Monitoramento Wireless de Vibração Torsional em Powertrain

A metodologia foca na quantificação da vibração torsional em powertrain através da medição da velocidade de rotação de componentes como volante e engrenagens. Como as amplitudes de vibração variam, múltiplos sensores são necessários. Os pontos de medição principais são o motor (excitação antes da embreagem) e a entrada da transmissão (resposta após a embreagem), permitindo avaliar a efetividade do amortecimento torsional da embreagem. O ruído de rattle, um ruído indesejável associado à folga entre engrenagens, é um foco central. Esse ruído, classificado como idle gear noise ou neutral rattle noise, é mais intenso em ponto morto devido à maior folga entre engrenagens. Os testes serão realizados em duas condições: marcha lenta e tração, para abranger diferentes níveis de carga e folgas nas engrenagens.

Sensores magnéticos do tipo pick-up são utilizados devido ao baixo custo, dimensões compactas e ausência de fontes externas para geração de sinal, embora apresentem perda de sinal em velocidade zero. A tensão induzida, proporcional à velocidade, é gerada pela Lei de Faraday através da variação do campo magnético em relação a uma bobina. A instalação apresenta restrições geométricas: a distância entre o sensor e a engrenagem deve ser de cerca de 2mm, existindo parâmetros dimensionais (d, a, b, c, e) que precisam ser considerados para um posicionamento adequado e a espessura da engrenagem deve ser maior que 2d, onde d é o diâmetro do polo do sensor. Turbtron Indústria e Comércio de Equipamentos Elétricos Ltda (2001) destaca seu uso em diversas aplicações industriais, incluindo controle de velocidade em motores automotivos.

Um circuito de condicionamento de sinal foi projetado com o software Altium Designer, utilizando o amplificador operacional OPA656 (Texas Instruments) em configuração inversora (ganho -100) e o comparador TL3016 (Texas Instruments). Um divisor de tensão (R5 e R6) reduz a tensão de saída do comparador para 2,6V, compatível com o EPOSMoteII. O circuito requer uma fonte de -5V para o amplificador operacional e uma tensão entre 2,0 e 3,6VDC para o EPOSMoteII, obtidas através de reguladores de tensão IC4 (STMicroelectronics, 5V) e IC5 (Texas Instruments, 3,3V) alimentados por uma bateria de 9V. O circuito transforma o sinal senoidal do sensor magnético em um sinal TTL, amplificando a amplitude de pico a pico de 508mV para 2,96V, adequado para o timer do EPOSMoteII.

O EPOSMoteII, um módulo de comunicação baseado no padrão IEEE 802.15.4 (ZigBee), foi escolhido para a comunicação sem fio. O módulo de sensoriamento (Startup Board) integra o EPOSMoteII com os sensores, comunicando-se via UART ou SPI e enviando sinais analógicos através de conversores ADC. Para a leitura do sensor magnético, três programas foram desenvolvidos e otimizados, focando na minimização do erro relativo de leitura. O programa 3, que mede o tempo entre uma quantidade fixa de pulsos, mostrou-se mais preciso que os demais que medem o número de pulsos em um intervalo de tempo fixo. A otimização desse programa, com média de amostras, reduziu o erro relativo para 0,329%, embora o período de amostragem seja influenciado pelo número de amostras. A frequência máxima de envio de mensagens via EPOSMoteII foi determinada em aproximadamente 57Hz para a estrutura de mensagem utilizada.

O programa final integra a leitura do sensor magnético e o envio de mensagens pelo EPOSMoteII. A otimização do parâmetro N_SAMPLES (número de amostras) considerou a comunicação sem fio, resultando em um período mínimo de amostragem de aproximadamente 17,5ms, limitando a frequência máxima de amostragem a cerca de 57Hz. Duas placas foram programadas: uma para a faixa de 1500Hz a 15500Hz (erro relativo de 0,21% a 0,66%, período de amostragem de 20ms a 120ms) e outra para 400Hz a 4200Hz (erro relativo de 0,09% a 0,28%, período de amostragem de 34ms a 180ms). Para a medição em um veículo (Ford Ka Sedan com motor de 3 cilindros), sensores foram posicionados no volante do motor (112 dentes) e na engrenagem do eixo piloto da transmissão (45 dentes), permitindo comparação direta das medições.

Na empresa ZF do Brasil, fabricante de embreagens, o sistema de medição desenvolvido foi comparado ao equipamento Rotec, usualmente empregado na empresa para medição de vibração torsional. Testes em marcha lenta (motor quente) e em tração foram realizados. A principal diferença observada foi a taxa de amostragem: o Rotec apresentou uma taxa muito superior ao sistema proposto, com um período de amostragem médio de 0,6ms contra 114ms do sistema desenvolvido. Essa diferença impossibilitou a análise de ordem da vibração utilizando os dados do sistema proposto. Nos testes, enquanto o Rotec apresentou medições estáveis, o sistema próprio mostrou erros significativos, principalmente quando ambos os módulos de comunicação transmitiam dados simultaneamente, resultando em picos de velocidade angular irreais. Em testes de tração, além de picos, foram observados valores nulos na leitura. Apesar das discrepâncias, a velocidade média em marcha lenta se mostrou próxima em ambos os sistemas (aproximadamente 860rpm).

Três fontes principais de erro são identificadas na medição da velocidade angular: erro de quantização na medição dos períodos do trem de pulsos; vibração do sensor magnético ou movimento relativo entre o sensor e a engrenagem; e variação no espaçamento entre os dentes da engrenagem (Adamson, 2004). O erro relativo máximo do Rotec é estimado em 1,1x10⁻⁴%, considerando-se apenas o erro de quantização. O erro relativo máximo do sistema proposto, considerando-se os testes, foi estimado em 0,66%. Embora o sistema desenvolvido seja significativamente mais barato (estimado em R$300,00 contra aproximadamente R$220.000,00 do equipamento RAS), a alta taxa de amostragem do Rotec (e a consequente precisão) representa uma vantagem significativa. A necessidade de um cronômetro com frequência mínima de 22,4kHz para medições precisas (considerando uma engrenagem de 112 dentes a 6000rpm) é destacada.

Na BMW do Brasil, a medição da velocidade de rotação do motor foi realizada simultaneamente pelo sistema proposto e pelo equipamento Müller-BBM, alimentado por um conversor de sinais. Diferentemente dos testes na ZF, as medições foram simultâneas, permitindo comparação direta. Um teste de tração em 2ª marcha, com aceleração até próximo da rotação de corte seguida de desaceleração, mostrou excelente concordância entre os dois sistemas, sem erros de leitura significativos. A velocidade angular variou de aproximadamente 740rpm a 6200rpm. Um teste adicional, envolvendo trocas de marcha consecutivas (da 1ª à 8ª), visou avaliar a resposta dinâmica do sistema proposto a variações abruptas. O sistema próprio respondeu de forma similar ao Müller-BBM, sem atrasos ou erros significativos. Em ambos os testes na BMW, a discretização da velocidade angular foi até melhor no sistema proposto em comparação ao Müller-BBM. A ausência de um sensor na caixa de transmissão do BMW 320i (veículo de produção) impediu a medição nesse ponto.

O trabalho integra sensores magnéticos comerciais com hardware de comunicação sem fio e software customizado, validando os resultados com equipamentos comerciais. Os objetivos específicos foram cumpridos, mas o objetivo geral de medir a vibração torsional com precisão suficiente para análise espectral não foi totalmente alcançado devido à frequência de amostragem limitada. Foram construídas e programadas duas placas: uma para frequências entre 1500Hz e 15500Hz (erro relativo de 0,21% a 0,66%, período de amostragem de 20ms a 120ms) e outra para 400Hz a 4200Hz (erro relativo de 0,09% a 0,28%, período de amostragem de 34ms a 180ms). O erro relativo mostrou-se proporcional à frequência dos pulsos. A frequência máxima de envio de mensagens via EPOSMoteII foi de aproximadamente 57Hz, para a estrutura de mensagem empregada. A medição do tempo entre uma quantidade fixa de pulsos mostrou-se mais exata que a contagem de pulsos em um intervalo de tempo fixo.

Na ZF do Brasil, a comparação com o equipamento Rotec revelou uma taxa de amostragem muito inferior do sistema proposto (114ms vs 0,6ms), inviabilizando a análise de ordem da vibração. Erros de leitura significativos ocorreram na transmissão simultânea de dados pelos dois módulos EPOSMoteII. Já na BMW do Brasil, a comparação com o equipamento Müller-BBM mostrou resultados muito próximos e boa resposta dinâmica, mesmo em testes com variações bruscas de rotação do motor (trocas de marcha). A discretização da velocidade angular mostrou-se até melhor no sistema proposto, porém a impossibilidade de instalar sensores na caixa de transmissão do veículo da BMW (por ser um veículo de produção) limitou os pontos de medição.

O sistema desenvolvido apresenta-se como uma alternativa de baixo custo aos equipamentos comerciais (R$300,00 contra aproximadamente R$220.000,00 do equipamento RAS), porém necessita de melhorias para aplicação industrial. A eliminação dos erros de leitura em transmissões simultâneas e o aumento da taxa de amostragem são cruciais. Idealmente, a medição do período de cada dente da engrenagem, e não a média de um certo número de dentes, deveria ser implementada para maior precisão na avaliação da vibração torsional. Em resumo, embora o sistema demonstre potencial, a frequência de amostragem ainda é uma limitação significativa para uma análise espectral completa e precisa da vibração torsional, necessitando de futuras otimizações no hardware e software.