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Projetos com Caixas de Redução (MEC162)

Para utilizar um motor elétrico de baixa potência aplicações mecatrônicas de controle, automação e robótica é preciso dispor de uma boa caixa de redução e de um sistema eletrônico de variação de velocidade. Como utilizar, na prática, este conjunto e como montar alguns objetos eletrônicos interessantes e de baixo custo é o que veremos neste artigo. Elaborado em torno de uma caixa de redução padrão e de um circuito de controle de excelente desempenho, damos muitas sugestões práticas.

Os pequenos motores de corrente contínua (DC) que encontramos em brinquedos elétricos e outros dispositivos que envolvem movimento não possuem força para o acionamento direto de uma roda propulsora ou de uma alavanca acoplada aos seus eixos.

Para que estes motores possam mover um brinquedo, um veículo controlado à distância ou uma alavanca num servomecanismo, é preciso haver uma boa redução.

A redução, ao mesmo tempo em que diminui a velocidade, aumenta a força.

Com o correto equilíbrio entre estas duas grandezas (velocidade e força) podemos obter o comportamento ideal para qualquer automatismo que desejemos montar.

Assim, dispondo de um mecanismo de redução, quer tenha sido projeta-

do exclusivamente para esta finalidade, quer seja aproveitado de um velho brinquedo fora de uso, podemos desenvolver montagens muito interessantes, como:

- Veículos em miniatura com controle remoto por fio, por raios infravermelhos ou rádio

- Robôs

- Sistemas para aberturas de cortinas ou movimentação de objetos leves

- Antenas externas orientadas por controle remoto

- Automatismos para maquetes, presépios, barcos de controle remoto e ferrovias em miniatura

 

Neste artigo, focalizamos um sistema redutor que pode ser usado, juntamente com um controle eletrônico, em muitos projetos que podem ser desenvolvidos a partir das sugestões que daremos a seguir.

O próprio circuito eletrônico de controle pode ser experimentado numa matriz de contatos até se chegar ao desempenho desejado e depois definitivamente transferido para uma placa de circuito impresso.

O controle descrito tem por característica a modulação de largura de pulsos (PWM - Veja mais no ALM442), que garante grande possibilidade de variação de velocidade com pouquíssima perda de torque, mesmo nas mínimas velocidades

 

Características

Faixa de tensões para os motores usados: 3 a 12V

Faixa de correntes: 50 a 550 mA

Tipo de controle: PWM

Faixa de controle: 2 rpm a 40 rpm (aprox.)

Consumo do circuito de controle (sem carga): 5mA

 

A CAIXA DE REDUÇÃO

Para reduzir a velocidade de ação de um pequeno motor de corrente contínua, e assim conseguir força ou torque, utilizamos um conjunto de engrenagens calculadas de tal forma a nos dar o comportamento final desejado.

Assim, para o tipo mais simples de redução usamos apenas duas engrenagens, conforme mostrado na figura 1.

 

Figura 1 – Redução com duas engrenagens
Figura 1 – Redução com duas engrenagens

 

 

A relação entre o número de dentes de cada engrenagem nos dá a taxa de redução e de aumento de força no eixo. Assim, se a pequena engrenagem no

eixo do motor tiver 6 dentes e a engrenagem maior tiver 60, teremos uma redução de 60/6 = 10 vezes.

Este também será o valor pelo qual ficará multiplicada a “força" que o motor é capaz de produzir.

Supondo, por exemplo, que uma rodinha de 5cm de perímetro seja presa ao eixo do motor, conforme mostra a figura 2, em cada volta do motor, se o sistema for usado para propulsionar um veículo, ele avançará 5cm.

 

Figura 2 – Redução do movimento
Figura 2 – Redução do movimento

 

 

Se o motor girar a 200 rpm, o veículo em questão percorrerá uma distância de 200 x 5 = 1000 cm ou 10 metros.

Utilizando a caixa de redução, e fixando a mesma roda propulsora no eixo da engrenagem maior, teremos uma mudança de comportamento para o veículo: em cada volta ele ainda percorrerá os 5 cm, mas a rotação da engrenagem maior estará reduzida em 10 vezes, e em cada minuto ele percorrerá apenas

20 x 5 = 100 cm ou 1 metro.

Qual a vantagem? Supondo que o motor acoplado à roda propulsora consiga tracionar um veículo com peso máximo de 100 gramas, com a redução, es

ta capacidade ficará multiplicada pelo mesmo valor que temos para a redução da velocidade, ou seja, 10 vezes.

O resultado é que este veículo, mesmo andando mais devagar, conseguirá “carregar” um peso de 10x 100 = 1000 gramas (figura 3).

 

   Figura 3 – Aumento da força
Figura 3 – Aumento da força

 

 

Veja, então, que se quisermos montar um pequeno veículo ou um mecanismo que precise mais de força do que de velocidade, é importante ter a redução.

Reduções maiores do que a indicada podem ser conseguidas com a utilização de diversas engrenagens, conforme mostra a figura 4.

 

   Figura 4 – redução com mais engrenagens
Figura 4 – redução com mais engrenagens

 

 

Assim, se a primeira engrenagem fizer uma redução de 10 vezes e a segunda de 5 vezes, o resultado será uma redução final de 10 x 5 = 50 vezes.

Evidentemente, a velocidade ficará dividida por este valor e a força multiplicada.

Com redução na taxa indicada podemos obter uma .força considerável de pequenos motores, mesmo tendo pilhas como fonte de alimentação, com alguns levantando pesos de alguns quilos, sem problemas.

 

Por questão de didática, não estamos utilizando as unidades físicas próprias para a análise do comportamento do redutor. Assim, ao falarmos em forças ou pesos não estamos usando o N (Newton), e, ao falarmos de redução, não estamos falando em momentos (N.m). Sugerimos aos que possuam maiores conhecimentos de física, que procurem em livros as fórmulas que

permitem calcular com precisão os comportamentos dos redutores com engrenagens. Também temos diversos artigos sobre o assunto no site.

 

O CONTROLE ELETRÔNICO

Uma maneira de variar a velocidade de um pequeno motor de corrente contínua (DC) consiste em se alterar, através de um potenciômetro, a tensão aplicada, conforme mostra a figura 5.

 

   Figura 5 – Controle linear de velocidade
Figura 5 – Controle linear de velocidade

 

 

No entanto, este tipo de controle tem deficiências.

Uma delas está no fato de não conseguirmos um controle preciso nas baixas velocidades.

Quando nos aproximamos de OV, a velocidade do motor e sua força deveriam reduzir-se gradualmente.

Contudo, o que ocorre é uma parada repentina.

Podemos perceber isso em muitos brinquedos como, por exemplo, autoramas e trens elétricos que, uma vez dada a partida, existe um ponto do controle, quando aceleramos, em que repentinamente o veículo “salta", já com uma certa velocidade.

O gráfico da figura 6 mostra o que ocorre.

 

   Figura 6 – Comportamentos de um motor
Figura 6 – Comportamentos de um motor

 

 

Uma técnica para se conseguir um controle perfeito, mesmo nas velocidades muito baixas, consiste em se aplicar a tensão por pulsos modulados em duração (largura) e não pela variação da resistência em série.

Com esta técnica, a velocidade do motor dependerá do tempo, num ciclo em que a tensão permanece no nível alto.

Veja, entretanto, que, mesmo nas velocidades menores, a tensão aplicada ainda é máxima.

O que ocorre é que a duração do pulso é menor conforme mostra a figura 7.

 

   Figura 7 – Potência em função da largura de pulso
Figura 7 – Potência em função da largura de pulso

 

 

O resultado deste pulso de tensão igual ao que se tem na velocidade máxima, mas com duração mais curta, é que o motor perde pouco do seu torque, conseguindo “puxar" cargas pesadas mesmo em velocidades muito baixas.

Um trenzinho elétrico que use um controle deste tipo consegue partir da velocidade zero vagarosamente com muito mais realismo.

O mesmo ocorre em relação a um veículo ou um braço de

robô, em que se exige mais precisão.

No nosso caso, para obtermos este tipo de controle, usamos um 555 na configuração astável, em que temos dois potenciômetros (ou apenas um duplo) atuando simultaneamente no circuito, ou seja, dois potenciômetros acionados pelo mesmo eixo.

A frequência deste circuito se mantém mais ou menos constante, em torno de 100 Hz, mas podemos alterar a largura dos pulsos de modo a termos exata-

mente o que um motor precisa para variar sua velocidade de zero até o máximo, conforme mostra o circuito da figura 8.

 

   Figura 8 – PWM com o 555
Figura 8 – PWM com o 555

 

 

Com uma caixa de redução e este circuito, podemos praticamente fazer com que o eixo gire tão devagar que dê uma volta em mais de um minuto, ou ir tão depressa que mova um veículo na razão de 10 metros ou mais por minuto.

A força, por outro lado, não se altera.

Para controlar a corrente intensa dos motores, temos uma etapa amplificadora com, transistor PNP.

O transistor sugerido tem uma corrente máxima de 3A, mas não recomendamos que se ultrapasse 1A.

 

MONTAGEM DO CONTROLE

Na figura 9 temos o diagrama completo do controle.

 

 

   Figura 9 – Diagrama completo do controle
Figura 9 – Diagrama completo do controle

 

 

A disposição dos componentes na placa de circuito impresso é mostrada na figura 10.

 

   Figura 10 – Placa de circuito impresso para a montagem
Figura 10 – Placa de circuito impresso para a montagem

 

 

As seções do potenciômetro duplo devem ser ligadas de tal forma que, quando a resistência de uma aumenta, a do outro diminui.

Sem esta forma de ligação o controle não atuará da forma esperada.

O transistor de potência deverá ser dotado de um radiador de calor.

O capacitor Cl eventualmente poderá ser alterado na faixa de 470 nF a 2,2 µF para "casar” com as características do motor usado.

O capacitor C2 deve ter uma tensão pelo menos 50% maior que a usada na alimentação do motor e o integrado 555 pode ser montado em soquete, o que facilitaria sua substituição em caso de necessidade.

Os resistores são todos de 1/8 ou ¼ W com 5 ou 10% de tolerância.

Este circuito funcionará com tensões de 5 a 12V.

Para motores de 3 V deve ser ligado em série um resistor que proporcione a queda de tensão de 2V na potência máxima.

 

 

PROJETOS

 

a) VEÍCULO CONTROLADO

Com dois redutores e dois controles do tipo indicado podemos facilmente controlar um veículo, como o da capa, utilizando para isso fios condutores.

Na figura 11 temos a maneira de se fixar os redutores numa base de madeira ou plástico com a propulsão feita diretamente por rodas fixadas no eixo da redução.

 

   Figura 11 – Veículo robótico (veja nosso artigo Robô de Combate – MEC093)
Figura 11 – Veículo robótico (veja nosso artigo Robô de Combate – MEC093)

 

 

O controle de velocidade e direção é' feito de modo diferencial.

Assim, variando a velocidade dos dois motores na mesma proporção, o veiculo se desloca em linha reta. No entanto, com a variação desigual

da velocidade, levamos o veículo a fazer amas.

Desta forma, se avançarmos a velocidade do motor da direita, o veículo tende para a esquerda, o mesmo ocorrendo se reduzirmos o motor da esquerda.

Para inverter o sentido do movimento, basta acionar uma chave de inversão de polaridade dos motores.

Dispositivos adicionais como sirenes, LEDs pisca-“pisca, movimentadores de armas, podem ser acrescentados.

Futuramente daremos elementos para instalação de controle remoto nestes veículos, quer seja por luz (infravermelho), quer por rádio.

As rodas usadas são do tipo empregado para modelismo ou mesmo de brinquedos fora de uso.

Os fios de conexão dos motores devem ser bem flexíveis c compridos.

 

b) ABERTURA DE CORTINA

Na figura 12 temos o emprego do sistema para q abrir e fechar uma cortina por meio de controle remoto por fio (a utilização de um controle por foco de

luz será analisada futuramente).

 

   Figura 12 – Controle remoto de cortina
Figura 12 – Controle remoto de cortina

 

 

É importante observar o indicador de fim de curso do movimento do motor.

Veja também que, neste caso, não é preciso ter o controle de velocidade, já que a abertura e o fechamento da cortina pode se dar em velocidade única.

O sistema de argolas deslizando num cano é importante para termos um mínimo de peso para a movimentação do redutor.

Uma fonte de alimentação com tensão e corrente de acordo com o motor do redutor deve ser empregada, caso não se deseje utilizar pilhas.

 

c) ANTENA GIRATÓRIA

Antenas de µHF, que são pequenas e leves, podem ser orientadas à distância da forma sugerida na figura 13.

 

    Figura 13 – Controle de antena
Figura 13 – Controle de antena

 

 

Deve-se apenas ajustar a velocidade para um mínimo e tomar cuidado para que ela não dê mais de uma volta completa em cada sentido, o que faria seu fio enrolar.

 

d) GUINDASTE

Na figura 14 temos o sistema com um redutor adaptado a um guindaste com eletroímã.

 

   Figura 14 – Um guindaste
Figura 14 – Um guindaste

 

 

Uma mesma fonte de alimentação, com pelo menos 1 A de capacidade, alimenta tanto o redutor como o eletroímã.

Este consiste em aproximadamente 800 voltas de fio 28AWG num parafuso de 0,5 cm de diâmetro e, pelo menos 2 ou 3cm de comprimento, com arruelas grandes.

Com este eletroímã objetos, metálicos poderão ser suspensos pelo guindaste.

Existe a possibilidade de se acrescentar dois ou mais redutores para termos movimentos giratórios da torre e também dirigir o veículo, levando-o a recolher peças em diversos locais.

Veja que a utilização de um controle programável através de microcomputador não é difícil, dadas as características do motor usado no redutor.

 

e) OUTRAS APLICAÇÕES

Em modelismo, temos diversas outras aplicações, tanto para o controle eletrônico como para o redutor mecânico.

Na figura 15 temos aplicações em ferrovias miniatura e também em barcos, tanto no controle como na animação de figuras.

 

   Figura 15 – Outras aplicações
Figura 15 – Outras aplicações

 

 

Na utilização deve ser levada em conta a variação de velocidade desejada e forma que deve ser feita.

Motores de 3 a 12 V variam bastante de potência, caso em que se deve fazer um estudo prévio.

Uma análise das características mecânicas do redutor padrão será feita futuramente, de modo a permitir utilização mais crítica.

Aos interessados em robótica, em que o movimento do robô, dos braços e, eventualmente, de pinças para pegar objetos são muito mais interessantes, temos dezenas de artigos na nossa seção de mecatrônica tratando do assunto.

 

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