Do motor aos rotores: entendendo o sistema de transmissão

O sistema de transmissão, assim como o próprio helicóptero, é uma verdadeira obra de arte da engenharia e, muitas vezes, é tão peculiar e unicamente construído que dá identidade para a aeronave que equipa.

Poucas das publicações que cruzam o caminho de um piloto de helicóptero em formação (ou não) realmente dão a devida atenção a um dos sistemas mais importantes — senão o mais importante, como alguns podem concluir — que integram uma máquina de asas rotativas. O sistema de transmissão, assim como o próprio helicóptero, é uma verdadeira obra de arte da engenharia e, muitas vezes, é tão peculiar e unicamente construído que dá identidade para a aeronave que equipa. Neste artigo, conheceremos um pouco mais dos recursos que os designers utilizam para fazer com que a potência produzida pelos motores aeronáuticos seja transformada no fenômeno mágico da sustentação.

Como muitos devem saber, o helicóptero de configuração convencional é dotado de um rotor principal, que gera sustentação e permite a manobrabilidade da aeronave, e um rotor de cauda, que desempenha o controle direcional da máquina. Ambos são interligados e, em condições normais, giram sempre juntos, entretanto, a velocidades distintas. Esta ligação é feita por meio de eixos e engrenagens que, ao mesmo tempo, os conectam ao grupo motopropulsor — compondo o sistema de transmissão.

Este sistema tem o principal objetivo de transmitir a rotação do motor aos rotores principal e de cauda, ao mesmo tempo em que promove reduções e aumentos de velocidade. Essas transformações são feitas por meio de variadas técnicas a depender do projeto, tais como polias (com correias) e engrenagens. Pode-se se citar como objetivo secundário deste sistema a mudança de direção de transmissão da rotação, importância nitidamente percebida em helicópteros com motores montados na horizontal, ou seja, a um ângulo de 90º em relação ao eixo de rotação do rotor principal, como na figura abaixo (Bell UH-1):

Sistema de transmissão do Bell UH-1 (Bell 205).

A rotação que é desenvolvida pelo motor — principalmente se este for do tipo turbo-eixo (turbina), cuja rotação facilmente atinge 50.000 RPM (rotações por minuto) — geralmente é alta demais para ser transmitida diretamente ao rotor principal. Se isso ocorresse, haveria muitos problemas ligados aos fenômenos de estol de compressibilidade (devido ao fato das pontas das pás viajarem a ou próximo da velocidade do som) e estol da pá que recua. Além disso, o rotor estaria sujeito à uma força centrífuga inimaginável e, provavelmente, em muito pouco tempo apresentaria sinais de fadiga. Portanto, torna-se nítida a necessidade de se reduzir esta velocidade.

Para efeitos de simplificação, dividiremos o sistema de transmissão em dois: o sistema que promove o acoplamento do motor aos eixos ou caixas de transmissão e o sistema que liga o rotor principal ao rotor de cauda, para que um não gire independentemente do outro.

Há basicamente três formas de se conectar o motor ao sistema de transmissão e todas elas buscam essencialmente duas características: a possibilidade de gradualmente transmitir a rotação do motor à transmissão e a capacidade de fazer com que a transmissão gire livremente no advento de uma falha de motor.

A primeira característica visa facilitar o acionamento do motor, aliviando dele o peso do sistema de rotor. Dessa forma, os primeiros giros do eixo de manivelas são completamente desimpedidos e independentes do sistema de transmissão. Além disso, desconectar inicialmente o motor da transmissão evita aplicar nesta última estresses (torções) desnecessárias. Sendo assim, após a partida, diferentes métodos são usados para, aí sim, conectar gradualmente o motor ao sistema de transmissão.

A segunda característica é de extrema importância, pois garante que os rotores permaneçam livres para girar, mesmo após uma pane de motor, dando ao piloto a oportunidade de reagir, colocando a aeronave num regime de autorrotação e permitindo-o pousar sem nenhum arranhão. Isso é feito por meio de um sistema chamado de roda livre.

A primeira forma de se conectar o motor à transmissão é pelo uso de um sistema de engrazamento centrífugo. Duas das aeronaves que contam com esse sistema são o famoso Bell 47 e o Hiller 12, que possuem motores montados na vertical, alinhados com o eixo de rotação do rotor principal. Ao passo em que seus motores aceleram, sapatas centrífugas projetam-se para fora (impulsionadas pela força centrífuga) e fazem contato com um tambor conectado à transmissão por meio de um eixo de transmissão. Neste sistema, a roda livre é obtida quando o motor gira a uma velocidade menor que a da transmissão, reduzindo a força centrífuga nas sapatas e desconectando-as do tambor, que fica livre para girar.

Sapatas de transmissão do Bell 47.

A segunda forma de se conectar o motor à transmissão é por meio de um sistema de engrazamento que utiliza polias e correias construídas em borracha e tecido. Duas das aeronaves que contam com esse sistema são o Robinson R22 e o Sikorsky S300 (antigo Schweizer 300 ou Hughes 300). A polia inferior é conectada ao motor por meio do eixo de manivelas e gira na mesma velocidade que este. A polia superior, por sua vez, é conectada à transmissão por meio de um eixo de transmissão e possui diâmetro ligeiramente maior que a inferior. Sendo ambas envolvidas por correias, a rotação do motor é transmitida à transmissão ao mesmo tempo em que uma redução de velocidade ocorre devido à diferença da dimensão das polias. No entanto, assim como ocorre com o sistema de engrazamento centrífugo, o motor gira inicialmente livre do peso do rotor principal. Portanto, é necessário o gradual tensionamento das correias para que a rotação seja efetivamente transmitida. Isso pode ser realizado de formas variadas, mas normalmente adota-se um motor elétrico que, no caso do R22, empurra a polia superior para cima e, no caso do Schweizer, movimenta uma terceira polia contra as correias, esticando-as. Neste sistema, a roda livre é obtida por meio de uma Sprag Clutch, que é basicamente uma engrenagem que permite o giro em um só sentido utilizando rolamentos especiais em formato de “8”. O princípio de funcionamento desta é muito semelhante às coroas de uma bicicleta — girando-as no sentido de aplicação da força do pé no pedal, elas travam a corrente e fazem a roda traseira girar também; parando-as ou girando-as no sentido contrário, a corrente não se movimenta e não faz a roda traseira girar.

Correias de transmissão no Schweizer 300.

A terceira forma de se conectar o motor à transmissão é por meio de uma turbina livre. Quando falamos de motores turbo-eixo, temos que os gases que resultam da queima do combustível são responsáveis por girar uma turbina que, por sua vez, está ligada ao sistema de transmissão por meio de engrenagens redutoras de velocidade que acionam um eixo de transmissão. Nesse caso, não há ligação mecânica entre o motor e a transmissão — como correias ou sapatas. O acoplamento é feito unicamente pelo ar que passa pelas pás da turbina e a faz girar. Deste modo, atende-se às duas características principais almejadas por um sistema de engrazamento: a rotação do motor é gradualmente transmitida à transmissão e esta é livre para permanecer girando sempre que a rotação do motor for inferior à dela.

Motor Rolls-Royce 250-C47B/8, que equipa o Bell 407.

Em todas as três formas, percebe-se que tudo culmina em, basicamente, um eixo de transmissão. Geralmente, é este eixo que é ligado à caixa de transmissão principal, quem irá “distribuir” a rotação em dois sentidos: ao rotor principal e ao rotor de cauda — que será intermediado pela caixa de transmissão do rotor de cauda.

Apesar de termos visto alguns métodos de redução de velocidade logo na saída do motor, vale ressaltar que, ainda assim, eles não são suficientes para satisfazer as necessidades do sistema de rotor, levando em consideração a sua eficiência e segurança. Em outras palavras, reduções mais significativas precisam ocorrer antes da rotação ser transformada em sustentação. Para tanto, faz-se o uso de uma caixa de transmissão principal, um dos componentes mais importantes de um helicóptero.

Deixando de lado, por ora, os casos do Bell 47, Hiller 12 e demais projetos nos quais o motor é disposto verticalmente e alinhado com o eixo de rotação do rotor principal, vemos que, na grande maioria das aeronaves de asas rotativas, o motor está posicionado sempre a algum ângulo deste eixo — geralmente a aproximadamente 90° ou 45°. Sendo assim, é clara a necessidade de se ter uma forma de se mudar a direção de transmissão da rotação. Para tanto, faz-se o uso de uma engrenagem cônica (ou Bevel Gear), que, ao mesmo tempo em que muda a direção, também promove uma redução adicional.

Engrenagem cônica (ou Bevel Gear).

Em helicópteros com motor convencional, como é o caso dos Robinson R22 e R44, frequentemente o uso de uma engrenagem cônica de estágio único (na qual só há uma engrenagem) já é o bastante para realizar a alteração de direção da transmissão da rotação e promover as reduções de velocidade necessárias. Um motor a turbina, por outro lado, que gira mais velozmente, carece de engrenagens redutoras adicionais e essas geralmente são do tipo planetárias (ou “satélites”) e solares, que compõem um sistema de engrenagens chamado módulo epicíclico.

Os nomes dessas engrenagens não são à toa. De fato, suas disposições lembram o sistema solar, no qual planetas orbitam ao redor do Sol, que é o maior dos astros. Elas giram no interior de uma coroa dentada (ou “engrenagem anel”), que é estacionária. Em resumo, o eixo de transmissão (provindo do motor) entra na caixa de transmissão principal e, por meio de um pinhão (ou “eixo Bendix”), conecta-se a uma engrenagem cônica que, por sua vez, aciona uma engrenagem solar. Esta gira, fazendo movimentar engrenagens menores e periféricas — as planetárias — que são interconectadas por uma carregadora. Quando não há estágios adicionais de engrenagens, a carregadora é a peça que é diretamente conectada ao mastro, que é o eixo que liga a caixa de transmissão principal ao rotor principal — por meio da cabeça do rotor.

Módulo epicíclico.

Todo este complexo de engrenagens que compõe a caixa de transmissão principal exige constante lubrificação e acompanhamento, com vistas a monitorar a sua saúde e previnir falhas. Vale ressaltar que uma falha de caixa de transmissão principal é infinitamente mais crítica do que uma pane de motor, pois, conforme visto anteriormente, o sistema de acoplamento motor-transmissão possui uma roda livre — que permite que os rotores permaneçam girando em caso de uma falha no grupo motopropulsor —, enquanto que uma falha na caixa muito provavelmente significará um travamento total do sistema de transmissão, freando os rotores sem que o piloto possa fazer nada para contrariar.

Em abril de 2016, em Turøy, na Noruega, um helicóptero H225, da fabricante Airbus Helicopters, caiu, matando 13 pessoas. Este acidente provocou uma grande comoção, pois a divulgação de um vídeo chocante feito por um espectador no solo segundos após a queda demonstrou a brutalidade da falha que a aeronave presenciou. Nas imagens, somente se vê no céu o rotor principal do helicóptero com todas as pás intactas ainda girando e caindo vagarosamente. Contudo, completamente desprendido da fuselagem da aeronave, onde estavam os 13 ocupantes. Após investigações, foi determinado que o H225 do acidente havia apresentado uma falha no segundo módulo da engrenagem epicíclica, uma questão atribuída ao projeto da aeronave.

Tendo em vista o quão crítica a caixa de transmissão principal é, fica clara a importância da lubrificação e do seu monitoramento. Esse componente, portanto, geralmente conta com bombas de óleo, linhas, radiadores, filtros e variadas formas de garantir que o fluido lubrificante chegue às engrenagens mais críticas da peça. Adicionalmente, é usualmente provido ao piloto instrumentos que indicam o funcionamento desse sistema de lubrificação, como indicadores de pressão de óleo, indicadores de temperatura de óleo e janelas para a verificação do nível de óleo — o que deve ser feito antes de todo voo.

Muitos helicópteros também contam com detectores de limalha em suas caixas de transmissão. Limalhas metálicas podem eventualmente se desprender das engrenagens da caixa e significar um desgaste excessivo delas, além de também poderem interferir na livre movimentação das peças. Em qualquer dos casos, é desejável saber da existência destas partículas metálicas, para que o piloto possa pautar a sua decisão de prosseguir com o voo ou pousar imediatamente. Para isso, os detectores de limalha usualmente são ligados a sistemas de aviso no painel de instrumentos.

Detector de limalha (ou Chip Detector).

O funcionamento desses mecanismos é relativamente simples. O detector normalmente fica posicionado em locais estratégicos da caixa onde todo o óleo que circula — com o potencial de estar carregando partículas metálicas que se soltaram — passa por ele. Na maioria das vezes, ele está ligado a um circuito elétrico e possui um imã, que, ao atrair as partículas, faz o circuito fechar a acionar uma luz de aviso.

Certos tipos de limalha, no entanto, são inofensivas, mas podem acabar acionando uma luz de emergência e fazendo o piloto pousar a aeronave em locais despreparados, eventualmente colocando a integridade do helicóptero em risco. Portanto, alguns fabricantes investem em sistemas que permitem “diferenciar” essas partículas. Um exemplo disso é o Fuzz-Buster, empregado tipicamente nos helicópteros de grande porte da Airbus Helicopters. Com ele, o piloto, ao perceber o acendimento da luz de aviso, tem a opção de aplicar uma descarga elétrica para “torrar” a limalha capturada pelo detector. Se, após isso, a luz de aviso apagar e assim permanecer, indica que a partícula destruída era do tipo inofensiva. No entanto, se a luz não apagar ou voltar a acender, significa que a limalha capturada indica um desgaste anormal com o potencial de causar uma falha catastrófica, como geralmente acontece com falhas associadas à caixa de transmissão principal.

Hoje em dia, outro recurso utilizado de forma crescente para monitorar a saúde de caixas (e outros componentes) de transmissão é o HUMS (Health and Usage Monitoring System) — ou sistema de monitoramento de saúde e uso. Ele utiliza diversos dados de sensores (como acelerômetros e termômetros) instalados em locais estratégicos para identificar vibrações ou outros comportamentos que possam indicar uma possível futura falha de componente. Sendo assim, por meio de uma análise de tendências, ele permite que as manutenções sejam melhor planejadas e executadas em momentos mais oportunos, garantindo a segurança e a rentabilidade das operações.

A caixa de transmissão principal ainda possui a importante função de alimentar diversos sistemas fundamentais para o funcionamento e segura operação da aeronave, como o sistema hidráulico (em aeronaves maiores, por exemplo, fica impossível de se manter o controle sem este), o sistema elétrico, os tacômetros (indicadores de RPM), entre outros — a depender do modelo. Isso faz com que uma pane de motor não comprometa outros sistemas do helicóptero.

Conforme mencionado anteriormente, o rotor principal e o rotor de cauda são interligados e, basicamente, quando um gira, o outro deve girar também — contudo, a velocidades diferentes. Essa característica faz com que, no advento de uma falha de motor, o helicóptero ainda conserve a sua manobrabilidade e controle direcional para permitir o piloto realizar um pouso seguro. Para isso acontecer, os eixos de transmissão do rotor principal (chamado de “mastro”) e o do rotor de cauda devem, em algum ponto, se encontrar. Este ponto é a caixa de transmissão principal.

Usualmente, estes eixos, por estarem normalmente em posições 90° diferentes — um em relação ao outro —, se conectam por meio de engrenagens cônicas, que dão conta desta defasagem angular. Ao sair da caixa de transmissão principal, o eixo de transmissão do rotor de cauda alonga-se em direção à cauda do helicóptero, passando por dentro do (ou apoiado no) cone de cauda, que é a parte da estrutura da aeronave que liga as empenagens da cauda ao restante da fuselagem.

Caixa de transmissão principal de um helicóptero turbo-eixo monomotor. Na engrenagem cônica, está conectado (por meio de um pinhão ou eixo “Bendix”) o eixo de transmissão que é movimentado pelo motor (por meio do eixo que se encontra logo abaixo dele a um ângulo de aproximadamente 37 graus) e que também movimenta o eixo de transmissão do rotor de cauda.

No cone de cauda, o longo eixo de transmissão é apoiado por suportes com rolamentos que garantem o seu alinhamento e por amortecedores, que são muito importantes para prevenir vibrações indesejadas. Adicionalmente, tendo em vista que o cone de cauda possui uma limitada capacidade de flexão, o eixo também deve poder resistir a estes esforços e, portanto, frequentemente possui juntas e conjuntos flexíveis. Em alguns casos, o eixo de transmissão pode ser composto por, na verdade, diversos eixos mais curtos conectados por juntas flexíveis.

Rolamentos que suportam o eixo de transmissão do rotor de cauda de um AS350.

Em helicópteros — como o Bell 47 — nos quais há a necessidade de se alterar ligeiramente (em torno de 15°) a direção do eixo de transmissão do rotor de cauda, faz-se o uso de juntas universais (ou juntas de Hooke). No entanto, quando este ângulo deve ser maior — como para fazer o eixo subir por um pylon antes de chegar ao rotor de cauda —, usa-se uma caixa de transmissão intermediária. O pylon é uma forma de aumentar a distância do rotor de cauda do chão, reduzindo a chance de acidentalmente chocá-lo com o solo.

Finalmente, o eixo de transmissão do rotor de cauda chega ao rotor de cauda por meio da caixa de transmissão do rotor de cauda. Suas finalidades básicas são mudar a direção do eixo e aumentar ou diminuir a velocidade. Por vezes, este componente pode ser referido como “caixa de 90°”, pois muda a direção em 90°. Alguns fabricantes preferem utilizar esta caixa para aumentar a velocidade, enquanto outros a utilizam para reduzir. Em qualquer dos casos, a RPM do rotor de cauda sempre é superior a do rotor principal, pois esse também precisa gerar muita sustentação, entretanto, conta com uma área significativamente menor. Este “déficit”, portanto, é “compensado” aumentando-se a velocidade de rotação.

Assim como a caixa de transmissão principal, a do rotor de cauda também conta com engrenagens cônicas que precisam ser lubrificadas. Este componente também é crítico, pois sua falha pode gerar a parada do rotor de cauda, causando a perda do controle direcional. Sendo assim, esta caixa geralmente também conta com detectores de limalha e janelas de verificação do nível de óleo.

O sistema de transmissão e seus componentes variam muito de aeronave para aeronave. Esta diferença fica ainda mais nítida quando se tratando de helicópteros bimotores, nos quais há a presença de eixos, engrenagens e rolamentos adicionais. Em resumo, tomar um tempo para compreender o tipo do sistema que equipa a sua aeronave pode ser fundamental para que uma luz de aviso no painel seja interpretada corretamente e para que a decisão de imediatamente ou assim que possível seja tomada com absoluta certeza, até porque pode ser você que tenha que tomá-la em cima d’água.

COMENTÁRIOS

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    Luiz Phillip 2 semanas

    Parabéns carrasqueta, muito maneiro, totalmente explicativo 😁

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    Daniel Taulle 2 semanas

    Muito bem exposto Carrasco esta materia sobre o sistema de transmissão. bem simples porem, extremamente esclarecedor.

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