Como funcionam os velocímetros

Um velocímetro moderno. Foto cortesia de Dreamstime

O painel de instrumentos do seu carro organiza uma variedade de sensores e medidores, incluindo o medidor de pressão do óleo, medidor de temperatura do líquido de arrefecimento, medidor de nível de combustível, tacômetro e muito mais. Mas o indicador mais proeminente - e talvez o mais importante, pelo menos em termos de quantas vezes você olha para ele enquanto está dirigindo - é o velocímetro. O trabalho do velocímetro é indicar a velocidade do seu carro em milhas por hora, quilômetros por hora ou ambos. Mesmo em carros de último modelo, é um dispositivo analógico que usa uma agulha para apontar para uma velocidade específica, que o motorista lê como um número impresso em um mostrador.

Como acontece com qualquer tecnologia emergente, os primeiros velocímetros eram caros e disponíveis apenas como opções. Somente em 1910 os fabricantes de automóveis começaram a incluir o velocímetro como equipamento padrão. Um dos primeiros fornecedores de velocímetros foi Otto Schulze Autometer (OSA), uma empresa legada da Siemens VDO Automotive AG, um dos principais desenvolvedores de clusters de instrumentos modernos. O primeiro velocímetro OSA foi construído em 1923 e seu design básico não mudou significativamente por 60 anos. Neste artigo, veremos a história dos velocímetros, como eles funcionam e o que o futuro reserva para o design de velocímetros.

O velocímetro passou muitas mudanças no último século. Foto cedida pela Siemens VDO Automotive

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-Existem dois tipos de velocímetros: eletrônicos e mecânicos. Porque o eletrônico-velocímetro é na verdade uma invenção relativamente nova - o primeiro velocímetro totalmente eletrônico não apareceu até 1993 - este artigo se concentrará principalmente no velocímetro mecânico, ou o redemoinho velocímetro.

Otto Schulze, um inventor de Estrasburgo, depositou a primeira patente para o velocímetro de corrente parasita em 1902. Schulze concebeu o dispositivo revolucionário como uma solução para um problema crescente. Os carros não estavam apenas se tornando mais populares, eles também viajavam mais rápido. A velocidade máxima média do automóvel logo após a virada do século 20 era de 30 milhas por hora, lenta para os padrões de hoje, mas chiando rápido em uma época em que grande parte do mundo ainda se movia no ritmo vagaroso de uma carruagem puxada por cavalos. Como resultado, os acidentes graves começaram a aumentar dramaticamente.

A invenção de Schulze permitiu que os motoristas vissem exatamente a velocidade com que viajavam e fizessem os ajustes necessários. Ao mesmo tempo, muitos países estabeleceram limites de velocidade e usaram policiais para aplicá-los. As primeiras soluções exigiam que os automóveis tivessem velocímetros com dois mostradores - um pequeno mostrador para o motorista e um mostrador muito maior montado para que a polícia pudesse lê-lo à distância.

Na próxima seção, veremos este projeto para entender as partes de um velocímetro de corrente parasita.

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A agulha de um velocímetro Foto usada sob a Licença Creative Commons 2.0

Antes de darmos uma olhada dentro de um velocímetro, será útil revisar como um carro funciona em primeiro lugar. O processo básico é descrito abaixo:

1. Os motores a pistão usam energia de uma mistura de ar-combustível em combustão para mover um pistão para cima e para baixo em um cilindro.
2. Este movimento alternativo dos pistões é convertido em movimento rotativo por um virabrequim.
3. O virabrequim gira um volante.
4. A transmissão transmite energia do volante e a direciona, por meio de um eixo de transmissão, para as rodas.
5. A transmissão tem diferentes marchas - ou velocidades - para controlar a velocidade com que as rodas giram.
6. Conforme as rodas giram, elas fazem o carro se mover.

Para medir a velocidade de um carro, deve-se ser capaz de medir a velocidade rotacional das rodas ou da transmissão e enviar essa informação para algum tipo de medidor. Na maioria dos carros, a medição ocorre na transmissão. E a tarefa de medir a velocidade de rotação gerada pela transmissão cabe a algo chamado cabo de acionamento.

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-o cabo de acionamento consiste em uma série de molas helicoidais superpostas, firmemente enroladas em torno de um fio central ou mandril. Devido à sua construção, o cabo de transmissão é muito flexível e pode ser dobrado, sem fratura, em um raio muito pequeno. Isso é útil porque o cabo deve serpentear desde a transmissão até o painel de instrumentos, que abriga o velocímetro. Ele é conectado a um conjunto de engrenagens na transmissão, de modo que quando o veículo se move, as engrenagens giram o mandril dentro do eixo flexível. O mandril, então, comunica a velocidade de rotação da transmissão ao longo do comprimento do cabo até a "extremidade comercial" do velocímetro - onde a medição da velocidade realmente ocorre.

O velocímetro também tem outras partes importantes. O cabo de acionamento se conecta, por meio de uma engrenagem espiral, a um ímã permanente. O ímã fica dentro de uma peça de metal em forma de copo conhecida como speedcup. O copo de velocidade é preso a uma agulha, que é mantida no lugar por uma mola. A agulha é visível na cabine do carro, assim como a face do velocímetro, que exibe uma gama de números de zero a um limite superior que pode variar de acordo com a marca e o modelo.

Agora vamos ver como este dispositivo relativamente simples realmente mede a velocidade do veículo.

Medidor, medidor em todo lugar

Os velocímetros são freqüentemente combinados com odômetros e odômetros de viagem. Um odômetro registra a distância total percorrida por um veículo. Os odômetros de viagem também medem a distância percorrida, mas podem ser zerados pelo motorista. Os fabricantes normalmente projetam velocímetros mecânicos de modo que 1.000 revoluções do eixo flexível registrem uma milha no hodômetro. Para obter mais informações sobre odômetros, consulte Como funcionam os odômetros. Os tacômetros são semelhantes aos velocímetros, pois medem a velocidade angular de um eixo em rotação. Os tacômetros refletem a velocidade do motor, o que significa que estão medindo a velocidade de rotação do virabrequim. Eles indicam a velocidade do motor em rotações por minuto, ou rpm.-

Um velocímetro de corrente parasita Foto cortesia de Dreamstime

Digamos que um carro esteja viajando na rodovia a uma velocidade constante. Isso significa que sua transmissão e eixo de transmissão estão girando a uma velocidade que corresponde à velocidade do veículo. Isso também significa que o mandril no cabo de acionamento do velocímetro - por estar conectado à transmissão por meio de um conjunto de engrenagens - também está girando na mesma velocidade. E, finalmente, o ímã permanente na outra extremidade do cabo de transmissão está girando.

À medida que o ímã gira, ele cria um campo magnético giratório, criando forças que atuam no copo de velocidade. Essas forças fazem com que a corrente elétrica flua no copo em pequenos redemoinhos rotativos, conhecidos como correntes parasitas. Em algumas aplicações, correntes parasitas representam perda de energia e, portanto, são indesejáveis. Mas, no caso de um velocímetro, as correntes parasitas criam um torque de arrasto que funciona no velocímetro. O copo e sua agulha conectada giram na mesma direção em que o campo magnético está girando - mas apenas até onde a espiral permite. A agulha no copo de velocidade pára onde a força oposta da espiral equilibra a força criada pelo ímã giratório. 

E se o carro aumentar ou diminuir sua velocidade? Se o carro viajar mais rápido, o ímã permanente dentro do copo girará mais rápido, o que criará um campo magnético mais forte, maiores correntes parasitas e uma maior deflexão da agulha do velocímetro. Se o carro diminui a velocidade, o ímã dentro do copo gira mais devagar, o que reduz a força do campo magnético, resultando em correntes parasitas menores e menos deflexão da agulha. Quando um carro é parado, a mola de cabelo mantém a agulha em zero.

O Velocímetro Eletrônico

Um velocímetro eletrônico recebe seus dados de um sensor de velocidade do veículo (VSS), não um cabo de unidade. O VSS é montado no eixo de saída da transmissão ou no virabrequim e consiste em um disco de metal dentado e um detector estacionário que cobre uma bobina magnética. Conforme os dentes se movem pela bobina, eles "interrompem" o campo magnético, criando uma série de pulsos que são enviados a um computador. Para cada 40.000 pulsos do VSS, a viagem e o odômetro total aumentam em uma milha. A velocidade também é determinada a partir da frequência de pulso de entrada. Os circuitos eletrônicos do carro são projetados para exibir a velocidade em uma tela digital ou em um sistema analógico típico com uma agulha e um mostrador.

Todos os velocímetros devem ser calibrados para garantir que o torque criado pelo campo magnético reflita com precisão a velocidade do carro. Esta calibração deve levar em consideração vários fatores, incluindo as relações das engrenagens no cabo de transmissão, a relação de transmissão final no diferencial e o diâmetro dos pneus. Todos esses fatores afetam a velocidade geral do veículo. Veja o tamanho do pneu, por exemplo. Quando um eixo dá uma volta completa, o pneu ao qual está conectado faz uma volta completa. Mas um pneu com um diâmetro maior viajará mais longe do que uma roda com um diâmetro menor. Isso porque a distância percorrida por um pneu em uma volta é igual à sua circunferência. Portanto, um pneu com diâmetro de 20 polegadas cobrirá cerca de 62,8 polegadas de solo em uma revolução. Um pneu com diâmetro de 30 polegadas cobrirá mais terreno - cerca de 94,2 polegadas.

A calibração se ajusta para essas variações e é feita pelo fabricante, que configura a engrenagem do velocímetro para corresponder à relação de anel e pinhão instalada de fábrica e ao tamanho do pneu. O proprietário de um carro pode ter que recalibrar seu velocímetro se ele fizer alterações que façam seu veículo ficar fora das especificações de fábrica (veja a barra lateral abaixo). A recalibragem de um velocímetro pode ser feita manipulando a espiral, o ímã permanente ou ambos. Geralmente, a força do campo magnético é a variável mais fácil de mudar. Isso requer um eletroímã poderoso, que pode ser usado para ajustar a força do ímã permanente no velocímetro até que a agulha corresponda à entrada do cabo de acionamento rotativo.

Precisão do velocímetro

Nenhum velocímetro pode ser 100 por cento preciso. Na verdade, a maioria dos fabricantes constrói velocímetros de modo que caiam dentro de uma faixa de tolerância bastante estreita, não mais do que 1% a 5% mais lento ou muito rápido. Enquanto um carro é mantido com as especificações de fábrica, seu velocímetro deve continuar registrando a velocidade do veículo dentro dessa faixa. Mas, se um carro for modificado, seu velocímetro pode precisar ser recalibrado.

Alterar o tamanho do pneu é uma das coisas mais comuns que os proprietários de automóveis fazem que podem afetar a precisão do velocímetro. Isso porque pneus maiores cobrem mais terreno em uma revolução completa. Considere o exemplo abaixo.

Seu carro vem com pneus instalados de fábrica com 21,8 polegadas de diâmetro. Isso significa que a circunferência de cada pneu é de 68,5 polegadas. Agora, digamos que você queira substituir os pneus originais por pneus novos com 24,6 polegadas de diâmetro. Cada pneu novo tem uma circunferência de 77,3 polegadas, o que significa que ele avança quase 25 centímetros a cada volta completa. Isso tem um efeito tremendo em seu velocímetro, que agora indicará uma velocidade muito lenta em quase 13%. Quando seu velocímetro marca 60 milhas por hora, seu carro estará realmente viajando 67,7 milhas por hora!

Um visor de velocímetro head-up Foto cedida pela Siemens VDO Automotive

-Uma das grandes desvantagens de um painel de instrumentos é sua localização. O motorista deve olhar para baixo para ver os mostradores, o que significa que seus olhos estão fora da estrada por pelo menos um segundo. Naquele segundo, o carro viaja cerca de 46 pés se estiver se movendo a 30 milhas por hora.

A Siemens VDO está tratando desse problema com um display head-up que é projetado no para-brisa por espelhos. Para o motorista, o visor parece flutuar acima do capô do motor, a cerca de dois metros de distância. A velocidade do veículo será um dos elementos-chave do display, mas pode conter qualquer elemento encontrado em um painel de instrumentos normal. Ele também pode integrar ajudas de orientação que usam imagens de câmeras infravermelhas para detectar e exibir um contorno da estrada à frente. Para uma tecnologia que remonta a quase 100 anos, é uma mudança significativa para melhor.

Para mais informações sobre velocímetros, carros e assuntos relacionados, confira os links na próxima página.

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-Artigos relacionados

• Como funcionam os odômetros
• Como funcionam os medidores de combustível
• Como funcionam as relações de engrenagem
• Como funcionam os computadores para automóveis
• Como funciona o velocímetro de um avião?
• Como funcionam os ímãs

Mais ótimos links

• Siemens VDO Automotive
• Visteon Corporation
• Speedometers.com
• Velocímetros e medidores
• Velocímetro Plus

Fontes

• “100 Years of Speedometers - The History of Driver Information,” 7 de novembro de 2002. Encontrado online em: http://www.siemensvdo.com/press/releases/interior/2002/SV-200211-009-e.htm.
• “Automating Speedometer Calibration,” de Ganesh Devaraj, S.B. Rajnarayanan, A. Senthilnathan e S.R. Anand. Engenharia de Avaliação. Encontrado online em http://www.evaluationengineering.com/archive/articles/1100auto.htm.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. “Corrente parasita.” CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. “Eixo flexível”. CD-ROM, 2005.
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "tacômetro." CD-ROM, 2005.
• Erjavec, Jack. "Tecnologia automotiva: uma abordagem de sistemas." Nova York: Thomson Delmar Learning. 2005.
• “De velocímetros a modernos conjuntos de instrumentos”, por Gerhard Wesner. Automotive Engineering International, janeiro de 2005. Download do PDF em www.sae.org/automag/features/futurelook/02-2005/1-113-2-89.pdf
• Site da Inner Auto Parts: http: //www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer~odometer/ http://www.innerauto.com/Automotive_Systems/Drive_Train/Speedometer_Cable/
• Calculadora de tamanhos de pneus Miata.net http://www.miata.net/garage/tirecalc.html
• The National Watch and Clock Museum http://www.nawcc.org/museum/museum.htm
• Site da Siemens VDO Automotive na Web http://www.siemensvdo.com