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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

GENILDO CARLOS PERPETUO DADA

GUSTAVO VINICIUS SANTANA

DIREÇÃO AUTOMOTIVA PARA DEFICIENTES

GARÇA

2015

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”

CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

Genildo Carlos Perpetuo Dada

Gustavo Vinicius Santana

DIREÇÃO AUTOMOTIVA PARA DEFICIENTES

Artigo Científico apresentado à Faculdade de

Tecnologia de Garça – FATEC, como requisito

para conclusão do Curso de Tecnologia em

Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte

comissão de professores:

Data da avaliação:___/___/___

________________________________

Prof. Edson Mancuzo

FATEC – Garça

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Prof.

FATEC – Garça

________________________________

Prof.

FATEC – Garça

GARÇA

2015

DIREÇÃO AUTOMOTIVA PARA DEFICIENTES

Genildo Carlos Perpetuo Dada1 genildo.dada@gmail.com

Gustavo Vinicius Santana2

gu.santi@gmail.com

Prof° Edson Mancuzo3

edson.mancuzo@fatec.sp.gov.br

Resumo: A tecnologia mecatrônica supervisiona o gerenciamento de sistemas complexos integrados, por meio da mecânica, da eletrônica e da computação. Nesse contexto, nasceu o tema

escolhido como objeto de estudo para a pesquisa, o qual se constituirá no Trabalho de Conclusão

do Curso (TCC). O tema em questão objetiva colocar em prática o conhecimento teórico e prático adquirido durante o curso, em prol dos deficientes físicos com dificuldade em girar o volante do

automóvel, propiciando conforto, mobilidade, autonomia e melhor qualidade de vida com um

automóvel adaptado. O exposto justifica a relevância e o desenvolvimento de um protótipo de

interface para o uso de deficientes físicos na direção de um veículo automotivo adaptado, para isso, utilizou-se de guia um joystick devido a sua sensibilidade de movimentos e seu baixo custo,

semelhante aos existentes em cadeiras de rodas elétricas. Essa interface contém um motor redutor

de corrente contínua (DC) para o movimento do volante (horário e anti-horário), um par de engrenagens (coroa e pinhão) para a transferência de torque do motor para a coluna de direção,

um circuito eletrônico ponte H para a inversão de rotação do motor, uma bateria (a própria do

automóvel) para a alimentação do sistema e, por fim, um joystick que tem a mesma função que o

volante.

Palavras-chave: Automóvel. Direção. Acessibilidade. Mecânica. Eletrônica.

Abstract: The mechatronics technology oversees the management of integrated complex

systems, through mechanical engineering, electronics and computing. In this context, the theme chosen as an object of study for research was born, which will constitute the Course Completion

Work (TCC). The subject in question aims to put into practice the theoretical knowledge and

practical acquired during the course, for the benefit of disabled people who have difficulty turning

the car's steering wheel, providing comfort, mobility, autonomy and better quality of life, with an adapted car. The foregoing justifies the relevance and aims to develop a prototype interface for

the use of disabled people towards an adapted motor vehicle, for that, we used to guide a joystick

due to their sensitivity to movement and its low cost, similar to those existing in electric wheelchairs This interface contains a DC geared motor (DC) to the steering wheel movement

(clockwise and counterclockwise), a pair of gears (crown and pinion) for the engine torque

transfer to the steering column, an electronic H-bridge circuit for reversing of the motor, a battery (the own automobile) for the system power and, lastly, a joystick which has the same function as

the wheel.

Keywords: Car. Direction. Accessibility. Mechanics. Electronics. Car.

1 - Aluno do curso de tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC – Garça

2 - Aluno do curso de tecnologia em Mecatrônica Industrial – FATEC – Garça

3 - Docente da Faculdade de Tecnologia de Garça

LISTA DE FIGURAS E QUADROS

Figura 1: Joystick utilizado no protótipo. ..................................................................... 9

Figura 2: Motor FGP 8,9 w. ......................................................................................... 9

Figura 3: Desenho técnico do motor. .......................................................................... 10

Figura 4: Esquema elétrico do comando do circuito ponte H. ..................................... 12

Figura 5: Montagem inicial moto redutor e sistemas de engrenagens.......................... 14

Figura 6: Montagem no veiculo de teste. .................................................................... 15

Figura 7: Diagrama eletrico do controle. .................................................................... 16

Figura 8: montagem mecânica do protótipo................................................................ 17

Quadro 1: Abreviações e significados da figura1. ...................................................... 10

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 6

2 DESENVOLVIMENTO ...................................................................................... 7

2.1 Revisão Bibliográfica ................................................................................... 7

2.2 Metodologia do Protótipo ............................................................................ 8

2.2.1 Cálculos gerais ........................................................................................ 11

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 15

4 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 18

REFERÊNCIAS..................................................................................................... 19

6

1 INTRODUÇÃO

Após um acidente, a pessoa que perde parte dos seus movimentos (conforme o

nível e grau da lesão e dependendo dos movimentos e força que permaneceram e/ou

retornaram) poderá ou não dirigir veículos adaptados com comandos manuais que

existem hoje no mercado.

Na maioria das vezes a falta de recursos financeiros dificulta a possibilidade de

uma pessoa deficiente voltar a dirigir, como foi o caso de um colega da faculdade, que

além dos recursos financeiros limitados, o mesmo tem dificuldades para girar o volante

nos carros adaptados que existem hoje no mercado.

Com isso, surgiu a ideia de desenvolver um protótipo de controle de direção

automotiva de baixo custo, facilitando a mobilidade, confiança autonomia e melhor

qualidade de vida das pessoas portadoras de deficiências físicas onde os movimentos dos

membros superiores não possibilita o movimento de girar o volante de um automóvel.

Segundo o instituto Brasileiro de geografia e estatística (IBGE)4, no Brasil 45,6

milhões de pessoas possui alguma deficiência, 16,6% são deficientes físicos que

enfrentam dificuldades diariamente. A que se destaca mais é acessibilidade no transporte

e por esse motivo dependem do cuidado de outra pessoa para ajudar a se locomover.

Esse protótipo viabilizará a locomoção confortável de pessoas portadoras de

alguma deficiência, seja física, motora ou quaisquer outras limitações para qual este

projeto poderá ser utilizado. O controle de direção com joystick possibilitará ao individuo

adaptação ao meio comum.

Neste protótipo foi utilizado a própria bateria do automóvel como fonte de

alimentação, e uma placa eletrônica com um circuito ponte H para inverter a rotação do

motor que irá alternar o lado do giro da direção permitindo que o usuário possa controlar

o volante de um veiculo através de um Joystick, fazendo o movimento horário e anti-

horário da coluna de direção por um motor (moto redutor) de corrente continua, que será

controlado por esse Joystick e poderá ser colocado em qualquer posição atendendo a

necessidade do deficiente físico, podendo ser aplicado em vários tipos de automóveis ,

como por exemplo, com caixa de direção mecânica, elétrica ou hidráulica.

A metodologia aplicada é o desenvolvimento experimental de um protótipo

utilizando os recursos a as ferramentas da mecatrônica, para verificar a viabilidade para

a resolução do problema de pesquisa proposto.

4 - Segundo pesquisa realizada em 2010

7

O objetivo geral deste trabalho é desenvolver um controle de direção automotiva

para deficientes físicos que tenham dificuldade para girar o volante dos carros adaptados

que existem hoje no mercado, buscando uma solução de baixo custo que possibilite o

usuário realizar suas atividades cotidianas como: ir ao médico, ao supermercado, sem

depender de outra pessoa.

2 DESENVOLVIMENTO

2.1 Revisão Bibliográfica

Segundo Rosário (2005), a Mecatrônica se constitui na aplicação de complexos

sistemas integrados decorrente das áreas de mecânica, eletroeletrônica, ciência da

computação, e devemos extrair o que é de mais adequado em cada uma das áreas, que os

resultados sejam de tal maneira a simples soma de especialidades, o conceito de

mecatrônica representa a combinação adequada das matérias.

Uma sinergia ocorre entre elas para desenvolver máquinas automáticas que

facilitam o trabalho do homem no chão de fabrica, proporcionando maior qualidade no

processo de fabricação, aumentando a produtividade e diminuindo as despesas.

A metodologia utilizada para a elaboração do protótipo, é embasada em um

aprofundamento teórico sobre o sistema de controle eletrônico de um moto-redutor

(circuito ponte H) e conjunto de engrenagens mecânicas (coroa pinhão). A eletrônica é o

conjunto de tecnologias que permite o controle sobre grandezas físicas, como a tensão

elétrica e a corrente elétrica, processando informações através dos sinais emitidos pelos

sensores elétricos em um circuito, gerando assim o acionamento do motor.

As engrenagens são componentes mecânicos que consistem basicamente de dois

cilindros nos quais são fabricados dentes. A transmissão de força é realizada através do

contado entre os dentes de duas ou mais engrenagens, obtendo o ganho de torque (ou

velocidade).

Conforme Cunha (2005), em sistemas mecânicos podemos contar com

sistemas de engrenagens cilíndricas de dentes retos, que de acordo com o conceito de

relação de transmissão (i) é definida como a relação entre o eixo motor e do eixo movido,

já a relação (fi) representa o inverso da relação.

O motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em

mecânica, trabalhando pela interação entre campos eletromagnéticos, fornecendo assim

uma força mecânica necessária para girar a coluna de direção do veiculo.

8

Segundo Albuquerque e Seabra (2011), o transistor Fet de potência pertence á

classe dos dispositivos a condução de corrente elétrica, sendo os dispositivos de potência

com maior velocidades de operação.

Assim, no circuito eletrônico de ponte H (Full Bridge, ou Ponte completa) usando

o transistor fet, é possível conseguir uma excelente resposta do controle para acionamento

do motor.

Conforme Sanches (2000), os relés são componentes eletromecânicos (chaves de

contato) de comutação, abrem e fecham circuitos através de seus contatos, quando a sua

bobina é energizada, normalmente aplicados quando se quer controlar circuitos de

potência maiores do que a capacidade do circuito de controle com tensões diferentes

(CA/CC, CC/CA), ou ate para isolar circuitos por questões de segurança.

2.2 Metodologia do Protótipo

A metodologia utilizada é a elaboração de um protótipo, o qual se constitui em

um experimento sobre o sistema de controle elétrico de um moto redutor, um circuito

ponte H e um conjunto de engrenagens mecânicas (coroa pinhão).

O protótipo em questão é o desenvolvimento de um controle de direção

automotiva para deficientes físicos que tenham dificuldades para girar o volante dos

carros adaptados que existem hoje, controlando a direção com um circuito eletrônico e

um Joystick, fazendo o movimento horário e anti-horário na coluna de direção por um

motor de corrente continua, que será controlado por esse Joystick e poderá ser colocado

em qualquer posição, atendendo a necessidade do deficiente físico, esse sistema será

aplicado juntamente ao original do automóvel, como por exemplo, com caixa de direção

mecânica, elétrica ou hidráulica.

A pesquisa foi desenvolvida por meio de revisão da bibliografia exploratória e

estudo de casos, dividida em três etapas.

Etapa 1: pesquisa e revisão bibliográfica, leitura e interpretação do material.

Etapa 2: estudo de casos em especifico de um aluno com limitações da Fatec,

escolhido para analise e desenvolvimento do protótipo.

Etapa 3: definir os componentes e circuitos necessários para esta automação.

Foi utilizado um joystick semelhante ao da cadeira de roda elétrica, um motor

redutor de corrente contínua de 12V e um sistema de transmissão por engrenagem coroa

e pinhão para elevar o torque do motor redutor elétrico.

9

A fonte de alimentação será a própria bateria do automóvel, foi usada uma placa

eletrônica, com um circuito ponte H, para inverter a rotação do motor para alternar o lado

do giro da direção.

o joystick utilizado no sistema de controle, fornecendo sinais elétricos através dos

movimentos da direita para esquerda para acionamento do motor (moto redutor) acoplado

no sistema de engrenagens, conforme figura 1.

Figura 1: Joystick utilizado no protótipo.

Fonte: Os Autores

O moto redutor utilizado para atender o trabalho parametros do protótipo com

eficácia foi FPG 12 V 8,9 W.

Na figura 2, os dados técnicos do motor.

Figura 2: Motor FGP 8,9 w.

Fonte: Bosch (2015).

10

Quadro 1: Abreviações e significados da figura1.

Abreviações Significado das abreviações

U n Tensão normal

P n Potência nominal

N n Rotação nominal

I n Corrente nominal

I max Corrente máxima

M n Torque nominal

M a Toque de bloqueio

I Redução mecânica

Rot. Direção de rotação

S Classe de funcionamento

Ip Grau de proteção

Kg Peso do motor

E Numeração do motor

Fonte: Os Autores.

A Figura 3 demonstra o desenho técnico do motor (moto redutor) utilizado no

projeto.

Figura 3: Desenho técnico do motor.

Fonte: Manual Bosch (2015).

O torque necessário para girar o volante, medido por um torquímetro na coluna

de direção de um automóvel popular com caixa de direção mecânica é de 10,8 Nm.

11

Como o torque do motor (moto redutor) fornecido pela bosch de 6Nm

considerando o ponto de maior rendimento, foi utilizado um par de engrenagem para

aumentar o torque.

2.2.1 Cálculos gerais

Potência de entrada (P1):

Potência oferecida pelo motor em funcionamento usando a tensão e a corrente

nominal.

P1= 𝑈 ∗ 𝐼

P1= 12 ∗ 15

P1= 180W

Onde:

P1: potência de entrada (W)

U: Tensão em (V)

I: Corrente em (A)

Potência de saída (P2):

Potência de saída fornecida no eixo do motor redutor após o torque necessário

para realizar o trabalho requerido .

P2=2 ∗𝜋

60∗ 𝑚 ∗ 𝑛

P2=2 ∗𝜋

60∗ 6 ∗ 48

P2= 30W

Onde:

P2: Potência de saída (W)

M: Torque (Nm)

n: Rotação (rpm)

O par de engrenagens é de um pinhão de 14 dentes e uma coroa com 30 dentes e

como a engrenagem encontrasse acoplada ao eixo arvore do motor, conclui-se que a

rotação do pinhão é a mesma do motor redutor. Assim calculamos o torque entregue no

eixo da coluna de direção

12

MT = 30

𝜋∗

𝑃

𝑁∗

𝑍2

𝑍1

MT= 30

𝜋∗

30

48∗

30

14

MT= 12Nm

Onde:

P: potência (W)

MT: torque (Nm)

n: rotação (rpm)

Z1: pinhão (14)

Z2 :coroa (30)

O torque obtido de 12Nm, entregue ao eixo da coluna de direção é satisfatório

para o movimento na caixa de direção mecânica de um automóvel.

O protótipo também pode ser adaptado em carros com sistemas de direção

hidráulica e elétrica, pois o esforço aplicado nesse sistema é menor do que em uma caixa

de direção mecânica.

Figura 4: Esquema elétrico do comando do circuito ponte H.

Fonte: Os Autores.

13

O circuito de controle principal de acionamento bidirecional do motor mais

conhecido como ponte H é utilizada em varias aplicações por ser simples e eficaz.

O movimento de girar o motor no sentido horário se dá polarizando os transistores

Q1 e Q4, sendo que o motor ficará com tensão positiva de um lado e negativa do outro

lado.

Para que o motor gire em sentido anti-horário basta desligar os transistores Q1 e

Q4 e polarizar os transistores Q2 e Q3, sendo que o sentido da corrente (e tensão) será

invertido.

Se acionados os transistores Q1 e Q3 ou Q2 e Q4 simultaneamente colocaremos

o motor em curto mantendo o motor travado sem danos, mas não pode ser acionado os

transistores Q1 e Q2 ou Q3 e Q4 ao mesmo tempo, pois isso causará um curto entre o

potencial positivo e o potencial negativo causando danos no circuito e na fonte de

alimentação.

A ponte H pode ser montada com relés eletromecânicos, transistores, mosfet

encontrados nas mais diferentes potencias facilitando a montagem para a qual seja

utilizada.

Conforme Figura 6, inicio da montagem da transmissão por engrenagens sendo

dimensionada para um torque de 10,8Nm.

14

Figura 5 – Montagem inicial moto redutor e sistemas de engrenagens.

Fonte: Elaborado pelo autores.

15

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Conseguimos a força necessária através do motor com suas engrenagens, para

mover a coluna de direção no sentido horário e anti-horário sendo controlado por um

joystick e um circuito de ponte H para inverter a rotação do motor com o sinal do controle,

assim a pessoa com deficiência conseguiu controlar a direção do veiculo com comodidade

segurança e precisão, com um baixo custo nesse conjunto de adaptações, foram feito teste

em um protótipo de veiculo, e foram atingidos os resultados esperados.

Conforme demonstrado na Figura 8, o protótipo foi montado na coluna de direção

de um kart cross, que possui a mecânica semelhante a do veiculo fusca da Volkswagen,

com caixa de direção mecânica. Foi necessário realizar adaptações para aplicação desse

sistema de direção. Os testes foram realizados, sendo possível observar resultados e

possíveis falhas.

Figura 6: Montagem no veiculo de teste.

Fonte: Elaborado pelo autor.

Diagrama eletrico do circuito ponte h, que foi montado para controle do prototipo

figura 9.

16

Figura 7: Diagrama eletrico do controle.

Fonte: Elaborado pelos autores,

17

Montagem final da estrutura mecânica do protótipo na bancada para apresentações

figura 10.

Figura 8: Montagem mecânica do protótipo.

Fonte: Os autores.

18

4 CONCLUSÃO

Neste trabalho, foi desenvolvido um protótipo de controle de direção automotiva

para deficientes, voltado para pessoas que possuem algum tipo de limitações físicas nos

membros superiores que impossibilita a força necessária para virar o volante de um

automóvel adaptado que existe hoje no mercado.

Podemos concluir que esse processo de adaptação de um controle joystick nos

automóveis, trouxe uma série de benefícios ao portador de deficiência, resultados muito

satisfatório, não só para essas pessoas, mas também para a sociedade e demostrar que

com a tecnologia que possuímos hoje em dia viabiliza resolver problemas como a

acessibilidade de uma pessoa com limitações.

O objetivo desse projeto foi alcançado. Desenvolvemos o controle, testamos em

prática e os resultados foram os esperados. Funcionou corretamente e o mais importante

é o baixo custo desse projeto, que ajuda os interessados com um custo viável.

Este trabalho foi satisfatório, por explorar a área da mecatrônica possibilitando

colocar em prática os conhecimentos teóricos durante o curso de mecatrônica Industrial.

19

REFERÊNCIAS

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Bookman, 2010.

BOSCH. Catálogo geral: motores elétricos. Disponível em:

<http://www.kalatec.com.br/Motor_Bosch/catalago2011_Bosch_ktc.pdf>. Acesso em:

10 ago. 2015.

CIPELLI, A. M.; SANDRINI, W. J.; Markus, O. Teoria e desenvolvimentos de

projetos de circuitos eletrônicos. 22. ed. São Paulo: Érica, 2006.

CAPELLI, A. Automação industrial: controle do movimento e processos contínuos. 2.

ed. São Paulo: Érica, 2011.

DURVAL, S. Eletrônica industrial montagem, Rio de Janeiro Interciência -2000.

ESTADÃO. Brasil tem 45,6 milhões de deficientes. Disponivel em:

<http://www.estadao.com.br/noticias/geral,brasil-tem-45-6-milhoes-de-

deficientes,893424>. Acesso em: 29 out. 2015.

Introdução engrenagens. Disponivel em:

<http://www.ebah.com.br/content/ABAAABjtoAB/captulo-01-introducao-

engrenagens>. Acesso em: 10 nov. 2015.

NASCIMENTO, G. C. S. Maquinas elétricas 4 ed. São Paulo: Erica 2011.

RÔMULO, O. A.; SEABRA. A. C. Utilizando eletrônica com AO, SCR, TRIAC, UJT,

PUT, CI555, LDR, LED, IGBT e FET de Potência. 3º Reimpressão. São Paulo. 2011-

Editora Érica Ltda.

ROSÁRIO, J. M. Automação industrial. São Paulo: Baraúna, 2009.

______. Princípios de mecatrônica. 6. ed. Reimpressão. São Paulo: Baraúna, 2011.

SANKIS, M. Elementos de máquinas. 9. ed. Reimpressão. São Paulo: 2011.