19a Competição BAJA SAE BRASIL 10-2013PE
Resumo Geral de Relatório de Projeto - Veículo n.o 10 Copyright © 2013 Society of Automotive Engineers, In.
Equipe Parahybaja - Universidade Federal de Campina Grande Pontuação Obtida: 96,8 pontos GRUPO DE ELABORAÇÃO
CAPITÃO PROFESSOR COORDENADOR
Edjan Tomaz da Silva (responsável) Diego David Silva Diniz Glauber Assis Araújo de Arruda Maria Gabriela Medeiros de Lucena Nayara Fernanda de Queiroz Ramos Raphael de Sousa Silva Raquel dos Anjos Hora Pedro Augusto Sobral Espíndola Eng. Dr. Wanderley Ferreira de Amorim Junior
Campina Grande – PB, janeiro de 2013.
INTRODUÇÃO Uma análise de mercado definiu os principais objetivos do protótipo veicular Parahybaja 2013 para as competições desta categoria. O veículo foi projetado seguindo uma metodologia de projeto e modelos matemáticos, auxiliados por programas computacionais de desenho e simulação. Buscouse obter uma redução de massa e melhorias em desempenho dinâmico. Para atender as exigências impostas a categoria baja, como "atrativo ao mercado consumidor; confiabilidade; fabricação requerendo pouca ou nenhuma mão-de-obra especialiazada". e demais outros requisitos nos Regulamentos das Competições BAJA SAE BRASIL, o presente relatório mostra as várias modificações realizadas no desenvolvimento de projeto, construção e testes do protótipo Parahybaja 2013 em relação ao anterior.
Atualmente, a equipe gerencia o projeto seguindo os moldes de uma empresa industrial formando grupos específicos: projeto de subsistemas do veículo e setor administrativo, conforme Figura 1.
Figura 1 – Organograma da estrutura organizacional.
SUBSISTEMA CHASSI O chassi ou estrutura espacial de um baja tem por funções garantir a segurança do ocupante, receber os pontos de apoio da suspensão, carenagem e power-train. O projeto foi concebido de maneira a atender as normas em vigor, visando principalmente garantir a segurança do operador. Mediante uma análise de disponibilidade no mercado, peso, tensão de escoamento e custo total, o material que compõe a estrutura do chassi selecionado foi o aço 1020 de dimensões: D = 31,75 mm (diâmetro externo) e e = 1,6 mm (espessura de parede).
Para determinar o material utilizado no sistema de direção, foram realizadas análises, adotando como situação crítica o estado do carro em repouso e realizando esterçamento das rodas. Obteve-se o máximo momento estático de esterçamento e a força nos tie-rods e cremalheira. Partindo desses valores, foi realizada a análise de tensão destes componentes no “ASNYS V12” para o aço 4130. A Figura 5 apresenta o resultado de tal análise.
Simulações computacionais de rigidez torcional, impacto frontal e de impacto lateral (Figura 2) foram realizadas para obter as tensões máximas.
Figura 2 – Tensão máxima de simulação de impacto lateral. SUBSISTEMA DIREÇÃO O mecanismo escolhido para este subsistema foi do tipo pinhão-cremalheira. O sistema é composto por volante, barra de direção, caixa de direção e tie-rods (Figura 3).
Figura 5 – Análise de tensão: (a) cremalheira; (b) tie-rod. SUBSISTEMA SUSPENSÃO Inicialmente se fez a escolha dos tipos de suspensões a serem usados mediante a Tabela T3 (Anexo). Assim, foi escolhida a suspensão do tipo Duplo-A para a dianteira e Duplo-A. Buscou-se geometrias de suspensão que atendessem os objetivos traçados.. Na Figura 6 é possível verificar a variação de cambagem nas suspensões dianteiras e traseiras.
Figura 3 – Sistema de direção completo. O layout da direção, ilustrada na Figura 4, foi projetado a partir do gráfico da geometria Arckerman-Jeanteaud.
Figura 6 – Variação de cambagem das rodas dianteiras e traseiras do protótipo 2013. Os valores de rigidez das molas foram estabelecidos a partir da análise da deflexão estática necessária e valores de frequências naturais próximas de 1 Hz. Na Tabela 1 observa-se os valores das frequências naturais das suspensões dianteira e traseira. Figura 4 – Layout Arckerman-Jeanteaud.
Tabela 1 – Frequência natural das suspensões. Suspensão Dianteira Traseira
Frequência 1,15 Hz 1,23 Hz
Tabela 3 – Tabela comparativa. Fatores Número de discos de freios Massa [kg]
Configuração A
Configuração B
4
3
5,00
4,00
SUBSISTEMA TRANSMISSÃO De acordo com as metas estabelecidas, iniciou-se a fase de concepção do sistema. Foi montada uma matriz de tomada de decisão para seleção dos componentes (Anexo) considerando os seguintes quesitos de avaliação: relação peso/volume, confiabilidade, possibilidade de ajuste, disponibilidade de mercado, facilidade de produção de componentes agregados, facilidade de manutenção e custos.
A Figura 8 ilustra o layout do sistema, onde foram montados dois discos nas flanges dos cubos de rodas da dianteira do veículo e na traseira um único disco central acoplado no eixo de transmissão.
Analisando a matriz, foram selecionados uma redução inicial do tipo continuamente variável (CVT), designada Redução Primária; e uma segunda, dada por pinhão-coroa em duplo estágio, designada Secundária. O dimensionamento de cada eixo foi realizado com base nas limitações dos diâmetros internos dos rolamentos disponíveis, do acoplamento das homocinéticas triploides e da relação dos esforços combinados referentes ao momento fletor e torque máximos. Os diâmetros mínimos são dados na Tabela 2 e o aço 1045 foi selecionado para uso. Tabela 2 – Diâmetros mínimos adequados para cada eixo. Eixos Primário Intermediário Central
Diâmetros [mm] 20,0 20,0 28,0
Buscando uma boa relação resistência/peso, foram realizados simulações computacionais (Figura 7) do mancal.
Figura 7 – Análise de tensão (MPa) do mancal com tensionador. SUBSISTEMA FREIOS Os freios de um veículo devem cumprir tarefas fundamentais de segurança. O sistema escolhido é formado por dois circuitos independentes atuantes nas 4 rodas e funciona de forma hidráulica por acionamento de um único pedal. A Tabela 3 compara dois tipos de conjuntos possíveis para o subsistema. Analisando esta tabela, a Configuração B foi escolhida por apresentar uma massa de 20 % menor.
Figura 8 – Layout do sistema de freios. Os torques de frenagem nos eixos dianteiro e traseiro foram determinados segundo duas linhas de cálculos. A primeira tomou como base as reações normais ao solo e os torques de frenagem na dianteira (TFI) e na traseira (TFII) foram calculados. A segunda foi calculada a partir da força de acionamento exercida pelo pé do piloto. A Tabela 4 foi utilizada para a seleção do cilindro mestre automotivo, e relaciona as possíveis opções com algumas de suas características. Tabela 4 – Tabela comparativa de cilindros mestre. Cilindro mestre*
Diâmetro
Preço
Massa
[mm]
[R$]
[kg]
Opção 1
15,88
250,00
0,55
Alumínio
Opção 2
19,05
70,43
1,13
Ferro Fundido
Opção 3
19,05
117,33
0,6
Alumínio
Material
*Cilindros mestre automotivo duplo disponíveis no mercado. SUBSISTEMA ELETRÔNICA O sistema eletrônico proposto tem por objetivo a captação e processamento de dados por meio de sensores e desenvolvedores de código. Para aferir a rotação do motor e a velocidade do veículo, foram utilizados sensores do tipo indutivo, pois apresenta grau de robustez elevado e capacidade de operação em condições adversas (lama, poeira e óleos).
A rotação e a velocidade são medidas através da contagem de pulsos, captados pelos sensores, num intervalo de tempo pré-definido. Para o processamento e envio dos dados ao painel de controle, foi utilizado uma plataforma de desenvolvimento de código aberto "Arduino". A Figura 9 mostra as etapas da aquisição de dados: captação pelo sensor; processamento pelo Arduino; armazenamento em cartão SD (em forma de arquivo de texto); plotagem e filtragem dos gráficos.
Figura 9 – Etapas da aquisição de dados. CONCLUSÕES Uma vez finalizado todas as etapas de projeto, pode-se concluir que o objetivo principal traçado foi alcançado. Desta forma o protótipo Parahybaja 2013 (Figura 10) obteve êxito mediante o objetivo proposto inicialmente.
Figura 10 – Protótipo Parahybaja 2013.
