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TRABALHO DE ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA – APS Carrinho Elétrico MAIO 2016 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 3 2. OBJETIVO 4 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 4 3.1. História do carro elétrico 4 3.2. Pilhas e baterias 5 3.3. Motores elétricos 10 4. CONSTRUÇÃO 13 4.1. Chassi 13 4.2. Motores 13 4.3. Rodas 14 4.4. Alimentação do sistema 15 4.5. Acionamento dos motores 16 4.6. Faróis e lanternas 17 4.7. Controle 17 4.8. Design 18 5. TABELA DE CUSTOS 19 6. CONCLUSÃO 19 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 20 1. INTRODUÇÃO O primeiro veículo elétrico foi construído em 1835 por Thomas Davenport. Após esse período, começaram a serem adaptados alguns veículos para funcionarem em trilhos. O declínio da fabricação de veículos elétricos veio após o início da fabricação em massa de carros com motores movidos a combustão, por Henry Ford. O funcionamento dos carros elétricos é baseado no uso de baterias como fonte primária, que convertem energia química em elétrica, transmitem para os motores, que, por sua vez, fazem a conversão em energia mecânica gerando a propulsão para que o veículo se mova. Com esse processo, os carros elétricos contribuem diretamente para a preservação do meio ambiente, pois, utilizam energia recarregável e não emitem gases poluentes que aumentam cada vez mais o efeito global. Outro aspecto positivo no uso da eletricidade em veículos é a diminuição da poluição sonora em grandes metrópoles, que causam vários danos à saúde humana, mais precisamente no sistema auditivo e endócrino, provocando estresse e problemas circulatórios. Entretanto, devemos ressaltar também algumas desvantagens, como os preços ainda serem altos em comparação com os veículos a combustão, além de não ter sido alcançado uma autonomia satisfatória para as baterias, que duram normalmente de 100 a 200 km apenas. Após inovações nas tecnologias, surgiu também uma nova categoria de automóveis, denominados híbridos. Estes veículos aliam um motor à combustão a um motor elétrico, assim reduzindo as emissões de gases e o consumo de combustível fóssil, assim equilibrando a preservação do meio ambiente sem perder eficiência e autonomia. Diante da necessidade de um mundo mais sustentável, montadoras, universidades, instituições de pesquisa e empresas de tecnologia tem investido e incentivado o desenvolvimento contínuo de estudos para solucionar e difundir cada vez mais a utilização de veículos que atendam a humanidade sem agredir o meio ambiente. 2. OBJETIVOS O trabalho proposto tem por objetivo a pesquisa, planejamento e construção de um carro movido à energia elétrica (baterias, pilhas, etc.), com controle remoto, que seja capaz de percorrer uma pista com retas e curvas, atendendo às normas estabelecidas pela coordenação do curso de engenharia ciclo básico da Universidade Paulista (UNIP). 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1. História do carro elétrico Os veículos elétricos estão entre os primeiros carros construídos durante os anos iniciais da indústria automobilística. O primeiro veículo independente a rodar com eletricidade foi construído na década de 1830, na Escócia. A fonte de energia para esse veículo não era recarregável, um problema considerável. Vários outros veículos elétricos chegaram às ruas nos anos 1800, mas o primeiro automóvel elétrico real surgiu em 1891, na oficina de William Morrison, de Des Moines, em Iowa. Em 1900, 28% de todos os carros nos Estados Unidos rodavam com eletricidade. Imagem 01 – Primeiro Carro Elétrico Fonte: https://pt.wikipedia.org/ Contudo, pouco depois desse pico de popularidade, o carro elétrico caiu em declínio quando Henry Ford introduziu o Modelo T, com motor de combustão e produzido em massa, tornando os automóveis acessíveis às massas. Em 1920 o carro elétrico havia praticamente desaparecido, substituído por carros que iam mais longe e mais rápido com mais energia, transição que foi auxiliada pelo fato de que a gasolina estava prontamente disponível. A ideia de um carro elétrico para as massas voltou em 1960, mas só pegou na década de 1970, quando as preocupações com a poluição e os preços crescentes da gasolina aumentaram. 3.2. Pilhas e baterias Usadas em uma infinidade de aparelhos elétricos e eletrônicos, as pilhas e baterias consistem em fontes químicas de energia elétrica, ou seja, dispositivos que convertem energia liberada numa reação química em energia elétrica. O nome "pilha" vem do primeiro dispositivo desse tipo que foi inventado por Alessandro Volta em 1800. O pesquisador italiano fez um empilhamento de discos de cobre e zinco tendo entre eles discos de tecido embebidos numa solução de ácido sulfúrico, conforme mostra a figura 2. Figura2 – A pilha de Volta Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Entre cada par de discos era possível obter uma tensão de 0,75 volts. Assim, com muitos discos, as tensões se somavam e uma boa tensão era obtida dessa primeira pilha elétrica. A pilha de Volta teve vários aperfeiçoamentos atribuídos a cientistas como Zamboni, De Luc, Einhof, Ritter, Hachette isso no período entre 1800 e 1812. No entanto, o aperfeiçoamento maior desta pilha ocorreu somente em 1868 quando Georges Léclanché, um pesquisador francês, chegou a uma configuração que até hoje é usada com poucas modificações para fornecer energia para nossos aparelhos. Outro modelo é a “pilha seca”, mostrada na figura 3. Figura 3: A pilha seca ou pilha comum. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Nesta pilha o eletrodo ou pólo negativo consiste num "copo" de 99,99% de zinco. O pólo positivo é formado por um bastão de carbono. A solução química ou eletrólito que vai reagir com o zinco para liberar a energia elétrica é formado por uma mistura de cloreto de amônia, dióxido de manganês, cloreto de zinco e algumas outras substâncias estabilizadoras que foram acrescentadas com o tempo e que dependem do fabricante da pilha. Quando essa pilha "funciona" o eletrólito ataca o zinco liberando energia elétrica que se manifesta numa tensão da ordem de 1,5 V entre seus pólos. Ocorre, entretanto que o zinco vai se gastando assim como o eletrólito até chegar um ponto em que ele pode furar. As pilhas modernas são protegidas por capas de aço e papelão, mas até elas podem "furar" ocorrendo então o vazamento das pilhas com perigo para os componentes do aparelho alimentado. Outro problema a ser considerado é que, durante as reações que ocorrem no interior da pilha, é liberado hidrogênio que não deve ficar acumulado. Se esse hidrogênio formar bolhas, pode haver excesso de pressão o que poderia levar a pilha a "explodir". Além disso, o gás dificulta as reações e a própria circulação da corrente, devendo ser eliminado. Para eliminar o gás é que existe o despolarizante a base de manganês. Este manganês absorve o hidrogênio evitando que ele traga problemas de funcionamento para a pilha. As reações que ocorrem no interior de uma pilha seca são irreversíveis, ou seja, não podem ser invertidas para se devolver energia a ela. Isso significa que as pilhas secas não são recarregáveis. A possibilidade de se carregar células químicas de energia elétrica resultou no aparecimento dos acumuladores. O acumulador foi descoberto por J. W. Ritter na Alemanha em 1803. O tipo atualmente mais usado é o acumulador chumbo-ácido que tem a estrutura mostrada na figura 4. Figura 4: O acumulador chumbo-ácido.Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Cada célula contém duas placas de chumbo que são submersas numa solução de ácido sulfúrico. Quando a célula se encontra descarregada, as duas placas são de chumbo metálico. No entanto, quando uma corrente de carga é forçada a circular pela bateria, ocorre uma transformação química das placas e uma tensão de ordem de 1,6 V se manifesta entre elas. A energia fica então acumulada e a célula pode ser usada para fornecer esta energia a um circuito externo. À medida que ela fornece energia, as placas novamente se transformam voltando ao estado original. Com a descarga completa é preciso fazer a corrente de carga circular por certo tempo para que a célula volte a armazenar energia. Quando ligamos pilhas ou acumuladores em conjunto, obtemos associações denominadas "baterias". Assim, o conjunto de células ou pilhas secas que formam uma bateria de 9V como a que usamos para alimentar um radinho, do tipo mostrado na figura 5, é uma bateria de pilhas. Figura 5: Estrutura de uma bateria seca de 9V. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ A escolha de um determinado tipo de pilha ou bateria para a alimentação de um equipamento está condicionada a diversos fatores. O primeiro fator a ser considerado é a tensão que deve ser mantida no circuito durante o tempo de funcionamento. As pilhas comuns fornecem uma tensão em aberto de 1,5 V assim como as alcalinas, enquanto que as baterias de Nicad fornecem 1,2V. No entanto, a maneira como esta tensão se mantém durante a vida útil da pilha ou bateria pode variar e isso pode afetar o desempenho de um circuito. Podemos dizer que para todos os tipos, exceto os acumuladores chumbo- ácido que a vida útil da pilha termina quando a tensão cai abaixo de 0,8 V ou 0,9 V. Um ponto importante a ser considerado é que esta queda ocorre pelo aumento da resistência interna da pilha que forma com o circuito externo um divisor de tensão, conforme mostra a figura 6. Figura 6: Perdas na resistência interna de uma pilha. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Outro fator importante que determina a escolha de uma pilha é a sua capacidade de fornecimento de energia. A quantidade de energia de uma pilha é dada pelo produto da tensão que ela mantém no circuito, pela corrente que ele exige e pelo número de horas em que isso ocorre. Assim, uma pilha de 15 VAh pode fornecer uma corrente de 1,0A sob corrente de 1,5V durante 10 horas. A mesma pilha fornecerá 100 mA de corrente a um circuito durante 100 horas. A capacidade de fornecimento de energia não depende apenas do tamanho da pilha, mas também de seu tipo. Assim, as pilhas que possuem maior densidade de energia são as alcalinas com 220 VAh por litro, contra 100 VAh das pilhas de comuns e 80 VAh das de Nicad. Esta capacidade refere-se ao conteúdo energético total da pilha e não à sua potência. Assim, a resistência interna baixa de uma pilha permite que ela seja capaz de operar em condições de alta corrente. Isso significa que as pilhas de Nicad podem fornecer correntes muito maiores que a alcalinas e que as comuns. Na verdade é até perigoso colocar em curto tais pilhas pela elevada corrente que pode até causar sua explosão. Isso não significa que para um mesmo aparelho elas tenham maior durabilidade. O fato importante a ser considerado então é que, para um consumo fixo de energia as pilhas alcalinas têm até 2,5 vezes a durabilidade de uma pilha comum e até três vezes mais a de uma de Nicad. 3.3. Motores elétricos Motores elétricos são parte integrante de uma infinidade de equipamentos. Máquinas industriais, automatismos domésticos e automotivos, portões elétricos, dispositivos mecatrônicos, robôs são alguns exemplos de lugares onde podemos encontrar motores. Os motores podem ser dos mais diversos tipos, formas e tamanhos o que leva a todo profissional da eletrônica a ter um conhecimento mais profundo destes dispositivos se quiser saber como trabalhar com eles. Os motores são transdutores que convertem energia elétrica em energia mecânica. Nesta função, eles fazer parte de uma grande quantidade de equipamentos que encontramos no dia a dia. Em 1830, Michael Faraday, com o intuito de obter energia mecânica a partir de energia elétrica, desenvolveu o primeiro motor de disco. No entanto, naquela época as próprias fontes de energia elétrica eram limitadas o que fez com que este motor apenas se tornasse uma curiosidade de laboratório sem aplicação prática alguma. Quando uma corrente elétrica percorre um fio imerso num campo magnético surge uma força perpendicular ao fio que tende a movê-lo (figura 7). Figura 7: Força em um condutor imerso num campo magnético. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Se em lugar de um simples condutor for usado uma bobina com muitas espiras de fio, mesmo uma corrente relativamente fraca pode gerar forças bastante intensas quando a mesma configuração for montada. Uma bobina com o formato mostrado na figura 8 quando percorrida por uma corrente e imersa num campo uniforme ficará sujeita a um binário que tende a girá- la. Figura 8: Princípio de funcionamento de um motor DC. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ Nestas condições, se a bobina girar livremente ela só vai fazê-lo por certo percurso, até que as forças não mais atuem no sentido de produzir este movimento. Essa configuração pode produzir força mecânica em boa quantidade, mas existe o problema de se obter um movimento contínuo da bobina, ou seja, fazê-la girar sem parar. Isso pode ser conseguido por um processo denominado comutação e que é mostrado na figura 9 que leva a um motor com possibilidade de aplicações práticas. Figura 9: O sistema de escovas. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/ A bobina é enrolada em um cilindro que é montado num eixo capaz de girar sobre mancais. Neste eixo é deixado duas regiões isolantes em que colocamos "meia calhas" de contatos comutadores que são ligados aos fios da própria bobina. Dois contatos fixos ou "escovas" fazem contato elétrico com estas meias calhas de modo a transferir energia para as bobinas. A ligação destes comutadores é tal que em meia volta do percurso, os comutadores A e B são ligados à bobina e com isso a corrente circula num sentido. Na outra meia volta os comutadores C e D é que são ligados na bobina e a corrente circula no sentido oposto. Tudo isso leva ao seguinte comportamento mecânico do dispositivo assim formado. a) Quando aplicado a corrente nos contatos que alimentam a bobina, circula uma corrente em um sentido tal que tende a movimentar a bobina de meia volta num sentido, que depende justamente do sentido de circulação desta corrente. b) Quando a bobina alcança a posição que seria de repouso, meia volta depois, as escovas comutadores mudam os contatos e, com isso, a corrente inverte seu sentido de circulação. c) O resultado é que a posição em que a bobina alcançou não é mais a posição de repouso, já que surge uma nova força que tende a fazê-la continuar girando. A nova posição de repouso estará agora meia volta adiante. d) A bobina gira mais volta para alcançar a nova posição de repouso, mas ao chegar próxima dela, novamente entram em ação os comutadores e a corrente é invertida. Uma nova posição de repouso aparece. e) A nova posição de repouso estará novamente meia volta à frente e a bobina continua girando. A bobina nunca vai parar enquanto houver disponibilidade de corrente para alimentar o circuito e obteremos com isso um movimento giratório da bobina e de seu eixo constante. Os motores são especificados para operar dentro de uma faixa de tensões. Assim, um motor de 3 V, realmente funcionará quando alimentado com tensões na faixa de 1,5 a 4,5 V sem problemas. Acimadesta tensão o problema maior é a dissipação de calor pelo enrolamento. Aquecendo demais os fios podem ter sua isolação queimada já que são do tipo esmaltado. A velocidade de rotação deste tipo de motor depende da tensão aplicada e também da carga, ou seja, da força que devem fazer. 4. CONSTRUÇÃO 4.1. Chassi O primeiro passo para a construção do carro foi o chassi, pois é a estrutura que sustenta os motores, baterias e demais componentes. Respeitando as normas de construção estabelecidas, o chassi foi feito com 29 cm de comprimento e 16 cm de largura. Foi utilizada uma placa de ACM, material leve e resistente, composto por duas lâminas de alumínio ligadas por um núcleo de polietileno. Foram feitos recortes para rodas e furos para fixação dos motores e passagem dos fios condutores, como mostrado na figura 10. Figura 10: Chassi. Fonte: Imagem própria. 4.2. Motores Para dar movimento ao carrinho, foi utilizado dois moto redutores com 6 mm de diâmetro e alimentação de 12V a 24V. O redutor é de 15:1. A caixa de redução acoplada ao motor elétrico diminui a rotação do eixo através de engrenagens que aumentam o torque. A figura 11 mostra o moto redutor usado. Figura 11: Moto redutor Fonte: http://www.xbot.com.br/catalogo-educacional/ 4.3. Rodas As rodas fixadas no eixo do motor, são finas com a parte externa feita de borracha, assim proporcionando pouco atrito devido a sua espessura, e ao mesmo tempo, apresentam boa aderência devido à borracha (figura 12). Figura 12: Roda traseira. Fonte: http://www.xbot.com.br/catalogo-educacional As rodas dianteiras são simples, retiradas de um carrinho de brinquedo, e fixadas ao chassi por um eixo plástico vazado, colado no mesmo. Para não haver folga na roda, foi necessário utilizar pinos dentro do eixo plástico, delimitando assim o movimento, conforme mostra a figura 13. Figura 13: Rodas dianteiras e traseiras. Fonte: Imagem própria. 4.4. Alimentação do sistema Para alimentação dos motores e demais componentes elétricos, utilizou-se a bateria UP1213 da Unipower (figura 14), com tensão de 12 V e capacidade nominal de 1,3 Ah. As dimensões da mesma são 98 mm de comprimento, 43 mm de largura e 57 mm de altura, e peso de 0,58 kg. Figura 14: Bateria. Fonte: https://www.unipower.com.br A bateria foi alocada na parte traseira do carrinho, acima dos motores. Este local foi escolhido para distribuir o peso da bateria, e assentar melhor as rodas no chão e com isso melhorar o controle do carrinho. A posição escolhida para a bateria está ilustrada na figura 15 abaixo. Figura 15: Posição da bateria no carrinho. Fonte: Imagem própria. 4.5. Acionamento dos motores Para controlar o acionamento dos motores, foram usados dois botões. Os fios de positivo e negativo da bateria foram ligados nos polos centrais e interligados entre um botão e outro na mesma posição central. Para inverter o sentido de rotação no motor, foram ligados dois fios nas extremidades dos polos do botão formando um “x”, assim quando a chave é acionada em uma posição, libera corrente em um sentido e quando a chave é acionada na posição invertida, inverte também o sentido da rotação do motor (figura 16). Os fios que levam a corrente até os motores são os interligados nas extremidades de cada botão. Figura 16: Ligação dos botões de acionamento dos motores. Fonte: Imagem própria. 4.6. Faróis e lanternas Os faróis do carrinho foram ligados à uma chave que bloqueia ou libera a passagem da tensão para os LEDs, que por sua vez, foram ligados a resistores de 470 Ohms, pois as lâmpadas não suportam correntes altas. Foi montado um circuito em série para funcionarem todas ao mesmo tempo e com a mesma intensidade de luz. 4.7. Controle Tanto os botões de acionamento dos motores, quanto à chave que controla os faróis, foram alocados em um controle de videogame reformulado com entrada USB (figura 17). No total somaram oito fios saindo do controle: quatro para a alimentação dos motores, dois para a bateria e dois que foram distribuídos para a buzina incrementada ao projeto e para alimentar os faróis. Figura 17: Controle finalizado. Fonte: Imagem própria. Na extremidade do cabo, os fios foram divididos em duas entradas USB que são conectadas ao carrinho, conforme mostra a figura 18. Figura 18: Entradas USB. Fonte: Imagem própria. 4.8. Design A última etapa da construção do carrinho é o design. A estrutura foi feita em papel cartão que posteriormente foi pintado em azul metálico. No acabamento interno foi reaproveitado peças encontradas em carrinhos de brinquedo. A figura 19 mostra o resultado final do projeto, o carrinho e o controle já finalizados. Figura 19: Carrinho finalizado. Fonte: Imagem própria. 5. TABELA DE CUSTOS Os custos são parte importante a serem considerados no projeto. O foco da realização do carrinho estava em comprar materiais e componentes de qualidade sem alto custo e principalmente sem desperdícios. Na tabela a seguir estão apresentados todos os materiais utilizados e os gastos gerados para o desenvolvimento do trabalho. Tabela 1: Custos do Projeto. Material Quantidade (Peça) Valor Unitário Valor Total Moto Redutor 2 R$ 26,13 R$ 52,26 Bateria 12 V 1 R$ 50,07 R$ 50,07 Placa ACM (chassi) 1 R$ - R$ - Rodas 4 R$ - R$ - LED 4 R$ 0,29 R$ 1,16 Resistores 4 R$ 0,15 R$ 0,60 Chave MT 3 posições 1 R$ 5,80 R$ 5,80 Garra jacaré isolada 2 R$ 0,95 R$ 1,90 Conector USB fêmea 2 R$ 3,40 R$ 6,80 Cola araldite 1 R$ 18,33 R$ 18,33 Cabo 8 fios 1 R$ 6,00 R$ 6,00 Cabo USB 2 saídas 1 R$ 12,00 R$ 12,00 Papel cartão 2 R$ 2,00 R$ 4,00 Tinta Spray 1 R$ - R$ - Total R$ 158,92 Os materiais que não tem valor unitário foram desconsiderados dos custos, pois são componentes retirados de produtos que foram reutilizados, assim não havendo necessidade de compra. Como mostra a tabela 1, o custo total para construção do carrinho foi de R$ 158,92. 6. CONCLUSÃO Todo o planejamento, pesquisa, desenvolvimento e construção do projeto agregaram muitos conhecimentos a todos integrantes do grupo, em várias áreas. Foi necessário aplicação de muitos conceitos estudados nas aulas teóricas e práticas de elétrica, física e mecânica. Mesmo com todo estudo e planejamento antes da construção, foram realizados muitos testes, que por sua vez, nos possibilitou verificar problemas e solucioná-los, e até mesmo implantar melhorias no projeto. Em resumo, a proposta de atividade supervisionada foi de grande valia para formação acadêmica, levando em consideração toda a temática e dinâmica existentes no trabalho apresentado. O mais importante é que o objetivo de construir o carrinho movido à energia elétrica foi alcançado, e proporcionou grande crescimento e experiência. 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Instituto Nacional de Eficiência Energética. http://www.inee.org.br/veh_sobre.asp?Cat=veh Ecologia Urbana – Carros elétricos, um conceito de sustentabilidade. http://www.ecologiaurbana.com.br/sustentabilidade/carros-eletricos-um- conceito-de-sustentabilidade/ Veículo elétrico.https://pt.wikipedia.org/wiki/Ve%C3%ADculo_el%C3%A9trico Instituto Newton C. Braga – Funcionamento de pilhas e baterias. http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/3208-art437 Instituto Newton C. Braga – Funcionamento de motores elétricos. http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/2829-mec060 Guia de normalização para apresentação de trabalhos acadêmicos – ABNT. http://unip.br/servicos/biblioteca/download/manual_de_normalizacao_abnt.pdf Planeta sustentável. http://planetasustentavel.abril.com.br/noticia/desenvolvimento/conteudo_2682 79.shtml
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