Vou apresentar neste tópico uma simulação dos torques reais nas rodas de 2 picapes Hilux, a diesel e a gasolina, em função das velocidades dos veículos, com todo o embasamento teórico para que seja possível qualquer um reproduzir e contestar. Não tenho nenhum interesse particular nisso, é apenas informativo, como uma contribuição, e estou disposto a debates construtivos. Se houver interesse posso dar os links de todas as fontes de informação que consegui, todas na internet.
Uma das questões mais polêmicas quanto a desempenho de carros com diferentes motores é a questão de Torque x Potência. Resolvi fazer alguns cálculos e simulações para clarear o assunto (para mim também) e desmistificar certas outras polêmicas sobre desempenho de motores diesel e gasolina. Já postei em alguns tópicos deste fórum comentários sobre o desempenho de minha Hilux Gasolina 4x2 Automática 2010 na estrada, que não parecia nem um pouco com o que lia sobre a coitadinha em comentários de jornalistas e assemelhados, em vídeo e por escrito. Fiz isso mais para mim, e acabei comprovando exatamente o que vinha dizendo, por isso resolvi compartilhar. Existe mito neste assunto. O que vou apresentar à frente tem uma carga teórica bem simples, que só pude fazer depois de ralar muito para conseguir dados confiáveis (?) sobre os motores e câmbios, como curvas de torque e relações de transmissão, dados esses não revelados de forma completa pelas fábricas/montadoras. A Toyota fabrica diversos tipos de motores e câmbios para as Hilux/Tacoma, e foi realmente difícil conseguir isso. Vamos lá.
CONCEITOS INICIAIS
A potência de um motor é uma grandeza calculada, e não medida. O que pode ser medido é o torque (T) e a velocidade angular ou de rotação (R). Da física sabe-se que:
Trabalho é a energia dispensada para mover um corpo em uma distância S aplicando-se uma Força F. Potência (P) é a taxa de trabalho no tempo (t), ou seja, o trabalho dispensado por unidade de tempo.
Portanto:
P = (Trabalho / t ) = [(F . S) / t ] = (F . velocidade)
Se o corpo está em rotação, P = T . R
Portanto, temos que a potência de um motor pode ser calculada multiplicando-se o Torque medido no dinamômetro pela velocidade de rotação (R) medida no tacômetro. A fórmula usada com suas constantes pode ser:
P (HP) = [T(N.m) . R(rpm)] / (7095,2787) equação (1)
Se desconsiderarmos as perdas entre o motor e as rodas, pode-se dizer que a potência fornecida pelo motor é igual à potência nas rodas para movimentar o carro. Portanto,
Pmotor = Prodas equação (2)
Então, temos que Pm = Tm . Rm e Pr = Tr . Rr (r= rodas e m=motor)
Isso quer dizer que, como a velocidade de rotação das rodas é muito menor do que a velocidade de rotação do motor, então o torque nas rodas também é muito maior do que o torque fornecido pelo motor. Isso acontece por causa das engrenagens do câmbio, que aumentam o torque e diminuem a velocidade de rotação nas rodas.
Das equações (1) e (2),
=> Tm . Rm = Tr . Rr equação (3)
Sabe-se que a relação (Rm / Rr) advém das engrenagens do sistema de transmissão, ou seja, da multiplicação das relações de transmissão da engrenagem da marcha do câmbio utilizada em determinado instante pela relação do diferencial, e costuma ser sempre bem maior do que um. Como o motor gira mais rápido do que as rodas, temos que
Rm > Rr e Tr > Tm
Como o que move um carro com aceleração para frente é o torque nas rodas e não no motor, percebe-se que quanto maior a relação entre a velocidade de rotação do motor e das rodas, maior será o torque aplicado nas rodas, na mesma proporção da relação do câmbio, ou seja, câmbio mais longo menor torque nas rodas, câmbio mais curto maior torque nas rodas. Em outras palavras, qualquer carro que tenha câmbio mais longo do que outro vai precisar de mais torque no motor para manter o mesmo torque nas rodas. Isso pode ser observado claramente nos carros com motor diesel, que precisam de câmbio mais longo para manter a rotação baixa, como pede o ciclo diesel, ou seja, mesmo que um motor diesel turbinado tenha maior torque médio do que um motor a gasolina aspirado, isso não implica que os torques nas rodas serão maiores, vai depender das relações de transmissão do câmbio.
COMPARATIVO
Vamos agora supor 2 camionetes. Da equação (3) anterior,
Tm1 . Rm1 = Tr1 . Rr1 (camionete 1)
Tm2 . Rm2 = Tr2 . Rr2 (camionete 2)
Supomos que as camionetes sejam iguais (mesmas dimensões, rodas, pneus). Se a velocidade das 2 camionetes for a mesma, então
Rr1 = Rr2 , e então
===> (Tm1 . Rm1) / Tr1 = (Tm2 . Rm2) / Tr2
===> Tr2 / Tr1 = (Tm2 . Rm2) / (Tm1 . Rm1)
Das equações (1) e (2)
===> Tr2 / Tr1 = Pm2 / Pm1 equação (4)
A equação (4) diz que, se a velocidade das camionetes é a mesma, a relação entre os torques nas rodas das 2 camionetes pode ser obtida da relação entre a POTÊNCIA DOS MOTORES das camionetes fornecidas no mesmo instante, ou seja, na mesma velocidade das camionetes. Em outras palavras, se as camionetes estão à mesma velocidade, só teriam a mesma aceleração se as potências dispensadas pelos 2 motores nesse instante for a mesma. O torque nos motores não precisa ser considerado, apenas a potência dos motores em determinado instante (isso não tem nada a ver com potência máxima do motor).
SIMULAÇÃO DINÂMICA
Isto posto, vamos agora comparar 2 camionetes Hilux iguais por fora, com câmbios e motores diferentes, uma a diesel e outra a gasolina. A alimentação com etanol não foi considerada por não existir curva de torque disponível. Para que a comparação fizesse sentido, foram comparadas as camionetes a diesel e gasolina com câmbio automático de 4 marchas (não existe câmbio automático de 5 marchas para a versão a gasolina) e com câmbio manual de 5 marchas (disponível em ambas as versões).
Simulação 1
Camionete 1: Hilux gasolina com câmbio automático de 4 marchas.
Motor: 2TR-FE, com pico de potência de 158hp@5200rpm e torque máximo de 25kgf.m@3800rpm
Relações de transmissão do câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,753 ; DIF/4,100
Peso: 1.745 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV A/T Top 4x4)
Camionete 2: Hilux diesel com câmbio automático de 4 marchas.
Motor: 1KD-FTV, com pico de potência de 171hp@3600rpm e torque máximo de 35kgf.m@1400-3400rpm
Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,705 ; DIF/3,583
Peso: 1.960 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV A/T 4x4)
As curvas de torque dos motores em dinamômetro estão abaixo (no anexo):
FIGURA 1
As curvas acima foram transformadas em curvas de potência (equação 1) e as rotações do motor foram transformadas em velocidade do carro. Isso pode ser feito sem saber as dimensões das rodas se for conhecido um único ponto de velocidade no velocímetro por rotação no conta-giro, para uma determinada marcha no câmbio.
Os resultados das curvas de Potência nas Rodas x Velocidade da camionete estão abaixo (no anexo):
FIGURA 2
O gráfico acima é descontínuo onde acontece a troca de marcha, sempre na potência máxima do motor. O torque nas rodas pode ser calculado da equação derivada das anteriores como
Tr = 726,27*(Pm / Rm)*Q
, onde Q = (Rm/Rr) ou da multiplicação da relação de transmissão da marcha correspondente pela relação do diferencial, sendo que Tr é dado em Kgf.m, Pm em HP, Rm em RPM.
O gráfico é (no anexo)
FIGURA 3
O torque nas rodas é o que produz a aceleração do veículo e é diretamente proporcional à força de empuxo dos pneus no asfalto, desde que não haja deslizamento. Portanto, o torque pode ser convertido em força nas rodas e esta em aceleração proporcional à massa do veículo. Temos então que
Aceleração do veículo = k1* k2 * (Tr / Massa do veículo)
A constante k1 depende do raio das rodas e a k2 é uma variável que depende da resistência do ar. Mas como as camionetes são iguais e estão à mesma velocidade, elas não serão consideradas aqui, uma vez que a análise é apenas comparativa. Pode-se então plotar um gráfico de aceleração corrigida pelo peso (massa) das camionetes. O gráfico está abaixo (no anexo).
FIGURA 4
O gráfico acima mostra que nas regiões de velocidade vermelhas a camionete diesel teria maior aceleração e nas regiões azuis a camionete a gasolina teria maior aceleração.
Simulação 2
Nesta segunda simulação as condições são alteradas do câmbio automático de 4 marchas para câmbio manual de 5 marchas nas duas camionetes. Os motores se mantêm os mesmos:
Camionete 1: Hilux gasolina com câmbio manual de 5 marchas.
Motor: 2TR-FE, com pico de potência de 158hp@5200rpm e torque máximo de 25kgf.m@3800rpm
Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,753 ; DIF/4,100
Peso: 1.675 kgf (fornecido pela Toyota para a STD M/T 4x4)
Camionete 2: Hilux diesel com câmbio manual de 5 marchas.
Motor: 1KD-FTV, com pico de potência de 171hp@3600rpm e torque máximo de 35kgf.m@1400-3400rpm
Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,705 ; DIF/3,583
Peso: 1.935 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV M/T 4x4)
Os resultados das curvas usam as mesmas equações anteriores, com a diferença nos câmbios e pequenas diferenças nos pesos. As curvas análogas às anteriores estão abaixo (no anexo).
FIGURA 5
FIGURA 6
FIGURA 7
O gráfico acima mostra que nas regiões de velocidade vermelhas a camionete diesel teria maior aceleração e nas regiões azuis a camionete a gasolina teria maior aceleração.
COMENTÁRIOS
1 – É preciso cuidado ao interpretar as curvas. Não é possível inferir sobre o tempo que cada camionete levaria para atingir determinada velocidade nem o percurso total em um intervalo de tempo. Um gráfico assim exigiria equações bem complexas para produzir os gráficos e não revelariam muito em termos comparativos.
2 – Pode-se extrair das curvas que quando as duas camionetes estiverem emparelhadas e os dois motoristas pressionarem o acelerador no fundo, com a marcha mais eficiente no caso do câmbio manual, caso a velocidade dos veículos esteja dentro das faixas azuis a camionete com motor a gasolina sai na frente e se dentro das faixas vermelhas a camionete com motor a diesel sai na frente.
CONCLUSÕES
1 - Pode-se concluir que, de forma geral, o desempenho das duas camionetes é parecido, com vantagem para a Hilux a gasolina em velocidades mais altas e para a versão a diesel em velocidades mais baixas, mas em alguns trechos há uma inversão.
2 - A camionete diesel tem maior aceleração na primeira marcha com qualquer tipo de câmbio. Como a faixa de rotação útil do motor a gasolina é maior do que a do motor diesel, em rotações acima de 3500 rpm o motor a gasolina leva grande vantagem, uma vez que o motor diesel precisa de uma marcha mais longa e perde aceleração toda vez que isso acontece. Com o câmbio manual, a partir de 55km/h, a aceleração da camionete a gasolina seria sempre igual ou maior do que a da versão a diesel.
3 – O peso é uma variável importante a considerar, sendo a camionete diesel de 215 a 260 kg mais pesada, o que influi bastante nos resultados conforme os gráficos. Caso os pesos fossem iguais, as curvas de aceleração corrigida teriam a mesma forma das curvas de torque nas rodas. Essa diferença de peso é a mesma nas versões SW4 da Hilux, chegando a 2020 – 1770 = 250kg. Vê-se que o motor diesel precisa de 14% do seu torque para carregar o peso a mais de si mesmo nesses motores. O motor diesel é maior e precisa de mais acessórios.
4 – Cai por terra a afirmação de que o motor a gasolina das Hilux é fraco, como dizem alguns marqueteiros por aí. Isto é dito porque se olha apenas o valor do torque máximo do motor e não o torque nas rodas, que é o que interessa. Graças também à excelente curva de torque desse motor a gasolina, opinião corroborada por mecânicos mundo a fora. O motor a diesel também não fica atrás. Parabéns à Toyota pelos seus motores. Evidentemente, por causa do preço dos veículos a diesel serem maiores em geral, essas afirmações sobre o motor a gasolina nunca são contestadas pelas fábrica/montadoras e/ou revendedores. Só mesmo quem experimenta o carro é que fica sabendo.
Bom, paro por aqui. A minha contribuição foi mostrar o que aprendi nesta análise. Também que tem muita gente por aí que diz o que não sabe, ou sabe o que não diz. Em matéria de veículos, a propaganda é a alma do negócio, e nem tudo é o que realmente aparenta ser.
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