O torque máximo é o "primo feio" da potência. Desconhecido para uma grande parte da população, mal compreendido por outros, é um valor extremamente importante, não só pela sua quantidade específica num determinado ponto, mas também pela sua variabilidade ao longo das rotações em que o motor de combustão pode rodar.
Hoje vamos nos concentrar em explicar, em linguagem extremamente simples, qual é o torque máximo, de onde ele vem, como ele é medido e que importância e relação ele tem com relação ao poder.
Vamos concentrar a nossa explicação nos motores de combustão interna com pistões, que são os mais comuns nas nossas estradas, embora grande parte do texto seja igualmente aplicável a qualquer outro tipo de motor.
Este pistão, como você pode imaginar, está sujeito de um lado à pressão gerada pela explosão, portanto tende a ser jogado para baixo a toda velocidade. A energia da explosão gera pressão na face do pistão, e se você multiplicar essa pressão pela área da superfície do pistão, você obtém uma força.
Essa unidade de força é fácil de imaginar, não é? No nosso Sistema Internacional de Medição, essa força é medida em newtons.
Mas, claro, aqui temos um problema: a força está em linha reta, perpendicular ao plano formado pela superfície do pistão, certo? Os movimentos lineares, forças de linha reta, são de pouca utilidade aqui para mover um carro, onde o que precisamos é ter um movimento rotacional para girar as rodas.
É para isso que servem a biela e a cambota. Ancorados ao pistão, são responsáveis por se transformarem em 180 graus de rotação ao longo de todo o percurso do pistão após a explosão, até a mistura de gasolina e ar terminar de queimar. Aproveitando o mecanismo oscilante, os outros 180 graus de rotação são utilizados para retornar o pistão para o topo do cilindro.
Mas aqui o que nos interessa é saber o que acontece com a força da explosão e como podemos tirar partido desses newtons para mover o nosso carro.
A lei da alavanca
E é aqui que o torque entra em jogo pela primeira vez. Para isso, temos que colocar outra explicação entre a que temos em mãos: o impulso das forças, ou o que é conhecido como "a lei da alavanca".
Se você se lembra, ou porque estudou ou porque experimentou, quando você vai andar de baloiço com um amigo, se seu amigo é muito mais gordo do que você, você tem que se posicionar mais perto do eixo de rotação do baloiço para não mandá-lo para o espaço exterior quando você deixar cair todo o seu peso no seu assento.
A idéia é simples: Um par de forças é a combinação de uma força multiplicada por uma distância. No caso da motosserra, a força é a força gerada pelo peso da pessoa, e a distância é a distância do nosso traseiro até ao eixo da motosserra.
No caso do balancim o que queremos é ter pares de forças equilibrados para que ele se mova lentamente, de modo que em ambos os lados do eixo do balancim queremos que a multiplicação do peso por distância seja idêntica. É por isso que é tão importante onde nos sentamos para não voarmos...
A lei da alavanca, os torques, estão presentes em todos os aspectos da nossa vida comum: desde um quebra-nozes até um corta-unhas ou uma tesoura. E o motor do seu carro não é excepção.
A grande diferença em qualquer uma destas máquinas é que não estamos interessados em ter dois pares equilibrados de forças, como no balançar, mas queremos aproveitar a vantagem de ter uma força à distância para gerar trabalho.
Agora que você tem a percepção de "força sobre a distância" como "torque", podemos voltar para o motor de combustão recíproca. Quando a força da explosão toma força total na cabeça do pistão, ela atinge o virabrequim quase em linha. À medida que o pistão desce, até atingir 90 graus de rotação, graças à biela, a força é transferida para cada vez mais longe do eixo de rotação da cambota, como se pode ver no desenho.
Então, para os 90 graus restantes até o pistão atingir o fundo, a biela transfere gradualmente a força de volta mais e mais em linha com o eixo do virabrequim.
Além disso, a pressão sobre o pistão não é constante durante toda a explosão e curso do pistão, mas diminui pouco a pouco, à medida que a expansão da mistura queimada se realiza.
O importante a lembrar aqui é que, como se fosse uma criança inquieta, a força gerada pelo pistão é transformada em um "torque" rotacional, de forma variável. Ou seja, a força do pistão é multiplicada por uma distância que varia durante todo o curso de descida do pistão. É como se a criança se movesse em seu banco de balanço, desde quase o eixo do balancim até a ponta.
O que conseguimos com este sistema de movimento alternativo foi transformar uma força linear criada pela combustão controlada da gasolina em um "torque". O "torque" é o que nos permite ter "aconchegado" essa força em energia rotacional que podemos transmitir, aumentar, modificar e usar para muitas coisas.
Multiplicar por cilindros
A esta altura já terá ficado claro para si que este "binário" não é um valor constante que se obtém de uma forma simples a partir da combustão. É uma figura variável, que vai desde quase zero no primeiro grau de rotação do virabrequim, até ao seu máximo prático quando o virabrequim rodou 90 graus, para voltar a cair quase a zero durante o resto da meia volta.
Assim, para cada volta completa do virabrequim temos um "curso" de força sobre o eixo, mas outras áreas menos potentes. Além disso, em motores alternativos de quatro tempos, apenas uma em cada duas rotações produz explosão, portanto, no total, para cada 720 graus de rotação do virabrequim apenas 180 nos dão "trabalho", enquanto o resto é usado para bombear os gases de escape e a mistura e comprimir antes que possa ser queimada. É por isso que um motor de um cilindro é tão vibrante e desinteressante, pois "chuta com força" em meia volta, e precisa de mais 3 meias voltas antes de chutar novamente.
Cada pontapé é uma vibração, e o resto do curso do virabrequim tem que ser feito com alguma da energia extraída do motor nesse processo de combustão.
Para suavizar estes chutes localizados, reduzir vibrações e melhorar a vida útil do motor, bem como a forma como o torque é entregue às rodas, já que quase no início do tempo do motor de combustão o que se faz é misturar vários cilindros. A contagem habitual é de quatro cilindros. Desta forma o motor tem sempre um dos quatro cilindros na zona de geração de "torque", enquanto os outros três utilizam parte desse torque para fazer um dos outros três movimentos necessários para o processo.
Em última análise, isto significa que, mais ou menos, cada meia volta do virabrequim tem a mesma "pulsação energética" no eixo de rotação do motor. Em última análise, o torque é medido como um valor médio. Ou seja, é a média que leva em conta estas pulsações para dar um número aproximado contínuo.
Mas esteja ciente de que a velocidade do motor tem influência.
O problema não acaba aí. Ok, tens um torque "médio" de "x's". Digamos, por exemplo, 100 Nm. Mas esse torque está longe de ser constante.
O desenho peculiar dos motores alternativos torna o processo de combustão e a pressão extraída do mesmo, e consequentemente a força, muito dependente da velocidade a que as coisas acontecem. Pense nisso, o tempo que a mistura gasolina/ar leva para queimar é um fator mais ou menos fixo. Quanto mais combustão você quiser ter por minuto (mais rotações por minuto, e mais potência e consumo), mais rápido você tem que fazer esse fator de combustão acontecer.
É aqui que entra o compromisso e o problema que os projetistas de motores vêm enfrentando há mais de 100 anos. Ao projectar a câmara de combustão de um motor deste tipo, o projectista tem de se certificar de que este pode funcionar numa gama variável de velocidades de combustão. Um motor nem sempre funciona com as mesmas rotações. De facto, a principal desvantagem dos motores de pistão é exactamente isso: não oferecem o mesmo binário em toda a gama de rotações, devido a estas alterações na velocidade de combustão. Otimizar a combustão em diferentes velocidades torna-se um desafio.
Motores como o antigo Cosworth DFV para a Fórmula 1 eram destinados a fazer rotações apenas em rotações altas o tempo todo, com quase nenhum torque em rotações baixas.
Se conceber um motor para queimar a mistura muito rapidamente, com válvulas de admissão e escape grandes e generosas, até um total de quatro, e uma geometria da câmara de combustão altamente concebida para facilitar o funcionamento da chama quando esta arranca, obterá um motor que fornecerá muito binário, mas apenas a velocidades de pistão elevadas. Em outras palavras, será um motor muito afiado, com muito torque em altas rotações, mas com pouco torque em baixas rotações.
Se, por outro lado, você retardar o processo de combustão, trabalhar com um motor de curso lento e progressivo do pistão, com uma chama que queima pouco a pouco (relativamente falando), você terá um motor que é mais capaz de oferecer torque em baixas rotações, mas que acabará tendo um desempenho ruim quando você exige que ele gire mais rápido.
Como regra geral, devido a muitos factores derivados da fricção e velocidade de combustão, é normalmente mais eficiente queimar a mistura lentamente do que a alta velocidade, mas a velocidade de rotação influencia a potência, como explicaremos a seguir, pelo que também não se pode desperdiçar esse aspecto.
Um par constantemente variável
A moral do acima exposto é que o motor fornece um torque ao virabrequim que é continuamente variável. Para começar, varia constantemente a cada combustão, e para continuar, as intensidades destes pulsos também variam em função da velocidade de rotação do motor. Portanto, a constância não é o seu forte.
É por isso que tanto trabalho tem sido feito nos últimos tempos para tentar, através de distribuição variável, admissão variável, injecção directa, elevação variável das válvulas, sobrealimentação variável e outras soluções tecnológicas, com a ideia de melhorar e preencher a curva de binário dos motores, para que a velocidade de combustão possa ser adaptada a cada velocidade do motor, para manter o binário tão uniforme quanto possível, desde o ralenti até ao corte da ignição.
Mas como é transmitido e multiplicado o torque para as rodas?
Bem, já ficou claro para nós que o torque é uma força rotacional, por assim dizer, que é variável em pulsos. Tens de levar esses impulsos de energia para as rodas para que elas actuem como pequenos passos nos pneus para puxar o carro para a frente, certo?
Para isso, desde a cambota até à embraiagem, chega-se à caixa de velocidades. E aí vem a magia. A potência de um motor não pode ser multiplicada com uma caixa de velocidades mágica. Se o motor fornecer 100 cavalos de potência através dos seus pistões, 100 cavalos de potência atingirão as rodas (menos, devido ao atrito da caixa de velocidades), nunca mais.
Mas o torque pode ser multiplicado, como? Subtraindo a velocidade da rotação do eixo. Assim, se tivermos 100 Nm de torque no eixo do motor girando a 2.000 RPM (210 radianos por segundo), podemos alcançar 200 Nm no eixo que está acoplado às rodas, simplesmente reduzindo pela metade suas rotações por minuto para 1.000 (105 radianos por segundo).
Como é que isto é conseguido? Para explicar, imagine em "pequenos pontapés" ou pulsos: Imagine que no final do eixo do motor, na cambota, temos uma engrenagem com 100 dentes. Cada dente faz uma força, um tipo de pulso ou pontapé de concreto que soma mais de 2.000 revoluções. Se pegarmos e associarmos com uma engrenagem que tenha o dobro dos dentes, 200, cada dente da engrenagem do virabrequim terá que passar duas vezes pela roda dentada de 200 para completar uma revolução, correto? Como cada dente "empurra" ou "chuta" a engrenagem de 200 dentes duas vezes, você está multiplicando o torque por dois. Magia, certo?
O problema é que você perde velocidade de rotação, então o que parece ser mágico também tem um trade-off.
Eventualmente, após algumas engrenagens, aqueles pulsos ou chutes que são gerados no virabrequim acabam por chegar às rodas multiplicadas, mas também a velocidade de rotação é reduzida cada vez mais, com cada engrenagem. No final temos uma velocidade de rotação para as rodas, e elas transmitem esses pulsos para o asfalto.
São as rodas que são responsáveis por converter a energia rotacional do eixo ao qual estão associadas (o rolamento) em força linear que empurra o carro através do contato entre a banda de rodagem do pneu e o asfalto.
A dificuldade de mudar constantemente a velocidade do motor
Como você pode imaginar, a grande questão aqui é descobrir o quanto queremos reduzir a velocidade de rotação para alcançar a força necessária sobre as rodas para mover o carro. O que você faz é criar uma multiplicação de torque muito grande para a primeira marcha, para que o carro possa arrancar a partir de 0 km/h e acelerar.
Quando acelera suficientemente rápido, o motor também se aproxima do seu limitador de rotações máximo. Aquele ponto em que a combustão começa a ser tão rápida que já não é eficaz. Nesse momento você muda de marcha. Ao mudar de marcha para segundo, o torque do motor é multiplicado menos vezes. Em outras palavras, o número de "chutes" por rotação da roda disponível é reduzido. O torque para as rodas é portanto reduzido. Mas como as rodas estão girando mais rápido, embora os chutes, os pulsos que elas têm por volta, sejam menos intensos, isso é compensado com mais voltas a cada segundo.
E é aqui que o termo poder entra em jogo. Deixa-me explicar. Imagine que você sai para correr, prefere dar alguns passos muito longos e poderosos, ou prefere dar muitos mais passos, mas muito mais curtos e menos poderosos? Obviamente isto depende da velocidade com que se corre. Mas este é o simulacro perfeito para o motor de combustão: Quando vamos a baixa velocidade com uma marcha baixa, o que fazemos é que o motor avança muito (muito torque transmitido ao solo), mas a quantidade de roda gira contra o asfalto (a velocidade) é baixa. À medida que o carro ganha velocidade e coloca mudanças mais altas, o que acontece é que o carro começa a dar cada vez menos passos, mas dá muito mais passos por minuto (a roda gira muito mais a cada segundo, à medida que o carro anda mais rápido). Tudo isto até atingir aquele ponto de equilíbrio onde a quantidade e a potência dos passos não é capaz de acelerar mais o carro.
Bem, há um factor que relaciona directamente estes dois valores: força Stride, chute ou pulso, e o número de vezes que a roda gira sobre o asfalto: Potência.
A potência é medida como a multiplicação, o produto, do torque pelo número de rotações em que o eixo está girando naquele preciso momento. A potência é mais ou menos constante no motor, por isso o valor obtido pela multiplicação do binário na cambota pela velocidade a que a cambota está a rodar é praticamente o mesmo que se multiplicar o binário que as rodas estão a transmitir à estrada pela velocidade a que estão a rodar (há sempre uma diferença devido ao atrito gerado na caixa de velocidades e na transmissão).
Potência e torque são "dois lados da mesma moeda", pois são inseparáveis. Quando um "cu inteligente" lhe diz na barra que "o torque é mais importante que a potência", ele está errado. A pessoa que diz o contrário, que a potência é mais importante do que o torque, também está errada.
Então, o que é mais importante, potência ou torque?
Como quase tudo nesta vida, esta pergunta não pode ser respondida com uma resposta concreta. Vivemos num mundo obcecado pelos números. O valor do torque máximo, o valor da potência máxima, o valor das rotações... mas na realidade, o que realmente conta é "o todo": a curva de torque completa em um gráfico e a escolha da caixa de velocidades associada ao carro.
Deixe-me explicar: Como já lhe disse mil vezes acima, a quantidade de torque é variável, dependendo das rotações. A curva de potência é a simples multiplicação dessa quantidade de torque pelas rotações em que o motor o fornece em cada ponto. Em outras palavras, ao medir a curva de potência você está medindo a curva de torque e se multiplicando (ou vice-versa), pois são dois fatores completamente inseparáveis.
A linha azul é a curva de torque (oficial) do motor diesel boxer da Subaru (embora seja claramente alterada visualmente para mostrar uma área completamente plana, o que na realidade não é o caso).
O que realmente conta é "a forma da curva de torque", não seus valores absolutos. Como você já pode imaginar, o ideal é um motor capaz de fornecer "muitos pulsos muito intensos" em uma grande faixa de rotações, ou seja, com uma grande variação de velocidades de combustão.
O motor mais bem desenhado é aquele que é capaz de funcionar bem quando estamos em baixas rotações, oferecendo poucos pulsos muito intensos, mas que também é capaz de funcionar bem quando exigimos muitos pulsos (muitas rotações) com uma intensidade adequada.
Este tipo de motor não só tem um valor de torque elevado, mas também tem uma curva de torque plana ao longo do gráfico. Em outras palavras, a curva de torque é "bem preenchida", que é o que às vezes lhe dizemos nos testes.
Isto, infelizmente, não é tão comum como parece. E eu vou explicar com exemplos.
O clássico motor naturalmente aspirado
Os motores clássicos com duas válvulas por cilindro e carburador tinham o problema de sua flexibilidade ser muito reduzida: tinham apenas uma margem estreita onde a combustão era afinada e produzida eficientemente. Em outras palavras, o torque foi alcançado a uma determinada rpm.
Sair dessa zona implicava trabalhar com uma mistura de combustível inadequada, devido à carburação, à qual se acrescentou a dificuldade dos cabeçotes de duas válvulas para trabalhar com grandes fluxos de gás, o que os tornava preguiçosos. A moral da história? Eles eram muito preguiçosos nas rotações altas, por isso só funcionavam bem nas rotações baixas.
Por isso, para atingir a velocidade, tivemos de utilizar caixas de velocidades com muitas reduções, multiplicando muito o binário, e saltar de velocidades para ganhar velocidade, mas atingindo rapidamente o limite de desempenho do motor, que foi atingido especialmente cedo.
Como as caixas de velocidades eram normalmente inferiores a cinco relações, os carros eram particularmente limitados na sua flexibilidade.
O motor atmosférico multiválvulas de alta velocidade
O cabeçote multi-válvulas veio para resolver este problema de motores lentos em altas rotações. A colocação de mais válvulas permitiu que a mistura queimasse mais rapidamente quando o motor estava em altas rotações. Ou seja, você poderia ter mais torque em altas rotações, com a simples adição de mais combustão.
O grande problema com estes motores era que eles eram muito maus em baixas rotações. Tendo uma câmara de combustão projetada para queimar bem quando a combustão era rápida, quando as condições exigiam uma queima mais lenta, o motor não obtinha torque suficiente da combustão.
Assim, os primeiros motores de quatro válvulas por cilindro (e cinco válvulas por cilindro) também enfrentaram um problema de pouca flexibilidade, mas centrados na extremidade superior do conta-rotações.
Mas eles tinham um facto a seu favor, que era o facto de terem dado mais potência do que os motores de duas válvulas por cilindro. Porquê? Devido à aritmética básica simples: Se você pode oferecer mais torque em rotações mais altas, como isto é multiplicado pelo valor das rotações para obter o valor máximo de potência, no final das contas você tinha mais potência.
Mas qual era a vantagem de ter mais poder se tudo estava "lá em cima"? Como ficou provado durante décadas desde a introdução de quatro válvulas por cilindro, o truque era brincar com o motor girando "alta velocidade". Se a caixa de velocidades estivesse suficientemente apertada para lhe permitir conduzir o tempo todo entre 5.000 e 7.000 rpm (para dizer o mínimo), poderia aproveitar a potência extra (o binário extra nessa área do conta-rotações multiplicado pela velocidade de rotação), e ir mais rápido.
Mas no mundo real, onde os condutores começam e param nos engarrafamentos e entre os semáforos, estes motores tinham muitos problemas. Por fim, os engenheiros de projeto tiveram que recorrer a projetos de cabeças de cilindros que, embora aproveitando algumas das quatro válvulas por cilindro para girar mais rápido e subir mais rápido para cima, não foram totalmente otimizados para trabalhar naquela área do conta-rotações, a fim de conservar o torque para baixo.
O motor com regulação variável das válvulas
A temporização variável das válvulas veio para resolver parte desse problema de flexibilidade. A idéia é poder ter dois motores em um: um que funcione bem em baixas rotações, com baixas velocidades de combustão, e outro que funcione bem em altas velocidades de combustão. Para isso, estes motores brincam com a abertura das válvulas e o fluxo de gases e correntes.
É tão complicado que outro dia vamos investigar num relatório à parte, mas para o que estamos a explicar hoje basta dizer que esta invenção serviu para "preencher" a curva de binário. Digamos que o que se consegue com a distribuição variável é adicionar as curvas de torque de um motor com duas válvulas por cilindro com a curva de quatro válvulas por cilindro, o que nos permite ter uma curva de torque mais completa, o que, como mencionamos acima, é o que se busca em última instância.
O moderno motor de injecção directa sobrealimentado
O epítome de tudo isso são os modernos motores turboalimentados com injeção direta e turboalimentação. A idéia por trás dos projetos atuais é oferecer a máxima quantidade de torque possível para cada velocidade do motor, misturando todos os recursos possíveis para ter "mil motores em um só motor".
Ao brincar com a temporização variável das válvulas, elevação variável das válvulas e sobrealimentação, o motor pode oferecer muito torque ao eixo quando gira lentamente, mas também ser capaz de girar muito rápido sem uma perda notável de torque. Em outras palavras, "o derradeiro no derradeiro". O derradeiro motor flexível.
E é por isso que não é bom comparar ou ficar pelos dados.
E é este último tipo de motor que nos mostra o vazio dos números e de estarmos satisfeitos com as manchetes. Embora um motor de trinta ou quarenta anos atrás pudesse oferecer os mesmos valores de potência e torque de um motor moderno, quando você se senta para dirigi-lo você rapidamente percebe como eles são diferentes.
Onde antes tínhamos motores que tinham uma potência muito localizada (na zona de binário máximo) e tinham de ser utilizados entre esse ponto e o ponto de corte de rotações para obter o melhor deles, agora temos motores que, longe de funcionar apenas nessa zona "entre o pontapé e o corte", estão gratos e completos para utilizar quase desde o ralenti até ao fim da zona vermelha. Essa é a grande evolução, a grande mudança não contada pelos números puros e duros, mas que pode ser vista nos gráficos.
É verdade: perdemos "o pontapé", e com ele, aquela "sensação" de "como este carro funciona". Mas ganhamos motores fortes, que funcionam mais do que antes, embora às vezes não pareça ou eles não o transmitam.
A importância das caixas de velocidades
A última grande questão com que vamos lidar aqui são as caixas de velocidades. Eu disse-te acima que era outro dos factores fundamentais em toda esta coisa do torque. No final do dia, é a caixa de velocidades que multiplica o torque e reduz a velocidade de rotação dos eixos em troca.
O aspecto das caixas de velocidades com cada vez mais relações responde a esta necessidade de ter o motor a trabalhar na menor variação de rotações por minuto possível. Idealmente, cada caixa de velocidades deve ser associada precisamente às características de binário de cada motor, para que o desenvolvimento das engrenagens nos permita estar sempre na zona de bom binário.
O problema é que, hoje em dia, com regulamentos de homologação de consumo de combustível, em vez de oferecer alternativas sob a forma de caixas de velocidades optimizadas para o mundo real, os fabricantes seleccionam as relações de transmissão para homologar o menor consumo de combustível possível.
Porquê? Bem, porque o baixo consumo de combustível vende carros, e no final o cliente exige "o que vende na publicidade". É uma vergonha que só a alteração do procedimento de aprovação do consumo de combustível do NEDC será capaz de aliviar, se forem introduzidos ciclos de condução mais realistas, mais próximos do uso real típico dos automóveis.
Moral final
Curva de torque real do motor V10 da BMW M5 naturalmente aspirada da última geração
Preciso de uma conclusão para fechar tudo isto, e não é outra senão "não se apegue aos números". Não há resposta para a pergunta "O torque ou a potência é mais importante? O que conta é a curva de torque. Basta olhar para os gráficos acima e abaixo deste parágrafo, onde comparamos a entrega dos dois últimos motores BMW M5.
No final do dia, não é o torque ou a potência que é mais importante, é a forma da curva de torque que nos diz como é o motor.
A superior, que reflecte a curva de binário do M5 V10 naturalmente aspirado, mostra-nos uma curva de binário irregular acentuada que atinge um pico de 6.000 rpm, deixando uma margem bastante estreita de utilização efectiva do motor. O contraponto é a curva (visualmente alterada em qualquer caso) que você tem o parágrafo bjao, o do biturbo V8 do M5 atual, que tem muito mais torque por muito mais tempo da curva, mostrando um motor muito mais "cheio", flexível, utilizável e, em última instância, rápido de acelerar em qualquer mudança e circunstância.
Curva de binário do motor V8 sobrealimentado actual da BMW M5
Em uma única frase: Quanto mais cheia, mais constante e alongada a curva de torque ao longo do gráfico de rotação, melhor para você.
Artigo originalmente publicado em Maio de 2014, recuperado para Pistonudos
