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VM2 - veículo mecatrônico de competição (MEC022)

Nas primeiras edições da revista Mecatrônica Fácil, apresentamos o projeto de um veículo mecatrônico de competição, o VM1, especialmente indicado para servir como tema transversal do ensino de física ou ainda introdução ao ensino de tecnologia nos cursos de nível fundamental, médio, técnico e mesmo superior. A versão original, propulsionada por uma hélice de CD fez grande sucesso, conforme pudemos comprovar pelo número de escolas que a adotaram (inclusive competições universitárias). É chegado agora o momento de apresentarmos uma versão mais avançada, baseada em componentes Modelix , que, conforme o leitor verá tem inúmeras vantagens em relação à anterior, tanto em termos de facilidade de montagem como desempenho.

O VM1 consistia num pequeno carrinho propulsionado por uma hélice feita de CD. A hélice era acoplada diretamente a um pequeno motor controlado por um circuito eletrõnico dotado de um sensor de luz.

Ao se iluminar o LDR com uma lanterna ou então descobri-lo, deixando a ação da luz ambiente comandar o circuito, o carinho entrava em funcionamento, partindo em alta velocidade.

A idéia básica era a realização de uma competição, em que os alunos montariam seus carrinhos e depois fariam uma corrida, com regras bem estabelecidas quanto ao tamanho do carrinho, peso, tensão de alimentação, etc.

Na versão inicial, o problema básico era a construção da hélice que deveria ser recortada com uma tesoura num CD comum e depois dobrada à quente, o que causava muitos problemas, pois ela se tornava quebradiça.

Numa segunda versão que adotamos com nossos alunos no ano seguinte à apresentação da original, propusemos a utilização de uma transmissão por correia ou engrenagem, obtendo assim carrinhos muito mais rápidos, eficientes e potentes, conforme mostra o exemplo da figura 2.

 

No entanto, mesmo esses carrinhos tinham alguns problemas. O principal estava na obtenção das engrenagens e depois na sua fixação no motor (pinhão) e nas rodas propulsoras.

Obter engrenagens apropriadas era uma tarefa complicada, com muitos conseguindo tipos plásticos de velhos toca-fitas, carrinhos, etc. Mas mesmo com boas engrenagens, a dificuldade de se trabalhar com o carrinho como um todo exigia muito da habilidade dos alunos.

 

A Solução Modelix

De modo a superar todos esses problemas e obter um carrinho realmente competitivo, que pudesse ser montado com facilidade por todos, adotamos agora a solução Modelix, criando um Kit Propulsor, uma espécie de sistema de redução que pode ser montado com facilidade a partir de um conjunto padronizado de peças, conforme mostra a figura 3.

 

Com esse kit é possível montar um sistema propulsor completo, com um motor padronizado, e ligando-o ao circuito original de controle do VM1 obtivemos uma nova versão do Veículo Mecatrônico.

Assim, para a montagem do VM2, vamos dividir o projeto em 3 etapas, que podem ser adotadas em três ou mais aulas, conforme.o nível de habilidade dos alunos. Em especial, adotamos a montagem no primeiro ano do ensino médio do Colégio Mater Amabilis de Guarulhos – SP, mas acreditamos que alunos da 9ª série ao terceiro médio estarão aptos a fazer a montagem. Clique aqui para visualizar as fotos das competições .

Também podemos indicar a montagem desse projeto para alunos do ensino técnico e de engenharia em que o enfoque seria bem mais avançado. Os alunos, além de otimizarem o projeto, para obter melhor desempenho, teriam as notas dadas por um relatório (e não pela corrida) onde o Método de Engenharia e o próprio relatório no seu desenvolvimento seriam avaliados.

A corrida e seu resultado seria um mero complemento do trabalho, como constatamos já ocorrer em alguns cursos de engenharia de nosso país que adotaram a versão inicial.

Na verdade, o projeto básico (VM1) também faz parte do livro Mechatronics for the Evil Genius, que publicamos nos Estados Unidos e recentemente traduzido para o Russo e Chinês.

Também salientamos que a montagem é feita na terceira etapa de um curso em que nas etapas iniciais, os alunos aprendem a soldar. Se isso não ocorrer, será interessante ter uma etapa inicial na montagem, que trate justamente desse assunto. Está com dúvidas ou não sabe como fazer soldagens? Veja o artigo "Como Soldar".

 

Montagem

Fase 1 - Sistema Propulsor

 

Material

O sistema propulsor é formado pelo conjunto de peças Modelix padronizado, cuja relação de partes está no final do artigo, e também um par de rodas com eixo obtida de um carrinho de brinquedo.

As rodas devem ser do tipo preso no eixo (que não giram livremente) e o eixo deve ter uma espessura que permita encaixar a roldana do kit Modelix.

Damos a seguir a série de fotos que mostra a seqüência de montagem para o kit propulsor.




 

Veja que o elástico deve ser colocado antes da peças serem parafusadas, e que a roldana deve ser apertada firmemente no eixo. O motor elétrico será preso ao conjunto através de um elástico e sua posição ajustada para que o elástico de transmissão de movimento não escape. Um pedaço de tubinho de tinta de esferográfica encaixa-se no eixo ajudando a evitar o escape do elástico.

Veja que as rodas usadas devem ter um diâmetro maior do que o da polia para que ela não esbarre no chão quando em movimento.

O leitor poderá testar a propulsão alimentando o motor diretamente com quatro pilhas pequenas.

 


Fase 2 - O Circuito Eletrônico

O circuito de controle Tem por base um LDR (Light Dependent Resistor - Foto-Resistor) que aciona um transistor Darlington de potência o qual tem como carga um motor de corrente contínua.

O LDR é um componente cuja resistência elétrica depende da quantidade de luz que incide na sua parte sensível, feita de Sulfeto de Cádmio. Este tipo de sensor é usado em automatismos como alarmes, nos postes de iluminação pública para acender as luzes ao anoitecer e em muitas outras aplicações.

O circuito completo é mostrado na figura 5

Quando o LDR é iluminado uma corrente flui por este componente polarizando a base do transistor. O transistor satura (conduz) e com isso deixa passar a corrente que alimenta o motor.

Veja que a velocidade máxima do motor não depende da intensidade da luz, pois quando ela ultrapassa certo valor, conforme mostra o gráfico da figura 6, a corrente permanece permanece constante.

 

Com a luz fraca a corrente aumenta até o ponto em que, por mais forte que a luz se torne, a corrente se estabiliza. Por este motivo não adianta ter uma lanterna excessivamente forte ou aproximá-la excessivamente do LDR ou operar num local de iluminação excessiva. A luz é apenas um fator de controle do motor.

 

O circuito admite dois tipos de montagem:

 

a)   Ponte de terminais

Esta montagem é indicada aos alunos iniciantes pois não necessita de recursos especiais, apenas a pequena ponte que pode ser adquirida em casas especializadas ou que vem junto com o kit da parte eletrônica.  A montagem em ponte é mostrada na figura 7.

 

Para a adoção do projeto em cursos em que os alunos não saibam soldar, a escola pode fornecer o conjunto montado. Nesse caso, os auxiliares de laboratório podem ser treinados para preparar os kits para os alunos.

 

b)   Montagem em placa

Esta montagem é indicada aos alunos dos cursos técnicos que já dominam o projeto de circuitos impressos.  Ficará por conta do aluno fazer seu projeto a partir do diagrama.

Na montagem tenha os seguintes cuidados:

·       Observe a polaridade dos fios do suporte de pilhas (cores)

·       Observe a posição do transistor

·       Tenha cuidado na soldagem do LDR que é um componente delicado.

·       Cubra o LDR com uma tampa de caneta esferográfica

 


TESTE E USO

·       Mantenha o LDR tampado de modo que ele não receba luz.

·       Coloque as pilhas no suporte

·       Deixando bater luz no LDR ou iluminando-o com a lanterna o motor deve girar

·       Se o motor não girar “esfregue” as pilhas no suporte de modo a melhorar seu contacto.

·       Se o motor girar “ao contrário”, basta inverter os fios de ligação (veja que dependendo do sentido de rotação do motor, o aluno pode optar pela tração dianteira ou traseira do veículo (*).

 

(*) Observamos que em alguns casos, o veículo tem muito mais estabilidade e facilidade em manter a linha reta quando a tração é dianteira. Faça testes.

 

FASE 3 - Montagem do Carrinho

O carrinho admite diversos tipos de construção. Como materiais básicos podemos ter o papelão, plástico, metal ou madeira leve.

Na figura 8 temos as dimensões do “chassi”  que já possui dois furos para o elemento propulsor. O comprimento do chassi pode ficar entre 25 e 30 cm, lembrando que um chassi curto tem por principal problema dificultar a movimentação em linha reta. Com um chassi longo, é muito mais fácil obter esse movimento.

 

As rodas dianteiras podem ser menores e são montadas num tubo vazio de caneta esferográfica. O principal cuidado a ser tomado com a fixação das rodas dianteira é com o seu alinhamento.

Na figura 9 temos as fases finais da montagem passo-a-passo. Observe que os alunos são livres para usar sua criatividade, agregando uma carenagem, aerofólio e outros recursos que julgarem interessantes para melhorar o desempenho.

 

O passo final no projeto consiste em se obter o máximo de seu desempenho e movimentação em linha reta. Para isso, leve em conta:

·       As rodas dianteiras devem girar livremente mas não se recomenda que se deixe que elas joguem. O uso de buchas de tubos de canetas pode ser feito para manter firmes as rodas.

·       A polia que propulsiona a roda traseira deve estar alinhada com o elástico para que não ocorre desvio na trajetória do veículo.

·       Recursos para melhorar a aderência das rodas podem ser usados principalmente se a pista de corrida for lisa. Isso evita a derrapagem na largada, que pode tirar da linha reta o carrinho.

·       Distribua o peso adequadamente, colando o suporte de pilhas em local apropriado, de modo a obter um melhor desempenho do carrinho.

 

Veja as fotos de diversos carrinhos montados por alunos do ensino médio.

 

A Corrida

Uma idéia adotada para uma competição em escola, é que o projeto não receba nota apenas pela montagem e eventualmente um relatório, mas também que seja realizada uma competição entre os alunos e isso de uma forma bem realista, imitando as competições de “Fórmula I”.

Assim, estabelecemos algumas regrinhas que podem ser aproveitadas (e modificadas) pelos professores que desejarem implantar este projeto em suas escolas.

O veículo montado pelo aluno receberá duas notas: uma referente à própria montagem em que se observará o esmero e também a habilidade, e outra de uma competição, segundo os seguintes critérios:


Regras:

·       Os alunos formarão equipes de 2 (eventualmente 1 ou 3) que devem montar seus veículos. Os veículos de cada equipe terão um número determinado pelo professor no momento da inscrição.

·       Todos os veículos devem seguir as mesmas especificações de montagem dadas no texto em relação as dimensões. No caso do Colégio Mater Amabilis, para garantir igualdade de condições de competição o professor forneceu o kit contendo propulsor Modelix e partes eletrônicas. Isso garantiu igualdade de desempenho elétrico, destacando-se assim a melhor montagem.

 

 

·       Uma primeira nota será dada pela montagem do veículo valendo de 0 a 8.

·       A segunda nota será dada pelo desempenho na corrida do veículo da equipe segundo o seguinte critério:

-         Carro vencedor da prova = 2,0 pontos

-         Segundo colocado = 1,5 pontos

-         Carros que cruzarem a linha de chegada = 1,0 ponto

-         Carros que conseguirem sair da posição de partida = 0,5 pontos

-         Demais condições à critério do professor – 0 a 1,0 ponto

·       O aluno não deve tocar no veículo ao ser dada a partida e em nenhum ponto do percurso. O acionamento é feito exclusivamente retirando-se a cobertura do LDR.

·       O aluno que ao dirigir seu carro na competição impedir ou bloquear a passagem de outro será desclassificado.

·       As pilhas devem ser obrigatoriamente alcalinas, Nicad (recarregáveis)  ou comuns. Não é permitido usar qualquer outro tipo de alimentação.

·       O percurso será de 15 a 25 metros na quadra e serão feitas “baterias” de 5 a 8 carros, se o número de participantes for muito grande. Em cada bateria classificam-se os dois ou três primeiros para uma bateria final que determina os vencedores.

 

Lista Material da Parte Eletrônica:

Q1 – Transistor TIP122

LDR – LDR redondo comum

R1 – 4,7 M ohms – resistor

M1 – Motor de 3 V  a 6 V

B1 – Suporte para 4 pilhas pequenas

Ponte de terminais, fios, solda.

 

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