função deste dispositivo é converter a força aplicada pelo motorista no volante em um movimento linear que aciona a roda dianteira para defletir, completando assim a direção. Nesse processo, o torque, como grandeza física central, desempenha um papel fundamental na conversão de potência, amplificação do torque e feedback do controle.
Então, qual é o torque de direção através doengrenagem de cremalheira e pinhão? Como é gerado e transmitido? Este artigo analisará em profundidade diversos aspectos, como princípios mecânicos, configuração estrutural e parâmetros de projeto, para responder completamente a essa pergunta.
O que é uma engrenagem de cremalheira e pinhão?
A engrenagem de cremalheira e pinhão é um dispositivo mecânico que converte movimento rotacional em movimento linear. Ela consiste em dois componentes principais: uma engrenagem cilíndrica (comumente chamada de pinhão) e uma cremalheira linear. O pinhão é conectado ao eixo de direção, e a cremalheira é conectada à barra de direção. Quando o motorista gira o volante, a força é transmitida ao pinhão através da coluna de direção, e o pinhão aciona a cremalheira para se mover para a esquerda e para a direita, fazendo com que a roda se desvie.
Esta estrutura apresenta as seguintes características típicas:
·Resposta mecânica rápida: A rotação do pinhão é imediatamente convertida no movimento da cremalheira.
·Estrutura compacta: Comparado com o sistema tradicional de engrenagem sem-fim ou de esferas recirculantes, o sistema de engrenagem de cremalheira e pinhão é mais leve e menor.
·Feedback natural: as informações da estrada podem ser enviadas diretamente ao volante por meio da estrutura de cremalheira e pinhão.
É nesse processo que a geração e a transmissão de torque desempenham um papel decisivo.
O que é torque de direção?
No sistema de engrenagens de cremalheira e pinhão, o chamado torque de direção "ddhhh geralmente se refere ao torque de acionamento gerado pelo torque aplicado pelo motorista no volante após ser transmitido à cremalheira através do pinhão. Este torque não é um valor fixo, mas um parâmetro dinâmico, que depende dos seguintes fatores:
1. Raio do pinhão (r):em metros. Quanto maior o pinhão, maior o empuxo linear gerado pela mesma força angular.
2. Força aplicada pelo condutor (F):em Newtons.
3. Torque (T) = F × r:ou seja, força multiplicada pelo raio de ação do pinhão.
Por exemplo, se o motorista aplica uma força de 20 Newtons ao volante e o raio efetivo do pinhão é de 0,02 metros, o torque gerado é:
T = 20 × 0,02 = 0,4 Newton metros
Esse torque então faz com que a cremalheira se mova através da rotação do pinhão e aplica força de direção à roda.
Quais fatores afetam o torque de direção da engrenagem de cremalheira e pinhão?
1. Diâmetro do pinhão e número de dentes
O tamanho do pinhão determina diretamente sua capacidade de conversão de torque. Quanto maior o raio do pinhão, maior o deslocamento linear que ele proporciona por unidade de ângulo, mas maior o torque necessário; por outro lado, a sensibilidade é maior, mas o torque é menor.
Ao mesmo tempo, o número de dentes do pinhão também afeta a relação de transmissão. Uma relação de transmissão alta significa que o volante precisa girar mais voltas em troca de um deslocamento maior da cremalheira, mas a força motriz necessária é menor. Uma relação de transmissão baixa é sensível, mas trabalhosa.
2. Carga de rack
Quando parado ou em baixa velocidade, o atrito entre o pneu e o solo é grande e a resistência da direção é significativa. Nesse momento, a cremalheira suporta uma carga maior e requer um torque maior.
Em altas velocidades, o torque necessário para a direção é reduzido devido à maior autoestabilidade das rodas. Portanto, os requisitos de torque do sistema de cremalheira e pinhão variam consideravelmente sob diferentes condições de trabalho.
3. Tipo de assistência elétrica (hidráulica/elétrica/sem assistência elétrica)
Os carros modernos geralmente são equipados com sistemas de assistência hidráulica — direção hidráulica (HPS) ou direção elétrica (EPS) — para reduzir a força original aplicada pelo motorista, reduzindo assim o torque necessário.
Mas, independentemente da forma de assistência hidráulica utilizada, a força final da direção ainda é transmitida através da cremalheira e pinhão. Portanto, a cremalheira e o pinhão devem ser capazes de suportar toda a carga da direção.
4. Área de contato da superfície do dente e estado de lubrificação
Durante o processo de engrenamento, o atrito, a precisão do engrenamento e o estado de lubrificação da superfície do dente afetarão a eficiência real da transmissão de torque. Quanto menor o atrito, maior a eficiência; por outro lado, um torque de entrada maior é necessário para superar a resistência interna.
Qual é a faixa de torque da engrenagem de cremalheira e pinhão em veículos comuns?
Devido às diferentes estruturas e usos, diferentes tipos de veículos têm diferentes faixas de torque de direção que seus sistemas de engrenagens de cremalheira e pinhão precisam suportar. A seguir, uma descrição geral da classificação:
| Tipo de veículo | Torque de entrada da engrenagem de cremalheira e pinhão (sem assistência) | Força de saída da engrenagem de cremalheira e pinhão (N) |
| Carro de passeio pequeno | 0,3 – 1,0 Nm | 500 – 1200 N |
| SUV de médio porte | 0,8 – 2,0 Nm | 1000 – 1800 N |
| Caminhão/picape grande | 1,5 – 3,0 Nm | 1500 – 3000 N |
Explicação: O torque de entrada nesta tabela se refere ao torque do pinhão aplicado pelo motorista através do volante; a força de saída se refere à força de empurrar e puxar aplicada pela cremalheira à barra de direção, girando assim o volante.
Como calcular o torque real da engrenagem de cremalheira e pinhão?
Na engenharia, o cálculo preciso do torque de direção do sistema de cremalheira e pinhão geralmente se baseia nas seguintes etapas:
Etapa 1: Meça o raio da engrenagem
Supondo que o diâmetro do pinhão seja 40 mm, o raio r = 0,02 m
Etapa 2: Meça a força de entrada do volante
O sensor de torque mostra que o motorista aplica uma força tangencial de 20 Newtons em um determinado momento.
Etapa 3: Calcule o torque do pinhão
T = F × r = 20 N × 0,02 m = 0,4 N·m
Etapa 4: converter torque em empuxo linear
Considerando a relação de engrenamento circular entre o pinhão e a cremalheira, o pinhão converte o torque em uma força linear, força F = T ÷ r.
Ou seja, F = 0,4 ÷ 0,02 = 20 Newtons (retorne ao valor inicial e verifique se está correto)
Etapa 5: Considere a eficiência da transmissão (assumindo que seja 85%)
A força de saída real do rack é: 20 N × 85% ≈ 17 N
O impacto dos materiais da engrenagem de cremalheira e pinhão na capacidade de suporte de torque
A durabilidade deengrenagem de cremalheira e pinhãodetermina diretamente se o sistema pode suportar choques de torque de forma estável por um longo período. Materiais comuns incluem:
1. Ligas de aço de alta resistência (como 40Cr):usado para pinhões para suportar grandes choques de torque;
2. Aço temperado e revenido ou aço forjado:usado em corpos de cremalheira para suportar tensão e empurrão;
3. Tratamento de cementação ou nitretação de superfície:aumentar a resistência ao desgaste e prolongar a vida útil da malha;
A seleção do material desempenha um papel decisivo no limite máximo de torque do sistema. Por exemplo, um pinhão de aço cementado de alta resistência tem um torque máximo de mais de 5 Nm, o que pode atender a requisitos operacionais extremos.
Engrenagem de cremalheira e pinhão: Quais problemas o torque insuficiente ou excessivo pode causar?
1. Torque insuficiente
• Direção lenta e resposta insensível;
•Força insuficiente em baixa velocidade ou direção de estacionamento;
•Aumento da fadiga ao dirigir.
2. Torque excessivo
•O sistema de direção é muito sensível e pode causar perda de controle facilmente;
•Aumento do desgaste das engrenagens e cremalheiras;
• Engate instável do sistema, ruído anormal ou bloqueio.
Portanto, ao projetar o sistema de engrenagens de cremalheira e pinhão, a faixa de torque deve ser calculada e ajustada com precisão para garantir que esteja em uma faixa razoável.
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