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1 Equipe #34 Relatório de Projeto Equipe Vulcano Baja SAE Guilherme Fernando Kieling Capitão da Equipe Vulcano Baja SAE Prof. Mr. Guilherme de Piere Pickler Professor Orientador da Equipe Vulcano Baja SAE 25.ª Competição Baja SAE BRASIL - 2019 RESUMO Com base no regulamento de 2018, a Equipe Vulcano Baja SAE apresenta neste relatório o projeto Vulcano. As características técnicas, simulações, manufatura das peças e testes são descritos, bem como as possíveis soluções e as alternativas escolhidas. Também são mostradas as metodologias e parâmetros utilizados para conceber um veículo de alto desempenho, seguro e confortável. Este relatório descreve os objetivos iniciais e como cada subsistema contribuiu para que todas as metas fossem atingidas. INTRODUÇÃO Tendo como o objetivo ser um caso real de desenvolvimento de projeto, com todas as atividades que envolvem o mesmo, o projeto Vulcano Baja, teve a abertura de projeto no mês de novembro de 2017, onde foram definidas as metas e cronograma, baseado nisso os membros estudaram meios de integrar todos os subsistemas. Para tanto era necessária organização para que houvesse tempo hábil, sendo utilizada a metodologia Scrum, este gerenciado pelo software Trello, onde é possível ter um acompanhamento real do andamento do projeto. A equipe Vulcano procurou desenvolver um protótipo competitivo, de excelente desempenho e boa relação custo/beneficio. A experiência adquirida em sala de aula com a identificação dos problemas presentes no andamento do projeto aliados à dedicação dos membros da equipe serviram de base para o desenvolvimento do Vulcano Baja 01. ESTRUTURA TUBULAR - CHASSI É importante analisar a estrutura como uma célula de sobrevivência, ou seja, sua deformação pode fazer com que partes do corpo do piloto entrem em contato com o objeto em que ela está colidindo. A absorção de energia, por sua vez, deve ser realizada por componentes fixados na carroceria, tais como carenagem, suspensão e rodas. Na figura abaixo observamos a estrutura com os elementos principais e secundários. Figura 1. Elementos principais e secundários (Fonte: Equipe, 2018). Os estudos realizados foram obtidos computacionalmente por meio de softwares de cálculo e de métodos de elementos finitos. Para que se garanta a segurança da estrutura, os ensaios realizados foram de impacto frontal, lateral, traseiro, capotagem e vibração, sendo os dois primeiros os mais importantes a serem analisados, visto que são amplamente reproduzidos na indústria automobilística. No subsequente tal reprodução será realizada, ditando os parâmetros de análise de impacto. Para as análises de impacto utilizaram-se como base os ensaios da LATIN NCAP, entidade responsável pela classificação dos carros comerciais quanto à sua segurança. A análise por elementos finitos foi utilizada para os ensaios de impacto pelo software Ansys Workbench 16.0. Os ensaios de impacto foram também analisados na forma de dinâmica explícita, ou seja, a estrutura foi arremessada computacionalmente contra um objeto fixo. Essa simulação 2 possui um caráter mais visual para a identificação das áreas deformadas. Impacto Frontal A velocidade do teste de 64 km/h representa uma colisão entre veículos nos quais cada um viaja, aproximadamente, a 55 km/h. O LATIN NCAP realiza os ensaios com o impacto atingindo 40% da área frontal do veículo. Para as simulações, foram utilizadas as condições mostradas na Tabela 1. Tabela 1. Parâmetros da simulação de impacto frontal Velocidade inicial (m/s) Intervalo de tempo de impacto (s) Força exercida frontalmente (N) 17,78 0,15 41486,67 O intervalo de tempo em impactos cotidianos, dura algo em torno de 15 centésimos de segundo (HUANG, 2002) e, utilizando-se a segunda lei de Newton, pode-se definir a força F como: (1) em que m é a massa, v a velocidade e t o intervalo de tempo. Impacto Lateral Os ensaios destrutivos da LATIN NCAP utilizam um impacto de 50 km/h na estrutura. Esta simulação busca recriar o cenário de um acidente contra um objeto estacionário, ou uma colisão em forma de “T” entre dois veículos. Como há menos espaço para material na lateral dos ocupantes quando se compara com a dianteira, os choques laterais tendem a deformar mais a estrutura. Para os ensaios de impacto lateral, serão utilizadas as condições mostradas na Tabela 3. Tabela 3. Parâmetros da simulação de impacto lateral Velocidade inicial (m/s) Intervalo de tempo de impacto (s) Força exercida frontalmente (N) 13,89 0,15 32410,00 Fonte: Equipe, 2018. Assim como anteriormente, a força é calculada utilizando-se Equação 1. Capotagem Por se tratar de um veículo exposto a uma competição off- Road, há a possibilidade de capotagem e o veículo deve ser resistente o necessário para proteger o ocupante. A análise de impacto na capotagem considera as cargas aplicadas nos membros da estrutura quando o veículo está de cabeça para baixo. Nesse impacto, busca-se replicar uma queda da estrutura em orientação reversa de uma altura determinada. Os parâmetros desta análise são mostrados na Tabela 2. Tabela 2. Parâmetros da simulação de capotagem Altura da queda (m) Velocidade inicial (m/s) Intervalo de tempo de impacto (s) Força exercida frontalmente (N) 3 7,67 0,15 17896,67 De acordo com as equações de movimento retilíneo uniformemente variado para queda livre, desprezando a resistência do ar, a velocidade de impacto v é dada por: , (8) no qual g é a aceleração da gravidade e h a altura de queda. Perfil Com as condições do regulamento, buscou-se um perfil comercial que aumentasse o momento de inércia da barra, com um peso específico menor para alívio de peso. Para os elementos principais, utilizou-se um perfil de 1,25’’, com parede de espessura 1,6 mm. Em elementos de menor tensão, ou secundários, utilizou-se um perfil de 1,25”, com parede de 1mm, superior aos 0,89 mm estipulados pelo regulamento. A escolha por dois perfis diferentes se deu para um alívio de peso nos componentes que não sofrem tanto esforço. A distribuição dos dois perfis pode ser vista na Figura 1. Após as alterações propostas, o ensaio de impacto resultou em picos de 333,72 MPa de tensão, inferior à tensão de escoamento, como mostrado na Figura 2. A inexistência de deformação plástica faz com que os pés do piloto sejam protegidos no impacto. As maiores deformações (máxima de 4,24 mm) aconteceram na seção intermediária para superior do carro, longe de qualquer parte do corpo do piloto. 3 Figura 2. Estrutura final sofrendo impacto frontal (Fonte: Equipe, 2018) Impacto Lateral O ensaio de impacto lateral resultou na distribuição de tensões mostrada na Figura 3. Figura 3. Estrutura sofrendo impacto lateral (Fonte: Equipe, 2018) Apesar da estrutura apresentar deformação plástica (tensão superior à de escoamento), o resultado atingiu o objetivo de deformar longe de partes do corpo do ocupante. As deformações foram consideravelmente da ordem de 19,3 mm. Tal deformação é benéfica à análise, pois dentro dos limites da segurança as deformações absorvem energia que outrora seriam transmitidas ao piloto. Como a análise de capotagem não atingiu resultados críticos na estrutura, as distribuições tensões nas barras estão mostradas na Figura 4. Figura 4. Estrutura sofrendo impacto decapotagem (Fonte: Equipe, 2018) Com o pico máximo de tensão em 264,18 MPa a estrutura não é danificada com este tipo de esforço. As condições de ensaio foram julgadas semelhantes às reais, com os resultados iniciais apontando para picos de tensão semelhantes a trabalhos já desenvolvidos na área. As variações de perfil e de geometria, dentro dos limites impostos pelas regras, foram impactantes nas características de segurança e peso da estrutura. Como consequência de sua maior rigidez e menor massa em comparação ao padrão de 1’’ proposto no regulamento, o chassi teve seu desempenho dinâmico apurado, além de uma melhoria em sua vida útil quando levada em consideração a tendência à fadiga imposta pelas irregularidades do solo e pelo motor do veículo. Por fim, com a aquisição dos dados das análises de elementos finitos, a estrutura se mostrou capaz de proteger o ocupante em possíveis acidentes durante a utilização do veículo, quando este sofre uma colisão contra algum objeto estático ou até mesmo outro veículo. Sistema de Suspensão Dianteiro Após pesquisa dos diferentes tipos de suspensões, foi verificando qual o sistema que apresentasse a melhor relação de custo beneficio para o tipo de veiculo proposto. Assim definidas as coordenadas no programa de CAD (Projeto Auxiliado por Computador) SolidWorks, e as simulações encerradas, cinemáticas, os parâmetros de suspensão e direção serão avaliados, com base na pesquisa inicialmente realizada. Se verificado que os parâmetros se comportam de maneira inadequada, redefinirão as coordenadas, caso contrário segue-se para as próximas etapas de desenvolvimento. Foi escolhido este sistema de suspensão duplo A, por tem a virtude de ser robusta e de fácil regulagem e seu peso e tamanho reduzidos trazem grande versatilidade. Peso e volume são fatores fundamentais na construção de modelos de competição, tanto quanto o desempenho dinâmico. Este sistema se enquadra em quase todas as aplicações de alto desempenho, e com poucos ajustes é possível executar os alinhamentos dos ângulos de caster, camber e centro de rolagem. A suspensão do tipo duplo A é um sistema independente dando mais conforto e estabilidade para o carro e o condutor, para terrenos irregulares, como o SAE Baja, o comportamento sobreesterçante o carro tende a sair de traseira é preferencial, diminuindo desta forma os esforços requisitados pela direção, o centro de rodagem é paralelo inclinado mais para ficar mais sobre esterçante, ficando assim mais negativo. O paralelismo dos braços garante a condição inicial do ângulo de curvatura na posição mais elevada da roda. 4 Figura 5. Duplo A (Fonte: Equipe, 2018) O ângulo do pino mestre é preferencial que seja próximo a 8º para diminuir a distancia entre a linha perpendicular da roda com o ângulo do pino mestre, além de tornar o braço de alavanca menor, diminuindo o esforço sobre o volante, induz um efeito colateral, talvez mais importante, que é o retorno da direção, este trabalho foi de 4,41º, o ângulo considerado baixo. Figura 6. Pino mestre (Fonte: Equipe, 2018) A cambagem (bump steer) mais indicado é entre 0º à 1º no projeto ficou entre 0,01º á 0,69º e a convergência divergente na dianteira e convergente na traseira. Figura 7. Cambagem (Fonte: Equipe, 2018) Ângulo de caster como o ângulo medido em graus, entre o eixo central do pino mestre e uma linha perpendicular ao solo considerado na vista lateral do veículo, e o ângulo no projeto ficou positivo com 8,54º. Figura 8. Angulo de Caster (Fonte: Equipe, 2018) Sistema de direção Figura 9. Sistema pinhão cremalheira (Fonte: Equipe, 2018) De mecanismo simples, a caixa de direção do tipo pinhão e cremalheira podem ser até a mais barata. Entretanto, suas virtudes são a facilidade de manutenção e a montagem. Nesta seção vamos mostrar mais detalhadamente o funcionamento do sistema de direção. Neste sistema será usada cremalheira de dentes perpendiculares foram efetuados os cálculos a seguir mostrada na tabela: P= passo P= 6,63 mm M= módulo M= 2 De= Diâmetro externo De= 60 mm Dp= Diâmetro primitivo Dp= 56 mm Z= Numero de dentes Z= 28 dentes 5 Dc= Deslocamento cremalheira Dc= 176 mm Dpi= deslocamento pinhão 90º Dpi= 44 mm Equações P= M*π Dp= M*Z Dc= Dp*π Dpi= Dc/4 Figura 10. Engrenagem (Fonte: Equipe, 2018). A geometria de Ackermann é um fator muito importante do sistema de direção, sua função é determinar a diferença entre os ângulos das rodas interna e externa durante o esterçamento. Neste dimensionamento o baja ficou com elevado Ackermann com o ângulo interno superior ao externo. Figura 11. Ângulo interno (Fonte: Equipe, 2018) Figura 12. Ângulo externo (Fonte: Equipe, 2018) Os estudos e simulações, estáticas e dinâmicas, feitas no programa SolidWorks, nos permitiram uma maior compreensão do comportamento do veículo em terrenos acidentados (off-road). O uso da Suspensão de Duplo A se torna muito eficiente ao ponto que é amplamente utilizado na engenharia automotiva, principalmente por sua capacidade de atender às mais diversas formas de aplicação no âmbito de tipos de terrenos. Sua possibilidade extremamente grande de regulagens e calibrações o torna muito flexível aos mais diversos sistemas. SISTEMA DE FREIOS O Sistema de freios projetado para o Vulcano objetivou aliar resistência e desempenho. O sistema é composto por um cilindro mestre de embolo duplo e 4 saídas. O acionamento do cilindro é mecânico feito através de um pedal. São utilizadas mangueiras flexíveis do tipo Aeroquip, por possuírem menor deformação quando submetidas à pressão interna do fluído de freio, o sistema de frenagem e acionamento utiliza três discos de freio: dois na dianteira e um na traseira. Os discos foram manufaturados devido ao fato de permitir um dimensionamento ideal, o material utilizado foi ferro fundido cinzento, pois possui boa capacidade de amortecimento de vibrações e ruído com boa resistência ao desgaste. As pinças são as mesmas utilizadas na Motocicleta Honda Modelo CG 150. Sendo duas pinças na dianteira e uma na traseira. Para estimar a força de frenagem que deve ser aplicada utilizou-se dos seguintes passos: Calculo do equilíbrio de forças na direção do movimento; Desconsiderando as forças aerodinâmicas, chega-se nas expressões para se obter as reações nos eixos; Força de frenagem nas quatro rodas; A partir da força de frenagem, obtém-se o índice de frenagem; Para deslocamento no plano e desconsiderando os efeitos da resistência aerodinâmica e resistência de inércia rotativa, têm-se a desaceleração; 6 Considerando freio a disco na traseira e na dianteira, calcula-se a força que deve ser exercida pela pastilha sobre os discos; A partir desta pressão, encontra-se a força necessária para frenagem: E assim, encontra-se a força necessária a ser aplicada no cilindro mestre. Resultados x (Distribuição de carga 0,6 % µ ( coeficiente de atrito 0,55-0,95 f (Constante do atrito de rolamento 0,085 h (Altura do CG do veículo) 600 mm l (entre eixos ) 1500 mm M (Massa do veiculo) 350 Kg g (gravidade) 9,81 M/s G (Peso do veiculo) 3433,5 N Raio dinâmico do pneu (RD) 0,29224224 M Diâmetro do pneu 0,6096 M Posição radial do centro da pastilha (Rf1) 0,075 mm Posição radial do centro da pastilha (Rf2) 0,065 mm V (Velocidade máxima) 16,6666 m/s Cilindro mestre(D) 16,95 mm Disco dianteiro 182 mm Disco traseiro 160 mm Reação máxica dianteira (mi 0,95) 2794,87 N Reação máxima traseira (mi 0,95) 638,63 N Força de frenagem máxima dianteira 2655,12 N Força de frenagem máxima traseira 606,7 N Pressão máxima 10,21 Mpa Pressão de trabalho dianteira 4,18 Mpa Pressão de trabalho traseira 5,57 Mpa Força aplicada no pedal 2303,75 N TRANSMISSÃO E MOTOR O motor utilizado no veículo é o Briggs & Stratton OHV Intek Model 20 conforme estabelecido pelas regras da competição, do qual é um motor estacionário monocilíndrico que gera 9,2 HP de potência a 3800 rpm. Figura 13. Motor Briggs & Stratton (Fonte: Equipe, 2018) Em relação a transmissão será utilizada primeiramente por uma transmissão continuamente variável (CVT) modelo Comet 780, que foi escolhida por ser robusta e largamente utilizada, garantindo confiabilidade e acessibilidade. Sua grande vantagem, além da simplicidade, é sua capacidade de manter o motor na faixa de trabalho ideal. Contudo sua redução se dá na faixa de 0,69 e 3,69. Figura 14. Transmissão (Fonte: Equipe, 2018) 7 Contudo para uma velocidade final desejada de 60 km/h levando em consideração que o raio externo do pneu traseiro é de 0,30m, uma segunda redução é necessária, pois a redução da CVT não é o bastante para atingir a relação necessária, conforme a equação abaixo: 𝑛 = 𝑛𝑚𝑎𝑥 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟 ∙ 3,60 𝑛𝐶𝑣𝑡𝑚𝑎𝑥 ∙ 60 ∙ 𝑉𝑚𝑎𝑥 onde 𝑛𝑚𝑎𝑥 é a rotação máxima do motor, 𝑟 o raio do pneu, 𝑛𝐶𝑣𝑡𝑚𝑎𝑥 a redução do CVT em velocidade máxima e 𝑉𝑚𝑎𝑥 a velocidade máxima. Portanto foi empregado uma segunda transmissão fixa, constituída de dois pares de engrenagens e correntes. Utilizando s engrenagens de os modelos comerciais utilizados na XR250 TORNADO, descrito a seguir. Pinhão Passo corrente 15,875 mm Ângulo de dente 30 Graus Diâmetro primitivo 61,336 mm Diâmetro do rolo 10,16 mm Diâmetro externo da engrenagem 71,02 mm Coroa Passo corrente 15,875 mm Ângulo de dente 9 Graus diâmetro primitivo 207,383 mm diâmetro do rolo 10,16 mm diâmetro externo da engrenagem 217,07 mm Figura 15. Sistema de transmissão (Fonte: Equipe, 2018) SUSPENÇÃO TRASEIRA Para a suspenção traseira foi desenvolvido um modelo de suspensão que contenha: Um custo relativo baixo; Tenha facilidade de confecção de projeto; Que não imponha grandes dificuldades em sua fabricação; Que apresente um comportamento, obrigatoriamente sobresterçante. Desta forma, dentre as opções descritas na matriz de avaliação, a suspensão de eixo rígido, apesar de não ser a opção tecnicamente ideal, contempla todos esses requisitos. Então, a partir desse ponto, as atenções do projeto detalhado são voltadas exclusivamente ao desenvolvimento e estudo da suspensão de eixo rígido para aplicação em suspensão traseira, conforme a imagem abaixo: Figura 16. Suspenção traseira (Fonte: Equipe, 2018) 8 Para o dimensionamento dos componentes da suspensão foi utilizado elementos finitos que em relação a carga aplicada, usou-se as relações normalmente vistas como reais pelos critérios de dimensionamento de suspensões para veículos baja SAE: Carga na direção vertical igual a 3g; Carga na direção transversal igual a 1g; Carga na direção longitudinal igual a 1g. (Todas eles aplicadas no ponto central do contato da roda com o chão). Considerando a massa do piloto mais a massa do carro igual a 320 kg, tem-se a seguinte disposição de forças a serem aplicadas no dimensionamento. 𝐹𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 = 9600N 𝐹𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 = 3200N 𝐹𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑣𝑎𝑙 = 3200N Figura 17. Analise de forças da Suspenção traseira (Fonte: Equipe, 2018) Ignorando os erros na simulação resultado da mudança brusca na geometria, foi evidenciado durante a simulação que as tensões de acordo com as cargas aplicadas no eixo da transmissão que a solução mais adequada foi a utilizar um tubo de 1.1/4" por 4mm de parede, contudo o material escolhido foi o aço SAE 1020 pois seu limite de escoamento ou tensão de escoamento é de 350 Mpa. Figura 18. Analise de forças da Suspenção traseira (Fonte: Equipe, 2018) Do qual a geometria resultou em um curso de 67,75mm, conforme a imagem: Figura 19. Analise da geometria (Fonte: Equipe, 2018) ERGONOMIA E ACABAMENTO Sabendo-se que no mercado de veículos, acabamento e conforto são fatores essenciais em decisões de compra, a equipe Vulcano preocupou-se em estudar a ergonomia do protótipo, consideraram-se as recomendações de FENTON [4], que sugere valores ideais para os ângulos formados pelos membros do condutor. A partir disto foi definida a configuração do habitáculo, o posicionamento dos pedais, volante e assento. As carenagens do protótipo Vulcano foram dimensionadas e confeccionadas em fibra de vidro devido a sua grande resistência à tração, impacto e flexão. A equipe optou por esse processo devido ao baixo custo e simples confecção dos moldes e futuros reparos caso o mesmo seja necessário. O assoalho do protótipo é confeccionado em polietileno de alta densidade (UHMW), sendo suas principais características a resistência a fratura por impacto, baixíssimo coeficiente de atrito e abrasão. Na “parede corta-fogo” foi usada uma chapa de alumínio NBR ISO 209 AW3105 com espessura de 0,9mm, ficando assim dentro das exigências do item no regulamento. O banco foi modelado em fibra de vidro. Pensando no conforto, foi 9 usado espumas de dupla densidade para acomodar o condutor confortavelmente. Todos os tubos isolantes de proteção do cockpit da gaiola são envolvidas por courvin, material impermeável e de fácil remoção devido ao uso de velcro, provendo assim estética e funcionalidade. ELETRÔNICA Sendo um sistema simples composto por botões de emergência, bateria e luz de freio. Quando o sensor é posto no cilindro mestre ele é acionado através de uma pressão de óleo, ou seja, quando pisamos no freio acionamos todo um sistema hidráulico para que as pastilhas se fechem sobre o disco, ou as lonas sejam empurradas contra o tambor de freio. O sensor de freio aproveita a pressão causada quando pisamos no freio e assim acionando alguns comandos no seu interior, acendendo a luz de freio. O sensor funciona com sistema NA (normalmente aberto) e NF (normalmente fechado) quando tem pressão no sensor fecha o circuito e quando não tem ele abre, ligando em uma bateria de 12V. CONCLUSÃO Na primeira versão do veículo baja SAE 2018, a Equipe Vulcano baja apresenta um novo carro com o qual foi obtida uma primeira experiencia na SAE. Além disso, este novo carro é de fabricação simples, atendendo a todas as exigências de segurança impostas pelo regulamento da competição. A falta de experiencia da equipe pesou bastante no andamento do projeto, pois o foco do projeto é o mini baja em si, porém não deixando de lado as normas da competição, principalmente nas questões relacionadas à segurança, desempenho e baixo custo. Com isso foi possível observar a dificuldade que é organizar uma indústria, por mais pequena que seja, muitos problemas parecem simples, levam dias para serem resolvidos. REFERÊNCIAS ALVES FILHO, A. Elementos finitos - A base da tecnologia CAE. 6. ed. São Paulo: Saraiva, 2013. 298 p. BAJA 2013 RBSB 7 – Requisitos Mínimos de Segurança – Emenda 3, 2013. HIBBELER, R. C.; SILVA, F. R. (Trad.). Resistência dos materiais. 7. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. 637 p. HUANG, M. Vehicle crash mechanics. 1. ed. Boca Ratón: CRC Press LLC, 2002. 489 p. LATINNCAP. Passageiro Adulto. Disponível em: <https://www.latinncap.com/po/nossos-tes tes/passageiro-adulto>. Acesso em: 19 de setembro de 2017. MOAVENI, S. Finite element analysis theory and application with ANSYS. Upper Saddle River: Pretince Hall, 1999. 525 p. POPOV, E. P. Introdução à mecânica dos sólidos. 5. ed. São Paulo: Blücher, 2001. 534 p. RAO, S. S. Vibrações mecânicas. 4. ed São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. 424 p. SHIGLEY, J.; MISCHKE, C. Mechanical Engineering Design. New York: McGraw-Hill, 2001. CALLISTER JR., William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. RJ: LTC, 2002. LIMPERT, R., Brake Design and Safety, second edition. 10 ANEXO – FICHA TÉCNICA DO VEÍCULO Escola: UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC Número: Equipe: #34 Capitão: Guilherme Fernando Kieling 11 12 13
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