Capítulo 4: Rodas Fônicas

Por: Redação

Sensor de rotação com roda fônica

A roda fônica é a evolução do sensor de rotação no distribuidor. Usando como referência um transferidor de graus fica muito simples entender o funcionamento e importância por meio da relação matemática para cálculo do deslocamento angular da árvore de manivelas:

Com este simples cálculo, obtém-se o deslocamento angular do motor por segundo. Usando uma rotação de 3.000 RPM como exemplo, tem-se um deslocamento angular de 18.000º/segundo. Dividindo-se este valor por 1.000 teremos o deslocamento angular de 18º por cada milissegundo (18º/ms). Assim fica fácil entender que a 3.000 RPM, o deslocamento angular da árvore de manivelas será de 180º num intervalo de 10 ms. Num motor de 4 cilindros isto corresponde ao deslocamento entre o ponto morto superior e o inferior, portanto meia volta da árvore de manivelas.

Conhecendo esta relação, se tivermos uma série de divisões num disco de referência e estas referências forem passíveis de medições, teremos uma proposta de sensor de posição da árvore de manivelas mais conhecido como roda fônica. Daí a analogia com um transferidor de graus.

A palavra fônica representa a arte de combinar sons segundo as leis da acústica ou pelas leis da fonética. Uma orquestra sinfônica faz exatamente isto: sincroniza e harmoniza sons para a produção da música. Fonética é a organização dos sons com o objetivo de dar sentido à comunicação oral. Guardadas as proporções, a roda fônica faz exatamente isto: estabelece referências para que o sincronismo dos processos do motor possa ocorrer segundo sequências e temporizações específicas.

Este componente é formado por uma roda dentada com 60 divisões, sendo 58 dentes e duas falhas que correspondem a dois dentes (normalmente conhecido como 60 – 2). Isto significa que a roda dentada é dividida em 60 setores de 6º cada setor, sendo que os dois últimos dentes estão ausentes para marcar uma referência de posição. É importante saber que a concepção de uma roda dividida em 60 setores (que chamaremos de dentes) é especialmente útil, pois o número 60 é divisível por 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 e 12, o que permite a aplicação com precisão para estas correspondentes quantidades de cilindros independente da arquitetura do motor (linha, contrapostos, V etc) e adequado aos intervalos de ignição de cada um destes motores.

Ou seja: os conhecidos motores de 4 cilindros por exemplo, têm intervalos de ignição de 180° (720°/4 cilindros). Nestes casos a divisão dos 60 dentes da roda fônica pelos 4 cilindros resulta num intervalo de 15 dentes, o que significa 90° de deslocamento angular na árvore de manivelas. Motores de 3 cilindros resultam num intervalo de ignição de 340° e a divisão dos 60 dentes pelos 3 cilindros resulta em 20 dentes. Isto significa que o deslocamento angular é de 120°. Nos casos dos motores de 2 a 12 cilindros apontados até aqui, o único número não inteiro obtido pela divisão dos 60 dentes pelo número de cilindros, ocorre para os motores de 8 cilindros pois o resultado é 7,5 dentes, o que corresponde a um deslocamento angular de 45°.

Nos motores Volkswagen de 4 cilindros a posição de PMS do primeiro e quarto cilindro encontra-se no décimo quarto dente após a falha dos dois dentes, enquanto que o PMS dos cilindros 2 e 3 encontra-se no quadragésimo quarto dente.

Como já mencionado, se dividirmos 360º, que corresponde a um giro completo da árvore de manivelas, por 60 dentes, concluímos que cada setor tem um deslocamento angular de 6º. Sendo assim, o PMS do primeiro e quarto cilindro está a 84 graus após a falha de dois dentes (6º x 14 dentes). A falha de dois dentes antes da posição de PMS é a referência para que a unidade de comando possa realizar, com antecedência, o cálculo do avanço de ignição, o momento e o tempo da injeção e comandar os diversos atuadores que possam estar envolvidos. Por fim, a rotação do motor é obtida contando-se a passagem dos dentes por unidade de tempo (frequência). Veremos este ponto mais adiante.

Tipos de rodas fônicas - Atualmente temos vários formatos de roda fônica ou geradora de sinais. Algumas se parecem com engrenagens, outras uma roda estampada em que os dentes são nervuras numa chapa e outras cujos dentes estão cortados e dobrados em L.

É importante ressaltar que esta roda, por ter importante função referencial, possui posição de montagem e fixação e, caso seja montado sem atentar para estas referências, certamente falhas irão ocorrer no funcionamento do motor podendo inclusive danificá-lo.

Roda fônica com sensor Hall

Exemplo da referência de montagem do sensor de rotação nos motores AP Flex: com a árvore de manivelas com primeiro cilindro no PMS, o furo referência roda fônica deve ser montado na árvore de manivelas alinhado com a referência da flange retentora do volante

Exemplo da referência de montagem do sensor de rotação nos motores AP Flex: com a árvore de manivelas com primeiro cilindro no PMS, o furo referência roda fônica deve ser montado na árvore de manivelas alinhado com a referência da flange retentora do volante

Neste caso o sensor Hall é o gerador do sinal de rotação e de posição da árvore de manivelas. O fundamento do sensor Hall – ser alimentado por 5 V ou 12 V – e enviar um sinal negativo para a unidade de comando, conforme a atuação do campo magnético do imã permanente no sensor e também possibilitar a aplicação de um circuito eletrônico de condicionamento para gerar um sinal digital passível de uso direto pela unidade de comando, continua sendo válido também para esta aplicação.

A roda geradora de sinais tem a finalidade de aproximar ou afastar o campo magnético do imã permanente, neste caso presente no próprio sensor da região do circuito eletrônico Hall. Pela aproximação dos dentes da roda fônica, o campo magnético envolve o circuito integrado Hall. Neste caso ocorre o desvio dos elétrons causando uma diferença de potencial elétrico no pino de sinal do sensor que é enviado para a unidade de comando. Quando o campo magnético se afasta do circuito integrado, a diferença de potencial zera se transformando num sinal neutro.

Também como explicado no tema sensor Hall no distribuidor de ignição, como este sensor depende de uma fonte de alimentação elétrica normalmente controlada pela própria unidade de comando (5 V ou 12 V), um circuito de condicionamento faz parte do circuito eletrônico do sensor já disponibilizando para a unidade de comando um sinal digital para processamento direto.

As mesmas regras do conector do sensor Hall servem também para este caso. O teste pode ser realizado usando uma ponta de polaridade. Nos pinos das extremidades do sensor obtém-se o positivo e o negativo de alimentação do sensor. O pino do meio é o sinal que gera a diferença de potencial de 5 V ou 12 V dependendo do sistema logicamente havendo rotação na árvore de manivelas.

Calculando a rotação do motor pelo sinal Hall da roda fônica – Neste caso, para uma medição direta, o mais fácil é medir no oscilograma o tempo existente entre os sinais de falha de dois dentes até a repetição do sinal de falha de dois dentes da roda fônica.

a. Imã | b. Núcleo ferromagnético | c. Bobina | d. Roda gerador de impulsos

a. Imã | b. Núcleo ferromagnético | c. Bobina | d. Roda gerador de impulsos

O tempo DX desta medição foi de 15,6 ms, o que corresponde ao tempo de uma volta completa da árvore de manivelas. Dividindo-se 1000 ms / 15,6 ms tem-se 64,10 RPS (rotações por segundo). Multiplicando-se este valor por 60 teremos 3.846 RPM.

Porém, a unidade de comando realiza esta medição pela frequência de repetição do período.

Para análise do oscilograma, o período é caracterizado pelo conjunto de sinal alto e um de sinal baixo, o que caracteriza frequên­cia. Frequência é resultado da repetição do período por segundo. Neste caso o período teve a duração de 0,26 ms (o oscilograma está com 12 divisões a cada 2 ms). Considerando que 60 períodos correspondem a uma volta completa da árvore de manivelas, teremos 15,6 ms o tempo de uma volta completa da árvore de manivelas. Dividindo-se 1000 ms / 15,6 ms, temos que a árvore de manivelas girou 64,1 voltas em 1 segundo, portanto, 3.846 RPM.

1. Imã Permanente, 2. Encapsulamento, 3. Bloco de Motor, 4. Núcleo, 5. Indutor, 6. Roda dentada com referência.

1. Imã Permanente, 2. Encapsulamento, 3. Bloco de Motor, 4. Núcleo, 5. Indutor, 6. Roda dentada com referência.

 

O sinal indutivo derivado da variação do campo magnético dado pela rotação da roda fônica gerará uma tensão alternada entre os terminais do conector do sensor

O sinal indutivo derivado da variação do campo magnético dado pela rotação da roda fônica gerará uma tensão alternada entre os terminais do conector do sensor

Roda fônica com sensor indutivo

Este sensor é chamado de indutivo porque forma um sinal de tensão tendo como base a variação da intensidade de um fluxo magnético. Por isso, este sensor também é conhecido como sensor de relutância magnética.

Este sensor é composto por uma bobina que envolve um núcleo magnético.

A passagem dos dentes e vãos da roda fônica provoca variação do campo magnético que atua na bobina gerando uma tensão alternada.

É esta variação de sinal senoidal que é enviada para a unidade de comando para identificar a rotação do motor e a posição da árvore de manivelas.

Este sensor de relutância magnética depende de um imã permanente como fonte de fluxo magnético e da modulação deste fluxo dado pelo movimento rotativo da roda fônica. Esta variação do fluxo magnético gerará o sinal de tensão alternada pelo sensor indutivo.

Atenção: O sinal do sensor de relutância magnética é sensível à distância entre a roda fônica e o sensor.

Caso esta distância esteja fora da especificação, a unidade de comando não receberá o sinal com a intensidade adequada, prejudicando o funcionamento adequado do motor. Como não é possível regular esta distância, dê especial atenção a correta fixação do componente e eventuais danificações nos dentes da roda fônica.

Calculando a rotação do motor pelo sinal indutivo da roda fônica – A diferença de oscilograma entre o sinal Hall e o sinal do sensor indutivo está na característica do sinal. O sensor Hall entrega para a unidade um sinal digital enquanto o sensor indutivo gera um sinal analógico derivado da tensão alternada gerada pela variação da intensidade do campo magnético. O condicionamento do sinal será realizado diretamente pela unidade de comando.

Usando o oscilograma deste sinal, como o recurso da falha de dois dentes também é uma realidade neste sensor, para calcular a rotação tendo como base o oscilograma também é mais fácil medir o tempo existente entre os sinais de falha de 2 dentes até a repetição do sinal de falha de 2 dentes da roda fônica.

O tempo DX desta medição foi de 76 ms, o que corresponde ao tempo de uma volta completa da árvore de manivelas. Dividindo-se 1000 ms / 76 ms tem-se 13,15 RPS (rotações por segundo). Multiplicando-se este valor por 60 teremos 789 RPM, o que corresponde a rotação de marcha-lenta do motor em medição.

Da mesma forma que o sinal Hall, a unidade de comando realiza esta medição de rotação pela frequên­cia do período. Não existe a espera de uma volta completa para a medição da rotação. Para análise deste oscilograma o período é caracterizado pelo conjunto de uma frequência alternada completa.

Frequência é resultado da repetição do período por segundo. Neste caso o período teve a duração de 1,25 ms (o oscilograma está com 5 divisões a cada 2,5 ms).

Considerando que 60 períodos correspondem a uma volta completa da árvore de manivelas, teremos 75 ms como tempo de uma volta completa da árvore de manivelas. Dividindo-se 1000 ms / 75 ms temos que a árvore de manivelas girou 13,33 voltas em 1 segundo, portanto, 800 RPM.

Por fim, neste sensor indutivo, especial atenção deve ser dada à blindagem magnética do sensor no chicote.

Falta de aterramento nesta blindagem pode resultar em ruídos que provocarão falhas no funcionamento do motor e, em algumas situações, impede até que o motor entre em atividade.