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1 UNIVERSIDADE NOVE DE JULHO Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica ANDERSON MATOS DE ANDRADE – RA 312113466 CARLOS CESAR CHRISTINO SILVA – RA 317201013 CARLOS HENRIQUE DORIA – RA 317201155 CLEITON DOS SANTOS RIBEIRO – RA 317200057 FELIPE MALTA DOS SANTOS – RA 318203531 IGOR HENRIQUE DE CASTRO – RA 318202810 LEONARDO DA SILVA LINS – RA 317201731 NICOLLY SILVA DOS SANTOS – RA 317200645 OCTAVIO LUIS OLIVEIRA CARDIM – RA 317201628 DINÂMICA VEICULAR SÃO PAULO - SP 2021 2 Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica Projeto apresentado para as disciplinas de Projeto Integrador Dinâmica Veicular, como parte das exigências para aproveitamento das mesmas, no Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da Universidade Nove de Julho - UNINOVE. Orientadores: Deiglys Borges Monteiro, Alexandre Pizzolatto SÃO PAULO - SP 2021 3 RESUMO A engenharia mecânica está envolvida diretamente no desenvolvimento de projetos de novos veículos (motores de combustão interna, sistema de transmissão, turbinas e etc.) no qual sempre concentram-se em desenvolver um produto melhor, como no aumento da eficiência, redução de poluentes e produtos de qualidade com baixo custo. A indústria automotiva surgiu antes mesmo do século XX, quando iniciou o desenvolvimento dos primeiros veículos. Essas máquinas são constituídas por diversos componentes, mecânicos e eletroeletrônicos. A caixa de transmissão é um dos principais componentes do automóvel tendo um papel fundamental sobre a dinâmica veicular, além de segurança, conforto e alta performance, quando exigido. Atualmente, na indústria automotiva existem quatro tipos de caixas de transmissão, e sua aplicabilidade no veículo objetiva, desde baixo custo no valor final do produto, até melhor eficiência na transferência de energia desde a geração no motor até as rodas. Esse projeto é baseado na dinâmica veicular, levando em conta o comportamento de um automóvel, suas características e as situações de seu deslocamento. Além de demonstrar todas as diretrizes para que esse veículo se torne capaz de rodar em nosso país, obedecendo todas as normas e leis regentes atuantes. Palavra-chave: veículo, motor, transmissão, dinâmica. 4 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 5 1.1 Objetivos ...................................................................................................................... 5 2. METODOLOGIA ................................................................................................................ 6 3. CÁLCULOS PARA O DIMENSIONAMENTO DO PROJETO ........................................... 10 3.1 Caixa selecionada ...................................................................................................... 10 3.2 Valores para base dos cálculos .................................................................................. 11 3.3 Forças resistivas aplicadas no veículo ....................................................................... 12 3.4 Consumo .................................................................................................................... 15 3.5 Frenagem ................................................................................................................... 16 3.6 Limite de tombamento ................................................................................................ 16 4. REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................................ 17 4.1 Funcionamento dos motores a combustão interna ..................................................... 17 4.2 Sistemas de transmissão ........................................................................................... 19 4.2.1 Transmissão manual ............................................................................................ 21 4.2.2 Transmissão automática ...................................................................................... 21 4.2.3 Transmissão automatizada .................................................................................. 22 4.2.4 Transmissão CVT ................................................................................................ 22 4.2.4 Sistema de acionamento ...................................................................................... 24 4.2.5 Diferencial ............................................................................................................ 24 4.2.6 Semi arvore ou Semi eixo .................................................................................... 26 4.2.7 Cruzeta ................................................................................................................ 26 4.2.8 Eixo cardan .......................................................................................................... 26 4.2.9 Junta elástica ....................................................................................................... 27 4.2.10 Junta universal ................................................................................................... 27 4.3 Relação de torque ...................................................................................................... 27 5. CONCLUSÃO .................................................................................................................. 29 REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 30 APÊNDICES ........................................................................................................................ 31 5 1. INTRODUÇÃO O homem sempre buscou maneiras de realizar tarefas o mais eficientes possíveis, através de mecanismos, sistemas, conjuntos, etc. A alavanca é um exemplo, ainda na pré-história a alavanca tinha o objetivo de atuar como um braço mecânico, fazendo com o que diminuísse a força humana e aumentasse a mecânica. Podemos considerar a alavanca como um mecanismo de transmissão. (Padilha, 2018). Desde então os sistemas de transmissão foram evoluindo e se expandindo em várias áreas e maquinas como na agricultura, na indústria e nos transportes. Na área dos transportes, é comum as pessoas acharem que o motor é a parte mais importante e complexa de um veículo, mas também não podemos desconsiderar a importância de um sistema de transmissão de um automóvel. (Padilha, 2018). Basicamente a transmissão tem o objetivo de permitir que o motor forneça às rodas a força apropriada a todas as condições que o veículo se encontrar, em outras palavras, a transmissão regula a velocidade dos pneus com a velocidade do motor. Ela tem as suas condições e características de acordo com o motor também, que pode ser transversal ou longitudinal. (Padilha, 2018). Um sistema de transmissão bem dimensionado para as condições do motor (tamanho e potência) e do veículo (tamanho, peso e aerodinâmica) permitirá ao automóvel condições cada vez melhores, como um bom desempenho, um baixo consumo, conforto ao condutor, durabilidade do conjunto mecânico, baixa emissão de poluentes, etc. (Padilha, 2018). 1.1 Objetivos O projeto deve apresentar algumas das diversas características baseado na dinâmica veicular, através dos estudos comportamentais de um veículo automotor em diversas situações de deslocamento Em específico o projeto demonstrará com resultados dos estudos algumas informações de muita importância para a realização, como: 1. Subir uma rampa de 42% em velocidade constante no regime de torque Máximo em 1° marcha, com carga máxima; 6 2. Conseguir manterá 5ªmarcha numa estrada com inclinação de 4% em quinta marcha, com velocidade constante de 120km/h, com dois ocupantes de 75kg; 3. O melhor consumo possível de combustível desde que atendendo as premissas anteriores. 2. METODOLOGIA Dimensões do pneu para o cálculo do raio dinâmico: largura 165 mm, relação de altura 70%, Aro 14”, RRc (N/1000kg) 85, raio dinâmico em relação ao raio calculado 98%. (Gillespie, 1992). Raio dinâmico: 𝑟 𝑑𝑖𝑛 = (165 𝑥 0,7 𝑥 2+14 𝑥 25,4) 2000 = 0,2933 𝑚 𝑥 0,98= 0,2874 m (1) Raio dinâmico utilizado para o cálculo do projeto = 0,2874 m Cálculo da rotação do eixo (semi eixos de tração do veículo) é feito, utilizando as relações de transmissão da caixa de velocidades e do diferencial que equipam o veículo. (Gillespie, 1992). 𝑛 = 𝑛𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑖𝑐𝑥.𝑣𝑒𝑙.𝑥𝑖𝑑𝑖𝑓. = 𝑛𝑠𝑎í𝑑𝑎 (2) Onde: 𝑛 = Rotação; 𝑖𝑐𝑥.𝑣𝑒𝑙. = Relação da caixa de velocidade; 𝑖𝑑𝑖𝑓. = Relação do diferencial Para determinar a velocidade com a combinação da caixa de velocidade e diferencial, é utilizado o cálculo abaixo. (Gillespie, 1992). 𝑉𝑥 = 2 𝑥 𝑛 60 𝑥 𝑟 (3) Onde: 𝑉𝑥 = Velocidade de combinação 7 Força de arrasto aerodinâmico. (Gillespie, 1992). 𝐷𝐴 = 0,5𝑝 𝑥 𝐶𝐷 𝑥 𝐴 𝑥 𝑉 2 (4) Onde: 𝑝 = Densidade do ar; 𝐶𝐷 = Coeficiente de arrasto aerodinâmico; 𝐴 = Área frontal/projetada do veículo; 𝑉 = Velocidade. Para determinar 𝜌, utilizamos a seguinte relação, P = pressão em unidade kPa e T = temperatura em unidade ºC. (Gillespie, 1992). 𝜌 = 1,225 ( 𝑃 101,325 ) ( 288,16 273,16 + 𝑇 ) (5) Peso do veículo carregado. (Gillespie, 1992). 𝑊𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 = 𝑚 𝑥 𝑔 ⃗⃗ ⃗ (6) Onde: 𝑚 = massa; 𝑔 = aceleração da gravidade. Eixo dianteiro, a carga sobre o mesmo pode ser calculada conforme a equação. (Gillespie, 1992). 𝑊𝑓 = (𝑊 𝑥 𝑐 𝑥 cos 𝜃) − (𝑅ℎ𝑥 𝑥 ℎℎ) − (𝑅ℎ𝑧 𝑥 ℎℎ) − ( 𝑊 𝑔 𝑎𝑥 𝑥 ℎ) − (𝐷𝑎𝑥 ℎ𝑎) − (𝑊 𝑥 ℎ 𝑥 sin 𝜃) 𝐿 (7) Onde: ℎ = Distância do 𝐶𝐺 ao solo; 𝑊 𝑎𝑥 𝑔 = Força inercial equivalente (“Força de D’Alembert”) que age no 𝐶𝐺 do veículo no sentido oposto ao da sua aceleração; 𝑎𝑥 = Aceleração longitudinal do veículo; 𝑐 = Distância do eixo traseiro ao 𝐶𝐺; ℎ𝑎 = Distância da linha de ação da força de arrasto aerodinâmico resultante ao solo; 𝑅ℎ𝑧/𝑅ℎ𝑥 = Forças longitudinais e verticais que agem à distância Hh do solo no reboque; ℎℎ = Distância da linha de ação das forças devido a presença de um reboque; 𝐿 = Distância entre eixo do veículo. Eixo traseiro, a carga sobre o mesmo pode ser determinada conforme a equação. (Gillespie, 1992). 8 𝑊𝑟 = (𝑊 𝑥 𝑏 𝑥 cos 𝜃) − (𝑅ℎ𝑥 𝑥 ℎℎ) + (𝑅ℎ𝑧 𝑥 (𝑑ℎ + 𝐿)) + ( 𝑊 𝑔 𝑎𝑥 𝑥 ℎ) + (𝐷𝑎𝑥 ℎ𝑎) + (𝑊 𝑥 ℎ 𝑥 sin 𝜃) 𝐿 (8) Utilizando o eixo dianteiro como referência, é possível ter a força necessária 𝐹𝑥 necessário para a tração. (Gillespie, 1992). 𝐹𝑥𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑜 = 𝑊𝑓 𝑥 𝜇 (9) µ é o coeficiente de atrito. Para analisar a força disponível pelo powertrain do veículo é calculado através da formula abaixo. (Gillespie, 1992). 𝐹𝑥 = 𝑇𝑒 𝑥 𝑖𝑐𝑥.𝑣𝑒𝑙. 𝑥 𝑖𝑑𝑖𝑓. 𝑥 𝑛𝑐𝑥.𝑣𝑒𝑙. 𝑥 𝑛𝑑𝑖𝑓. 𝑟𝑑𝑖𝑛â𝑛𝑖𝑐𝑜 (10) Onde: 𝑛𝑐𝑥.𝑣𝑒𝑙. = Rotação da caixa de velocidade; 𝑛𝑑𝑖𝑓. = Rotação da caixa do diferencial. A força de resistência ao rolamento pode ser calculada pela expressão. (Gillespie, 1992). 𝑓𝑟 = 0,01 (1 + 𝑣 1,6 𝑥 100 ) (11) 𝑊 é a carga na roda (em cada roda) e 𝑓𝑟 é o coeficiente de resistência ao rolamento. Para baixas velocidades: 𝑓𝑟 = 0,01 (1 + 𝑣 1,6 𝑥 100 ) sendo que 𝑣 é a velocidade do veículo em km/h. (12) Para superfícies de concreto em velocidades moderadas e altas, temos. (Gillespie, 1992). 𝑓𝑟 = 𝑓𝑜 + 3,24 𝑓𝑠 ( 𝑣 1,6 𝑥 100 ) 2,5 (13) 9 Em que 𝑣 é a velocidade em km/h, 𝑓𝑜 é um coeficiente básico e 𝑓𝑠 é um coeficiente associado ao efeito da velocidade nos pneus. Para vencer as premissas do projeto, é feito um cálculo somando as forças contrarias a que o carro está exercendo. (Gillespie, 1992). 𝑀𝑎𝑥 = 𝐹𝑥 − 𝑅𝑥 − 𝐷𝐴 − 𝑅ℎ𝑥 – 𝑊𝑠𝑒𝑛𝜃 (14) Onde: 𝑅𝑥 = Força de resistência ao rolamento; 𝑊𝑠𝑒𝑛𝑜𝜃 = peso do veículo carregado multiplicado pelo ângulo de inclinação. Força resistiva ao aclive. (Gillespie, 1992). 𝑊 ( ∅ 100 ) = 𝐹𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑜 𝐴𝑐𝑙𝑖𝑣𝑒 (15) Força de resistência à rolagem. (Gillespie, 1992). 𝑅𝑥 = 𝑊. 𝑓𝑟 (16) Fórmulas para frenagem. (Gillespie, 1992). 𝐹𝑥 = 𝜇 . 𝑚 . 𝑔 (17) Distância requerida para frenagem. (Gillespie, 1992). 𝑎 = 𝐹𝑥 𝑚 (18) 𝑥 = 𝑣02 − 𝑣𝑓² 2 𝑎 10 (19) Distribuição de torque de frenagem entre os eixos. (Gillespie, 1992). 𝑇𝑑𝑓 = 𝐹𝑥𝑚𝑎𝑥 . 𝑟 (20) Limite de tombamento. (Gillespie, 1992). ∅ = 𝑡 2 +ℎ ℎ (21) Aceleração máxima lateral para limite de tombamento (sem considerar geometria de suspensão). (Gillespie, 1992). 𝑎𝑦 𝑔 = 𝑡 2 + ∅ℎ − 𝐹𝑧𝑖 𝑚. 𝑔 𝑡 ℎ (22) 3. CÁLCULOS PARA O DIMENSIONAMENTO DO PROJETO Com base nos cálculos apresentados no memorial, podemos usa-los para provar se o carro vencerá as premissas do projeto com nossas escolhas. Para fins de simplificação, foi criada uma planilha Excel com cálculos feitos com base nas fórmulas apresentadas no memorial. 3.1 Caixa selecionada A melhor combinação das relações de marchas e as relações de diferenciais escolhida para o projeto foi a de 3,94, na primeira combinação, conforme imagem 24 Tabela1: Relação de marchas (x:1) usada na ralação de diferenciais 11 3.2 Valores para base dos cálculos A tabela de número 1 mostra os valores usados para base de cálculo do projeto, como por exemplo, valores de rotação do motor, torque do motor, diferencial e afins. A Tabela 2 apresenta os valores necessários para os cálculos, servindo como base para as demais tabelas; os valores são baseados na abertura da borboleta do motor em 100% - afim de buscar maior economia em certas condições. Tabela 2: Valores base para efeitos de cálculo A tabela 3 aponta os valores de Torque no eixo de tração no veículo. Tabela 3: Valores no eixo de tração do veículo A tabela 4 apresenta os dados de rotação de eixo, com base na fórmula (2). 1ª 2ª 3ª 4ª 1000 76 1500 86 2000 88 2500 100 3000 96 3500 95 4000 94 4500 95 5000 88 5500 79 6000 69 5ª 0,8 Raio (roda) 0,2933 m n (motor) (min-1) Torque (motor) (Nm) 4,27 2,32 1,44 1,03 3,94 I (transmissão) I (diferencial) 1ª 2ª 3ª 4ª 1150,7 625,2 388,1 277,6 1302,2 707,5 439,1 314,1 1332,4 724 449,3 321,4 1514,1 822,7 510,6 365,2 1453,6 789,8 490,2 350,6 1438,4 781,5 485,1 347 1423,3 773,3 480 343,3 1438,4 781,5 485,1 347 1332,4 724 449,3 321,4 1196,2 649,9 403,4 288,5 1044,8 567,6 352,3 252 269,5 249,6 224,1 195,7 249,6 283,7 272,3 269,5 266,7 Torque(eixo tração) 5ª 215,6 244,0 12 Tabela 4: Rotação no eixo de tração do veículo A tabela 5 nos mostra os valores da Força Pneu – a força disponível pelo powertrain do veículo, com base na fórmula (10). Tabela 5: Força disponível no powertrain A tabela 6 é relacionada a velocidade do veículo, que é calculada usando a fórmula (3). Tabela 6: Velocidade do veículo 3.3 Forças resistivas aplicadas no veículo 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 59,44 109,4 176,3 246,4 317,3 89,16 164,1 264,4 369,6 475,9 118,9 218,8 352,5 492,8 634,5 148,6 273,5 440,6 616,0 793,1 178,3 328,2 528,8 739,2 951,8 208 382,9 616,9 862,5 1110,4 237,8 437,6 705,0 985,7 1269,0 267,5 492,3 793,1 1108,9 1427,7 297,2 547 881,3 1232,1 1586,3 326,9 601,7 969,4 1355,3 1744,9 356,6 656,4 1057,5 1478,5 1903,6 n (saida) (min-1) 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 3923,5 2131,7 1323,1 946,4 735,1 4439,7 2412,2 1497,2 1070,9 831,8 4542,9 2468,3 1532,0 1095,8 851,1 5162,4 2804,9 1741,0 1245,3 967,2 4955,9 2692,7 1671,3 1195,5 928,5 4904,3 2664,6 1653,9 1183,0 918,8 4852,7 2636,6 1636,5 1170,6 909,2 4904,3 2664,6 1653,9 1183,0 918,8 4542,9 2468,3 1532,0 1095,8 851,1 4078,3 2215,9 1375,4 983,8 764,1 3562,1 1935,4 1201,3 859,2 667,4 Força (pneu) (N) 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6,57 12,1 19,5 27,2 35,1 9,86 18,1 29,2 40,9 52,6 13,1 24,2 39 54,5 70,2 16,4 30,2 48,7 68,1 87,7 19,7 36,3 58,5 81,7 105 23 42,3 68,2 95,4 123 26,3 48,4 78 109 140 29,6 54,4 87,7 123 158 32,9 60,5 97,4 136 175 36,1 66,5 107 150 193 39,4 72,6 117 163 210 Velocidade (Veiculo) (km/h) 13 A tabela a seguir, é formada por diversas fórmulas somadas, resultando na força resistiva total aplicada ao veículo diante das situações impostas pelo projeto. Primeiro, temos o valor em Peso (N) que é calculado segundo a fórmula (6), que neste exemplo, foi usado os valores para o carro vencer situação proposta de letra B no projeto. Os valores de Velocidade, apontados em Km/h, são valores estipulados como base. Em seguida temos os valores de força resistiva ao aclive, que é calculado segundo a fórmula (15). Os valores apresentados como FR são de força de rolagem (Rx), com base na fórmula (16). Os valores apontados como DA, são valores de resistência ao arrasto aerodinâmico, apontados na fórmula (4). E, por final, a força resistiva total, que é a somatória de todas as forças contrárias à direção do veículo, como aponta a fórmula (14). Tabela 7: Forças resistivas Para provar que a relação consegue superar o item A, temos o gráfico (1) com os valores: Peso (W) Vel. FR DA N Km/h 4% 10% 15% 25% 30% 35% 42% N N 4% 10% 15% 25% 30% 35% 42% 7848 10 83,4 2,4 399,7 870,6 1263,0 2047,8 2440,2 2832,6 3381,9 7848 20 88,3 9,6 411,8 882,6 1275,0 2059,8 2452,2 2844,6 3394,0 7848 30 93,2 21,5 428,6 899,5 1291,9 2076,7 2469,1 2861,5 3410,8 7848 40 98,1 38,2 450,2 921,1 1313,5 2098,3 2490,7 2883,1 3432,5 7848 50 103,0 59,7 476,6 947,5 1339,9 2124,7 2517,1 2909,5 3458,9 7848 60 107,9 86,0 507,8 978,7 1371,1 2155,9 2548,3 2940,7 3490,0 7848 70 112,8 117,0 543,8 1014,6 1407,0 2191,8 2584,2 2976,6 3526,0 7848 80 117,7 152,8 584,5 1055,4 1447,8 2232,6 2625,0 3017,4 3566,7 7848 90 122,6 193,4 630,0 1100,9 1493,3 2278,1 2670,5 3062,9 3612,2 7848 100 127,5 238,8 680,3 1151,2 1543,6 2328,4 2720,8 3113,2 3662,5 7848 110 132,4 289,0 735,3 1206,2 1598,6 2383,4 2775,8 3168,2 3717,6 7848 120 137,3 343,9 795,2 1266,1 1658,5 2443,3 2835,7 3228,1 3777,4 7848 130 142,2 403,6 859,8 1330,7 1723,1 2507,9 2900,3 3292,7 3842,0 7848 140 147,2 468,1 929,2 1400,0 1792,4 2577,2 2969,6 3362,0 3911,4 7848 150 152,1 537,4 1003,3 1474,2 1866,6 2651,4 3043,8 3436,2 3985,6 7848 160 157,0 611,4 1082,3 1553,2 1945,6 2730,4 3122,8 3515,2 4064,5 7848 170 161,9 690,2 1166,0 1636,9 2029,3 2814,1 3206,5 3598,9 4148,2 7848 180 166,8 773,8 1254,5 1725,4 2117,8 2902,6 3295,0 3687,4 4236,7 7848 190 171,7 862,2 1347,8 1818,6 2211,0 2995,8 3388,2 3780,6 4330,0 7848 200 176,6 955,3 1445,8 1916,7 2309,1 3093,9 3486,3 3878,7 4428,0 7848 210 181,5 1053,2 1548,6 2019,5 2411,9 3196,7 3589,1 3981,5 4530,9 Força resistencia ao Aclive (N) Força resistiva total (N) 313,9 784,8 1177 1962 2354,4 2747 3296 14 Gráfico 1: Capacidade Máxima e 42% de inclinação da rampa Onde encontramos o ponto verde acima da linha azul – que representa uma rampa de 42% - apontada pela tabela 6, já com os valores de arrasto e rolagem e força resistência ao aclive inclusos -, indicando que a caixa selecionada é o suficiente para fazer o carro subir a rampa. Os valores necessários para subir a rampa, segundo os cálculos, são de 5071,7N. Enquanto a força sendo exercida pelo carro com s subtração dos problemas propostos pelo projeto, é de 5162,4N. Para provar que a relação consegue superar o item B, temos a seguinte tabela com os valores: Podemos verificar que a linha azul – linha de aclive 4% - cruza com a linha de quinta marcha após os 120km/h, logo é provado que o carro consegue manter a velocidade de 120km/h nestas condições. Os valores necessários para subir a rampa, segundo os cálculos, são de 795,2N. Enquanto a força sendo exercida pelo carro com s subtração dos problemas propostos pelo projeto, é de 967,2N. 15 Gráfico 2: Todas a marchas No gráfico 2, é possível ver todas os valores de inclinação (4%, 10%, 15%, 25%, 30%, 35% + 42%) para o carro contando dois passageiros. A velocidade máxima dos veículos considerando 2 (dois) ocupantes, sem carregamento extra e com aclive de 4% - representado pela linha azul no Gráfico 3 - é de aproximadamente 150 km/h, na quarta marcha: Gráfico 3: Velocidade máxima com aclive em 4% e dois passageiros 3.4 Consumo A relação de 3,94 selecionada foi a melhor, pois era a que tinha o 𝐹𝑥𝐿𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 mais próximo do 𝐹𝑥𝑁𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑜 , logo o consumo é o melhor dentre as outras relações que passaram nos itens A e B. Com o toque máximo e abertura do acelerador em 100%, segundo o mapa de consumo específico disponibilizado pelas premissas do projeto, foi de 309 𝑔 𝑘𝑊ℎ . 16 3.5 Frenagem Para calcular a distância de frenagem, e responder ao item 4 proposto pelo projeto, tendo como base o carro sem carga e com dois passageiros, utilizamos as seguintes fórmulas: Força da frenagem (17): 𝐹𝑥 = 0,9 . 800 . 9,81 = 7063,2 𝑁 Desaceleração da frenagem (18): 7063 𝑁 800 𝐾𝑔 = 8,82 𝑚 𝑠² Distância percorrida antes da frenagem total (19): 𝑥 = 22,22−0² 2 8,82 = 28𝑚 Carregamento nos Estáticos – fórmulas (7) e (8) respectivamente: 𝑊𝑓𝑟 = 4537,1,3 𝑁 𝑊𝑓𝑠 = 2525,8 𝑁 Torque nos eixos durante a frenagem (20): 𝑇𝑑𝑓𝐷𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒𝑖𝑟𝑜 = 2661,5 𝑁𝑚 𝑇𝑑𝑓𝑇𝑟𝑎𝑠𝑒𝑖𝑟𝑜 = 1481,6 𝑁 𝑚 3.6 Limite de tombamento Rampa máxima lateral de limite de tombamento transversal, formula (21): ∅ = 1300 2 + 610 610 = 64,16° Rampa máxima lateral de limite de tombamento longitudinal, formula (21): ∅ = 1300 2 + 610 610 = 64,16° 17 Aceleração máxima lateral para limite de tombamento (sem considerar geometria de suspensão), formula (22): 𝑎𝑦 𝑔 = 1300 2 + 0 − 800 𝑥 9,81 800𝑥 9,81 1300 610 = 14,52 𝑚/𝑠2 4. REVISÃO DA LITERATURA Motor é uma máquina que consegue converter qualquer forma de energia em trabalho mecânico, sendo assim, o motor de combustão tem a capacidade de transformar a energia térmica (calorífica) em trabalho mecânico (energia mecânica). (Varella, 2013). No século XIX (19) surge o primeiro motor de combustão interna, criado pelo engenheiro mecânico belga Lenoir, em 1860, o motor tinha 1 cv de potência, e trabalhava com gás de iluminação. O combustível era queimado dentro do próprio motor, trazendo uma inovação considerável para a engenharia, pois estes motores apresentavam vantagens em relação aos de combustão externa como, por exemplo: funcionamento inicial mais rápido, menor peso por cavalo vapor ea adaptação a diversos tipos de máquinas. (Varella, 2013). Em 1861, Otto e Langen, criaram um novo motor que se baseava na criação de Lenoir, esse comprimia a mistura de ar e gás de iluminação e tinha ignição realizada através de uma centelha elétrica. Um ano depois, o engenheiro francês Beau de Rochas estabeleceu alguns princípios termodinâmicos baseado no motor de Otto. Em 1872 era apresentado o motor de ciclo Otto, o combustível era o gás de carvão ou o gasogênio, com ignição feita por centelha elétrica. (Varella, 2013). O primeiro veículo com motor a combustão interna de ciclo Otto surgiu em 1889, seu combustível era a gasolina. (Varella, 2013). O engenheiro alemão Rudolf Diesel, criou um novo motor em 1893, o “motor térmico racional”, conhecido mais como motor Diesel. A ignição da mistura ar mais combustível era realizada por compressão. (Varella, 2013). 4.1 Funcionamento dos motores a combustão interna 18 Os motores de combustão interna são aqueles que têm a sua queima de combustível internamente e apresentam um mecanismo composto por pistão, biela e virabrequim que fazem a transformação da energia térmica (calorífica) em energia mecânica. (Simêncio, 2019). Além de todos os componentes já apresentados, o motor ainda não funciona sem a participação de sistemas de extrema importância, são eles: sistema de alimentação de combustível, sistema de alimentação de ar, sistema de arrefecimento, sistema de lubrificação e sistema elétrico. (Simêncio, 2019). Os motores de ciclo Otto de quatro tempos são divididos pelas seguintes etapas, o primeiro tempo representa a admissão, movimento do pistão quando parte do PMS (Ponto Morto Superior) para o PMI (Ponto Morto Inferior). O virabrequim completa meia volta (180°). (Tillmann, 2013). O segundo tempo é a compressão, que se iniciam quando a válvula de admissão se fecha. Conforme o pistão vai se deslocando para o PMS (Ponto Morto Superior), comprime a mistura de ar e combustível. O virabrequim completa outra meia volta (180°), realizando uma volta completa (360°). (Tillmann, 2013). O terceiro tempo é o de combustão, antes de o pistão atingir o PMS (Ponto Morto Superior), o sistema de ignição passa corrente elétrica para a vela, fazendo saltar uma centelha de eletrodos provocando uma inflamação da mistura que está fortemente comprimida. Os gases em expansão forçam o pistão para o PMI (Ponto Morto Inferior). O virabrequim completa outra meia volta (540°). (Tillmann, 2013). O quarto e último tempo é o escape, momento em que a válvula de escape se abre, os gases queimados são forçados para fora do cilindro, enquanto o pistão se movimenta para o PMS (Ponto Morto Superior). O virabrequim completa outra meia volta (180°), completando duas voltas completas (720°) e um ciclo de quatro tempos completo. (Tillmann, 2013). O terceiro tempo do ciclo, a combustão, é o único tempo em que se produz energia mecânica, os outros três tempos são passivos, absorvem energia. (Tillmann, 2013). 19 Figura 1: Ciclos do motor a combustão interna. Fonte: Fatec Santo André Motores ciclo Otto utilizam sistema de ignição, que é composto por uma bateria que alimenta voltagem induzida pela bobina. A bobina eleva a voltagem recebida da bateria, para alimentar as velas de ignição. (Tillmann, 2013). As velas promovem faíscas, que pela alta tensão, inflamam a mistura comprimida no cilindro. Elas também devem resistir à alta voltagem, vibração mecânica, corrosão química dos gases da combustão e mudanças bruscas de temperatura. (Tillmann, 2013). Figura 2: Motor de combustão interna. Fonte: Lab. mc 4.2 Sistemas de transmissão A busca por maior eficiência e rendimento é, e sempre será, muito importante no meio automotivo. Um sistema que ao longo da história sofreu inovações e evoluções é a caixa de câmbio, cuja função é transmitir o torque disponível no motor ao sistema de transmissão, possibilitando, assim, o movimento do carro em diferentes situações. (Padilha, 2018). 20 As primeiras aplicações de um multiplicador de força em motores são datadas de, pelo menos, 100 anos antes da data oficial da criação do automóvel (1886). Por sua vez, o desenvolvimento de caixas de mudança de marchas estava diretamente ligado ao aprimoramento de máquinas a vapor, uma vez que as transmissões das forças geradas por esses equipamentos a vapor não eram suficientes para as aplicações desejadas. Dessa maneira, as transmissões faziam a adaptação do movimento gerado pelos pistões a vapor, em movimento rotacional. (Padilha, 2018). O mérito da invenção e, principalmente, da explicação do funcionamento das alavancas é atribuído a Arquimedes. Ele teria sido o inventor e primeiro a utilizá-las com grande sucesso. (Padilha, 2018). Durante anos, a linha de transmissão de veículos passageiros poderiam ser classificados em dois grupos: com motor e transmissão longitudinal em linha posicionado à frente do veículo tracionando as rodas traseiras, ou com motor transversal à frente do veículo tracionando as rodas dianteiras. Outras configurações, tal como motores traseiros com rodas traseiras tracionadas eram em casos especiais. As transmissões ou eram manuais, ou automáticas com quatro ou cinco marchas. (Padilha, 2018). A transmissão comunica às rodas a potência do motor transformada em energia mecânica. Num automóvel convencional, com motor dianteiro, a transmissão tem início no volante do motor e prolongasse através da embreagem, da caixa de câmbio, do eixo de transmissão e do diferencial até as rodas de trás. Os automóveis com motor à frente e com tração dianteira ou com o motor atrás e tração nas rodas de trás dispensam o eixo transmissão sendo, neste caso, o movimento transmitido por meio de eixos curtos. A embreagem, que se situa entre o volante do motor e a caixa de câmbio, permite desligar a energia motriz da parte da parte restante da transmissão para libertar esta do torque quando as mudanças são engrenadas ou mudadas. Os principais componentes do sistema são: embreagem acoplada diretamente ao motor, caixa de transmissão ou câmbio, eixo de transmissão, diferencial e semieixos que chegam até as rodas do automóvel. (Padilha, 2018). 21 Figura 3: Sistema de transmissão. Fonte: Embreagem adx Com as diversificações dentro do mercado de automóveis e a evolução na tecnologia levaram novas configurações nas linhas de transmissões. Muitas dessas com intuito de melhor o consumo de combustível e um maior conforto. (Padilha, 2018). 4.2.1 Transmissão manual É o tipo mais comum encontrado nos veículos. Usando o pedal da embreagem e a alavanca de câmbio, a troca é feita manualmente pelo motorista quando a rotação atinge um valor elevado ou quando é necessário mais torque nas rodas. Por ser o modelo mais simples, normalmente é mais barato e requer menos manutenção. (Padilha, 2018). “As transmissões manuais possuem hoje, em alguns casos, mais de seis marchas, com a automatização sendo implementada em áreas da embreagem e da troca de marchas. A seleção automática de marchas, tanto por alavanca ou por botões no volante, ou por modo totalmente automotivo, é possível agora através de sistemas de controle denominados como shift-by-wire.” (Padilha, 2018). Figura 4: Transmissão manual. Fonte: Engenharia 360 4.2.2 Transmissão automática Diferentemente da convencional na qual o motorista seleciona manualmente qual marcha quer usar, nesse modelo a mudança é feita automaticamente. O 22 diferencial do sistema de transmissão automotiva automático trabalha sob carga, não interrompendo a propulsão do veículo no momento da troca. Além disso, a embreagem tradicional é substituída pela embreagem hidráulica ou pelo Conversor Hidrodinâmico de Torque. A transmissão automática não conta com pedal de embreagem e as opções da alavanca de câmbio são diferentes.(Padilha, 2018). Figura 5: Transmissão automática. Fonte: Carro de garagem 4.2.3 Transmissão automatizada Muitas vezes chamado de sequencial, esse modelo dispensa o uso do pedal da embreagem. Isso é possível devido a um sistema eletrônico de gerenciamento. Quando o condutor seleciona a marcha, um sistema automatizado aciona a embreagem e faz a troca. A desvantagem desse modelo fica por conta do maior tempo de resposta durante as trocas de marcha. Essa lentidão é percebida principalmente nos carros mais comuns. Nos esportivos o desempenho é melhor. (Padilha, 2018). Figura 6: Transmissão automatizada. Fonte: Automotive world 4.2.4 Transmissão CVT Segundo o especialista em transmissão automática, Maurício Carreiro, instrutor da TTR Treinamentos, de São Bernardo do Campo (SP), o câmbio CVT pode ser considerado o melhor tipo de transmissão automática para automóveis de passeio. O CVT (sigla para transmissão continuamente variável) utiliza duas polias lisas interligadas por uma corrente metálica submersa em fluido de transmissão. A https://blog.nakata.com.br/quais-cuidados-devem-ser-tomados-com-carros-esportivos/ 23 movimentação das polias que determina o ponto em que estará a corrente de transmissão, algo que muda em instantes. Variáveis entre seus extremos, as relações criam uma "marcha certa" para cada momento. (Padilha, 2018). Muito comum em veículos de fabricantes japonesas, as transmissões do tipo CVT também são classificadas como automáticas. Porém, seu funcionamento é completamente diferente das demais. “São modelos continuamente variáveis. A maioria usa polias de diâmetro variável e um sistema de atuadores hidráulicos, que são os responsáveis pela variação do diâmetro”, afirma o professor. “Em termos de desempenho, o princípio é que a rotação não varie muito, sendo contínua.” (Padilha, 2018). Para o projeto esse tipo de transmissão é a mais adequada devido as novas condições da atualidade: Conforto e ruído: Por não ter os trancos durante as trocas de marchas, o sistema de transmissão CVT, gerada menos ruído em relação a outros sistemas de transmissão. (Padilha, 2018). Durabilidade: O sistema de transmissão CVT é projetado para ter vida útil prolongada, estima-se de pelo menos 300 mil quilômetros. (Padilha, 2018). Menor custo de produção e manutenção: por ter concepção mais simples que outros sistemas de transmissão, especialmente aquelas banhadas a óleo, o sistema de transmissão CVT é menos complexo e mais barato de fabricar e de manter, como pode ser visto mais acima, é composto de polias e corrente metálica. (Padilha, 2018). Emissão poluentes: O sistema de transmissão CVT é um dos modelos que menos emite poluição, pois a troca de marchas estará adequada a qualquer situação que o carro se encontra, exigindo menos trabalho do motor. (Padilha, 2018). Em geral, podemos dizer que o sistema de transmissão adotado para o projeto terá o menor custo benefício, além das garantias como conforto, durabilidade (menos manutenção) e emissão de poluente, sendo esse último é uns dos temas mais discutidos em todo mundo, sobre a diminuição de emissão poluentes em automóveis. (Padilha, 2018). 24 Figura 7: Transmissão CVT. Fonte: Automotive world 4.2.4 Sistema de acionamento É necessário para a troca de marchas do veículo. Um sistema de acionamento de embreagem caracterizado como mecânico é composto por tirantes e alavancas ou por cabos e alavancas. Esses sistemas são bastante utilizados em veículos de passeio e veículos comerciais leves, pois a multiplicação da força aplicada pelo motorista é suficiente para desacoplar a placa de pressão do platô. (Padilha, 2018). Existem, ainda, sistemas automatizados que dispensam o uso do pedal utilizando um sistema de controle eletrônico que identifica a troca de marcha através de um joystick, ou alavanca convencional, e determina qual será a melhor condição de troca de marchas não comprometendo a durabilidade do sistema e nem o conforto dos ocupantes. Esse sistema pode ser utilizado com câmbio sem sincronizadores. Nesse caso, a sincronização é feita através de um frio no eixo intermediário do câmbio e a embreagem é utilizada somente na partida do veículo. (Padilha, 2018). 4.2.5 Diferencial É um conjunto de engrenagens de aço, que se combinam, entre si, para permitir rotações diferentes das rodas motrizes do veículo, quando esse se desloca nas curvas. (Costa. 2002). 25 Figura 8: Diferencial. Fonte: Carros e garagem Os diferenciais são compostos por: Coroa e pinhão; Arruelas de encostos; Cruzeta ou eixo; Engrenagens satélites e planetárias; Semieixo. Diferencial aberto: Um diferencial em sua forma mais básica compreende duas metades de um eixo com uma engrenagem em cada extremidade, conectadas juntas por uma terceira engrenagem formando três lados de um quadrado. (Costa. 2002). Diferencial bloqueado: O diferencial bloqueado é uma variante encontrada em alguns veículos, principalmente aqueles que saem da estrada. É essencialmente um diferencial aberto com a capacidade de ser bloqueado no lugar para criar um eixo fixo em vez de um independente. (Costa. 2002). Diferencial soldado: Os diferenciais soldados são essencialmente os mesmos que um diferencial bloqueado, somente ele foi permanentemente soldado de um diferencial aberto em um eixo fixo (também conhecido como diferencial de carretel). (Costa. 2002). Diferencial Torsen: O diferencial Torsen (Torque – Sensing) emprega o uso de alguma engrenagem inteligente para produzir o mesmo efeito que um Diferencial de Deslizamento limitado sem a necessidade de embreagens ou resistência a fluidos. (Costa. 2002). Diferencial de deslizamento limitado: O trabalho deste para combinar os benefícios dos diferenciais Aberto e Bloqueado através de um sistema mais complicado. Que possui dois modelos Diferencial de deslizamento limitado de embreagem mecânica e Diferencial de deslizamento limitado viscoso. (Costa. 2002). Diferencial ativo: Muito parecido com um diferencial de deslizamento limitado, o diferencial ativo ainda emprega mecanismos para fornecer a resistência necessária para transferir o torque de um lado para outro – mas, em vez de confiar na força 26 puramente mecânica, essas embreagens podem ser ativadas eletronicamente. (Costa. 2002). Diferencial de vetor de torque: Este diferencial leva esse sistema aprimorado eletronicamente ainda mais usando-o para manipular o ângulo, ou vetor, do veículo dentro e fora das curvas, incentivando rodas específicas a receber mais torque em momentos-chave – melhorando o desempenho nas curvas. (Costa. 2002). 4.2.6 Semi arvore ou Semi eixo Transmite o movimento de rotação, do diferencial às rodas motrizes, do veículo. A semi arvore é uma barra de aço cilíndrica cujas extremidades são preparadas para fazer acoplamentos com outras peças, por meio de entalhes ou conicidades com rasgos para chavetas e roscas de fixação. Em veículos automotivos cujo motor é instalado na dianteira e cujas rodas motrizes são na parte traseira, é usado um eixo rígido, no qual estão presentes o diferencial e as semi arvores. Onde as semi arvores recebem os movimentos de rotação, vindos do diferencial, e os transmitem às rodas motrizes, os diferenciais mais comuns são em relação aos pontos de apoio da semi arvores e são: semiflutuante, -3/4 flutuantes e flutuante. (Padilha, 2018). Figura 9: Semi Arvore. Fonte: Best Cars 4.2.7 Cruzeta É uma peça em forma de cruz, com quatro braços iguais, em ângulo de 90º. Cada uma das extremidades desses eixos é depositada sobre um rolamento tipo agulhas, lubrificado com graxa. (Padilha, 2018). 4.2.8 Eixo cardan O eixo cardan tem como principal função transmitir a energia gerada pelo motor para o eixo diferencial e depois para as rodas do veículo. Eledá mais liberdade de 27 movimento durante a variação de velocidade ao fazer a ligação da força gerada às rodas. (Padilha, 2018). Veículos com motor dianteiro e tração traseira, caminhões, 4×4, ônibus e motos utilizam esse tipo de eixo. Uma haste metálica com forquilhas em suas extremidades e uma cruzeta central basicamente compõe o eixo cardan. Por este motivo, possui um grande tempo de vida. (Padilha, 2018). Carros e Motocicletas: Utilizados nos veículos com motor dianteiro e tração traseira ou 4X4 como meio de transmissão do motor para as rodas. Já em motocicletas como substituto da corrente de transmissão, torna o conjunto mais silencioso, além de ser quase isento de manutenção. Caminhões e Ônibus: Utilizado na transmissão ao eixo traseiro, podendo ter tanto motor dianteiro como traseiro, no caso de motor traseiro utiliza-se normalmente somente um cardan, ao contrário dos motores dianteiros, que normalmente possuem vários cardan. 4.2.9 Junta elástica Está presente no final da transmissão articulada e possui entalhes (estrias) nos quais a superfície do garfo, também entalhado (estriado), desliza. As estrias permitem um deslocamento entre a árvore de transmissão e o garfo, compensando, assim, as oscilações da suspensão do veículo. (Padilha, 2018). 4.2.10 Junta universal São o órgão que transmite movimento entre dois eixos concorrentes. Compõem-se de dois garfos (ou forquilhas) fixados aos respectivos eixos e ligados entre si, por uma cruzeta. O ângulo entre os eixos pode variar durante o funcionamento, mas sem superar os 40º, sob risco de romper a cruzeta. (Padilha, 2018). 4.3 Relação de torque A seleção de uma velocidade mais baixa (relação mais baixa) permite que o motor trabalhe a um maior número de rotações em relação às rodas, multiplicando-se 28 assim o torque (binário motor). As caixas de mudanças são calculadas e construídas, em função da potência do motor do veículo e da carga máxima que o mesmo pode suportar. (Costa. 2002). O torque máximo de um motor é calculado para um certo número de rotações. Assim, quando a rotação de um motor diminui, o seu torque motriz também diminui. Quando um veículo sobe uma 1adeira, essa ladeira oferece uma certa resistência, chamada de "torque resistente", ou seja, que se opõe ao torque motriz. Se o torque motriz for menor do que o torque resistente, o motor tende a parar. Para que isso não aconteça, existe, a caixa de mudanças, cuja função é fazer com que o torque motriz seja sempre maior do que o torque resistente. A caixa de mudanças também é chamada tecnicamente de dispositivo de mudança de torque. Ela permite-nos selecionar maior velocidade com menos torque, ou pouca velocidade com grande torque, de acordo com as necessidade do movimento. (Costa. 2002). O torque (medido em Nm) é o produto de uma força fornecida por uma alavanca. Quanto maior a alavanca, maior será o torque (força). As engrenagens operam como alavancas, de tamanhos maiores ou menores. Quanto maior a engrenagem movida, maior será o torque, embora esteja em rotação mais lenta. (Costa. 2002). 29 5. CONCLUSÃO Através dos cálculos apresentados no decorrer do projeto, juntamente com as matérias lecionadas pelos professores competentes ao projeto, identificamos que o veículo projetado, com a relação de marchas escolhida pelo grupo, pôde concluir com êxito os desafios propostos pelo trabalho, vencendo a rampa com 42% de inclinação em velocidade constante e considerando carregamento máximo. A mesma relação de marchas e diferencial também foi possível manter a 5ª marcha numa estrada com inclinação de 4% com velocidade constante de 120 km/h, e carregando dois ocupantes de 75 kg, dentre todas as combinações, foi selecionada a que teve melhor rendimento e consumo. Todos as premissas foram cumpridas mediante ao estudo de livros e acompanhamento das aulas. 30 REFERÊNCIAS BENTO, OLIVEIRA, CESÁRIO, Gustavo, Gustavo, Wilson. Estudo e Desenvolvimento de Uma Unidade de Gerenciamento Eletrônico que Simule a Atuação nas Eletroválvulas da Transmissão Automatizada Dualogic. FATEC Faculdade de Tecnologia de Santo André-SP, 2017. COSTA. Paulo G. A bíblia do automóvel. Edição eletrônica. 2001-2002. CUNHA, Lauro Salles. Manual Prático do Mecânico. Edição 7. Editora HEMUS, 1972. GILLESPIE, Thomas D.; Fundamentals of Vehicle Dynamics; SAE; 1992. PADILHA, Jessé Luís. Sistemas de Transmissão Automotiva – 1. ed. – Brasília: NT Editora, 2018. SIMÊNCIO, Éder Cícero Adão. Motores de combustão interna. Editora e Distribuidora Educacional S.A, 2019. Tillmann, Carlos Antônio da Costa. Motores de Combustão Interna e seus Sistemas. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense Este caderno foi elaborado em parceria entre o Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Sul-rio-grandense – Campus Pelotas-Visconde da Graça e a Universidade Federal de Santa Maria para a Rede e-Tec Brasil. 2013 VARELLA, Carlos Alberto Alves. Histórico e Desenvolvimento dos Motores de Combustão Interna. Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro-RJ – Departamento de Engenharia Área de Máquinas e Energia na Agricultura it 154- Motores e Tratores. 2013. 31 APÊNDICES
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