Carros elétricos e caixas de velocidades convencionais

A esmagadora maioria dos carros elétricos atualmente não utiliza uma caixa de velocidades. Existem três razões principais para isso, mas antes de nos aprofundarmos nos detalhes, é necessário explicar o que é uma caixa de velocidades e qual é a sua função num veículo com motor de combustão interna. Desta forma, será mais fácil perceber por que a caixa de velocidades não é de importância fundamental nos carros elétricos. Vamos também tentar explicar os casos em que pode ser uma adição útil e que benefícios traz.

O que é uma caixa de velocidades e qual é a sua função num carro com motor de combustão interna?

Os motores de combustão interna (MCI), ao contrário dos motores elétricos, não produzem torque suficiente em marcha lenta para mover o veículo. É necessário aumentar as rotações para produzir mais torque. No entanto, a faixa de rotações do motor é limitada e, como resultado, a velocidade do carro seria limitada, e é por isso que utilizamos caixas de velocidades. Resumidamente, uma caixa de velocidades combinada com a relação de transmissão final é um multiplicador de torque. Pode ser que já tenha ouvido falar das relações de transmissão e de transmissão final antes, mas talvez não saiba o que significam esses valores.

Comecemos pela relação de transmissão. Vamos supor que tenha selecionado a 1ª velocidade no seu carro com motor de combustão interna. Vamos também supor que a 1ª velocidade tem uma relação de 3:1. Isso significa que o torque produzido pelo motor é multiplicado por 3. Para determinar quantas vezes o torque é multiplicado nas rodas do carro, também temos de considerar a relação de transmissão final. Se, mais uma vez, a relação de transmissão final for de 3:1, o torque nas rodas do carro é nove vezes o torque do motor. Se o motor do seu carro produz 200 Nm de torque na 1ª velocidade com as relações mencionadas, o torque nas rodas é de 200 Nm x 9 = 1800 Nm.

Sem a caixa de velocidades, essa multiplicação não seria possível, e o carro permaneceria parado mesmo que carregássemos no acelerador. A caixa de velocidades num carro com motor de combustão interna deve ser projetada de modo a combinar perfeitamente a potência e as características de torque do motor, a sua eficiência em diferentes cargas e, claro, a velocidade máxima especificada pelos engenheiros para o veículo escolhido.

Essas soluções, apesar dos grandes avanços nas últimas décadas, ainda representam um compromisso. As caixas de velocidades introduzem as suas próprias ineficiências no conjunto do trem de força, aumentando o consumo de combustível e as perdas de energia.

Qual é a situação com os carros elétricos?

A situação com os veículos elétricos é regida por características inerentes aos motores elétricos que, em muitos casos, eliminam a necessidade de desenvolver caixas de velocidades. Essas características incluem um elevado binário desde as rotações mais baixas, a capacidade dos motores elétricos em atingir elevadas rotações e a limitação eletrónica das velocidades máximas. Vamos analisar estas propriedades individualmente.

A elevada disponibilidade de binário desde as rotações mais baixas é um facto evidente. Recordemos que as caixas de velocidades são, essencialmente, dispositivos multiplicadores de binário. Quando se dispõe de um binário substancial desde o arranque, não se torna necessário multiplicá-lo através de várias relações de transmissão.

Contudo, a característica de maior relevância é, de facto, a capacidade dos motores elétricos para rodar a elevadas rotações. Uma vez que os motores elétricos conseguem atingir até 20.000 rotações por minuto, com um binário significativo disponível em toda a gama, é possível alcançar facilmente a velocidade máxima com uma única relação de transmissão. A limitação eletrónica da velocidade máxima dos carros elétricos é a última razão. Esta limitação não decorre unicamente da ausência de uma caixa de velocidades, mas sim devido à menor capacidade energética das atuais baterias de alta voltagem em comparação com os combustíveis líquidos.

Suponhamos que a velocidade máxima do veículo seja de 190 km/h. A essa velocidade, o motor roda a 16.500 rotações por minuto. A uma velocidade típica de autoestrada de 130 km/h, o motor roda a aproximadamente 11.300 rotações por minuto. Como se pode verificar neste exemplo, o motor elétrico apresenta uma amplitude de rotação suficiente para satisfazer todos os requisitos, sem a necessidade de uma caixa de velocidades.

O conceito na Porsche e na Audi

Tanto o Porsche Taycan como o Audi E-Tron GT utilizam uma caixa de velocidades de dois estágios no motor traseiro. Antes de abordarmos a questão: “Mas não nos foi dito que as caixas de velocidades são desnecessárias em carros elétricos?”, é importante compreender que, de forma ideal, aspiramos a uma relação de transmissão curta em baixas e médias velocidades, visando uma aceleração mais célere, e a uma relação de transmissão mais longa em velocidades superiores, para reduzir as rotações do motor elétrico.

Por que a necessidade de reduzir as rotações do motor a velocidades mais altas? Existem duas razões. Primeiramente, ao reduzir as rotações do motor, otimizamos a sua eficiência (por meio da minimização da força contraeletromotriz e das correntes parasitas), o que, consequentemente, estende a autonomia do veículo. A segunda razão é a capacidade de alcançar velocidades máximas mais elevadas sem um aumento excessivo das rotações do motor elétrico.

O desafio associado à adoção de caixas de velocidades de dois estágios reside na complexidade técnica de lidar com o impressionante e instantâneo torque gerado pelos motores elétricos. No entanto, alguns fabricantes atualmente estão a desenvolver caixas de velocidades de dois estágios para carros elétricos.

Se conseguirem produzir estas caixas de velocidades em grande escala, com fiabilidade sólida e a preços acessíveis, poderemos ver mais veículos convencionais a adotá-las, em vez de apenas supercarros como o Porsche Taycan e o Audi e-Tron GT. No entanto, atualmente, a complexidade adicional e o custo elevado superam substancialmente os benefícios potenciais.

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