Direção Dinâmica: características do sistema que equipa diversos veículos urbanos - Parte 2

Dando continuidade à edição passada, falaremos sobre o sistema de direção dinâmica que utiliza a engrenagem harmônica como elemento de superposição de ângulos de esterçamento

Engrenagem Harmônica

As características mais relevantes deste dispositivo são:

- Elevada relação de transmissão;

- Alta relação torque/peso;

- Eliminação da folga entre engrenagens.

São seus componentes (figura 1):

1. Gerador de onda. É um conjunto formado por um disco de aço de forma elíptica, circundado por um rolamento flexível o qual adota, também, a forma elíptica.

2. Estriado flexível. É um copo de aço de parede fina com dentes maquinados na superfície externa, ao redor da abertura do copo. O grande diâmetro do copo (em relação à espessura da parede) lhe outorga a necessária flexibilidade mantendo a rigidez torcional.

O gerador de onda é instalado dentro do estriado flexível que assume assim, a forma oval. Em funcionamento, o copo estriado vai se deformando assim que o conjunto disco/rolamento flexível gira dentro dele. No entanto, o stress resultante da onda de deformação à qual é submetido, é bem inferior ao limite máximo suportado pelo material.

3. Estriado circular. É um anel de aço rígido com dentes internos dentro do qual é encaixado o conjunto gerador de onda/estriado flexível. Os dentes do estriado flexível engrenam com os correspondentes do estriado circular, nos pontos extremos do eixo maior (R-R) da elipse. Em função dos dentes terem certa altura, o contato se dá, não só em dois pontos, mas entre os dentes em torno dos extremos do eixo maior da elipse. Na realidade, até 30% dos dentes em torno do eixo maior, estão engrenados constantemente. Ao mesmo tempo, em torno do eixo menor (r-r) não há contato entre o estriado circular e o flexível. Na aplicação prática deste princípio, o estriado flexível possui 2 dentes a menos que o estriado circular.

A figura 2 apresenta um corte da engrenagem harmônica com a disposição interna dos elementos.

Funcionamento

Ao girar, o gerador de onda aplica ao estriado flexível, um perfil elíptico que se movimenta de forma circular. Como resultado, os pontos de engrenamento entre os estriados flexível e circular (extremos do eixo maior R-R da elipse) vão se deslocando de forma rotativa. Ao mesmo tempo, se produz o desengrenamento dos dentes em torno do eixo menor r-r da elipse do gerador de onda. 

Sendo que o estriado flexível possui dois dentes a menos que o estriado circular e, em função do total desengrenamento possibilitado pela forma elíptica do gerador de onda, cada revolução completa deste último provoca o deslocamento de dois dentes do estriado flexível com relação ao estriado circular supondo este estacionário (fixo). Este deslocamento é no sentido contrário ao de rotação do gerador de onda.

Se o gerador de onda gira no sentido horário, o estriado flexível o faz no anti-horário e vice-versa. Desta forma, a engrenagem harmônica funciona como um redutor de rotação. Como resultado do deslocamento de somente, dois dentes a cada revolução do gerador de onda, o estriado flexível se movimenta com velocidade de rotação consideravelmente menor. Nesta configuração, o gerador de onda funciona como elemento de entrada e o estriado flexível como elemento de saída.

A relação de redução depende do número de dentes do estriado circular supondo que em todas as aplicações o estriado flexível possua dois dentes a menos.

Direção Dinâmica com Engrenagem Harmônica - O elemento principal deste sistema é um atuador eletromecânico que utiliza uma engrenagem harmônica como dispositivo de superposição de ângulos. Como exemplo será utilizado o sistema fabricado pela ZF o qual pode ser instalado na coluna de direção ou na caixa de direção. São seus componentes (figura 3):

1. Engrenagem harmônica. Funciona como elemento de superposição de ângulos. O estriado flexível é o elemento de entrada (solidário ao volante), o estriado circular é o elemento de saída (ligado ao eixo intermediário ou ao pinhão) e o gerador de onda opera como elemento de controle acionado por um motor elétrico. Nesta aplicação, o estriado circular possui dois dentes a mais (102) que o flexível (100), o que resulta numa relação de transmissão de 50:1 entre o gerador de onda e o estriado flexível. Ou seja, são necessárias 50 rotações do gerador de onda para adicionar um giro completo do volante.

2. Motor elétrico. É um motor DC sem escovas solidário ao eixo do gerador de onda. No eixo está instalada a roda fônica de sensoriamento da rotação do gerador de onda.

3. Solenoide de bloqueio. Na condição de desativado, uma mola interna estende o pino que trava a engrenagem instalada no eixo do motor elétrico impedindo a rotação do gerador de onda. Ao ligar o motor do veículo, o módulo de controle energiza o solenoide de bloqueio, o que provoca a retração do pino destravando assim, o eixo do motor. Desta forma, fica liberada a ação do atuador da direção dinâmica.

O sistema é gerenciado por um módulo de controle que se comunica através de uma rede CAN, com as unidades de comando do sistema de estabilidade, ABC/TC e do motor.

Funcinamento - Ao movimentar o volante, o ângulo de giro aplicado se transmite ao eixo intermediário ou à caixa de direção, com a relação de transmissão determinada pela engrenagem harmônica. Dependendo da velocidade do veículo e de movimentação do volante, o motor elétrico é acionado gerando a superposição de ângulos. Num sentido de rotação do motor elétrico são somados os ângulos de giro do gerador de onda e do estriado flexível solidário ao volante. No outro sentido, há subtração dos ângulos.

Lembrar que no caso do exemplo são necessárias 25 rotações do gerador de onda para adicionar ou subtrair meio giro do volante.

Por exemplo, para o sentido de giro do volante aplicado ao estriado flexível (1) como indicado na figura 4:

- Com o gerador de onda girando no sentido (2) há soma de ângulos (superposição positiva), ou seja, aumento do ângulo de esterçamento. Este é o comportamento do sistema em velocidades médias e baixa.

- Com o gerador de onda girando no sentido (3) há subtração de ângulos (superposição negativa), ou seja, diminuição do ângulo de esterçamento. Este é o comportamento do sistema em velocidades altas. Nesta situação, um determinado ângulo de giro aplicado ao volante gera um ângulo de esterçamento das rodas menor que o mesmo ângulo aplicado ao volante em baixa velocidade.

- Como complemento ao sistema de estabilidade dinâmica, o sistema atua também, de forma autônoma (sem intervenção do condutor) no caso de tendência rotacional em torno do eixo vertical do veículo (sobre-esterçamento) como, por exemplo, nos casos de frenagem em piso com diferentes graus de atrito ou curvas acentuadas em alta velocidade. Nestas situações, a direção ativa corrige em até +/- 4 ou 5 graus o ângulo de esterçamento no sentido de compensar o momento de rotação gerado.