Como funciona "trocar a marcha no tempo"?

Há muitas explicações em vídeos mas que não deixam claro como tudo funciona. Nessa postagem mostrarei a fundo como funciona a mecânica da troca de marcha no tempo. Primeiro, vamos pensar na situação cotidiana. Toda vez que trocamos a marcha do carro, pisando e soltando a embreagem, o que fazemos na verdade é um "casamento" de velocidades: a velocidade de giro do motor e a velocidade de giro do diferencial. Isso porque o câmbio está ligado ao motor (entrada) e ao diferencial (saída). toda vez que trocamos uma marcha, estamos, na verdade, trocando a relação de transmissão entre o eixo de entrada e de saída. Vamos entender como funciona uma relação de marcha, pois é aí que mora todo o segredo.

O disco maior representa uma engrenagem com 200 dentes enquanto o disco menor representa uma engrenagem de 50 dentes. Nesse momento é importante distinguir a engrenagem motora e a engrenagem movida. A engrenagem motora é aquela que recebe o giro do eixo de entrada (do motor), enquanto a engrenagem movida é aquela que é movida pela rotação da engrenagem motora.

Se colocarmos a entrada na engrenagem de 50 dentes, a engrenagem de 200 dentes realizará apenas 1/4 de volta para cada giro da engrenagem motora, ou seja uma relação 4:1. Se a entrada for de 1000rpm a saída será de 250rpm. Essa configuração tem como característica uma grande quantidade de torque porém com uma pequena velocidade final.

Se colocarmos a entrada na engrenagem maior, a movida passa a ser a engrenagem menor. Cada giro da maior fará a menor girar 4 vezes, configurando uma relação 1:4. Se a entrada é de 1000rpm, a saída será de 4000rpm. 

Essa lógica é aplicada na caixa de câmbio de um carro, sendo que na primeira marcha a engrenagem motora é (muito) menor que a engrenagem movida, enquanto que na quinta marcha, a engrenagem motora é maior que a movida, como podemos ver a seguir.

Vamos para a situação real:

No manual do proprietário normalmente temos as informações da relação de marchas de um carro. No caso do manual da S10 as relações de marcha (da versão manual) é a seguinte:

Trocando em miúdos, cada 4,473 giros do motor resultará em 1 giro no eixo de saída do câmbio.

Sabemos que o eixo de saída do câmbio está ligado ao diferencial, cuja relação é 4,560:1. Ou seja, cada 4,560 giros na entrada do diferencial resultará em 1 giro na saída do diferencial (transmitida aos pneus).

Não falamos do pneu à toa. Todo o sistema de transmissão e medição de velocidade leva em consideração o tamanho do pneu. no caso da S10, o tamanho do pneu é 255 65 R17. Fazendo algumas contas:

concluímos que o perímetro do pneu é de 239cm, ou 2,39m, portanto, cada giro do pneu move o carro 2,39m. (Obs: por esse motivo, colocar um pneu com diâmetro diferente do original gera erro de leitura da velocidade real e da velocidade mostrada no painel.).

Vamos para o que o título se propõe a responder:

Você está em um carro e começa a acelerar na primeira marcha até atingir 20km/h nessa velocidade, os pneus estão girando a:

Essas rotações por minuto do pneu serão importantes para que eu possa calcular a velocidade que o motor está girando em cada marcha. A menos que a velocidade do carro se altere, os pneus sempre vão girar na mesma velocidade angular, independente do regime de rotações do motor. 

Isso significa que o motor está girando a:

Agora vamos trocar para a segunda marcha. Quando utilizamos a embreagem para fazer a sincronia da velocidade das engrenagens o que fazemos na realidade é frear o motor para reduzir as rotações através do disco de embreagem. Quando queremos trocar a marcha "no tempo" é exatamente isso que precisamos fazer: soltar o acelerador, desengatar a marcha e esperar que as rotações caiam até um valor que possibilite o encaixe da marcha seguinte. Na segunda marcha, com o carro se movendo a 20km/h, as rotações do motor devem ser de

pois essa será a rotação do eixo do diferencial. Já com a segunda marcha engatada, aceleramos até 50km/h, o que significa que os pneus agora giram a uma velocidade maior: 

Com o motor em 

O engate da terceira marcha deverá acontecer quando as rotações por minuto do motor caírem para

E assim sucessivamente! Na tabela abaixo temos uma melhor visualização da variação das rotações do motor para diferentes velocidades em diferentes marchas.

Então é isso! Eis o mistério da "troca no tempo"!

Até a próxima!