PROJETAR E CONSTRUIR UM PROTÓTIPO OFFROAD PARA A 19° COMPETIÇÃO SAE BRASIL DE MINI BAJA Angela de Jesus Vasconcelos Leonardo Silva da Costa Mauricio de Moraes Tavares Max Kakue Sasaki Thiago Henrique Fernandes Dias Ferrão Walbert do Nascimento Santos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Equipe Equipe Tupinambaja
Arildomá Lobato Peixoto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Professor Professor orientador da Equipe Copyright Copyright ©2013 Society of Automotive Engineers, Inc
pelos Juízes Credenciados, a classificação classificação das equipes.
1. RESUMO O projeto Baja SAE é uma competição entre Instituições de Ensino Superior que desafia estudantes de engenharia através da simulação de um caso real de desenvolvimento de projeto, com todas as atividades que envolvam o mesmo, visando à aplicação prática dos conhecimentos adquiridos em sala de aula.
As provas se fundamentam em avaliações estáticas (350 pontos) e dinâmicas (650 pontos). A primeira se baseia em três etapas: Inspeção Técnica e de Segurança, seguida da Verificação do Motor e, por fim, a Avaliação do Projeto. Já a segunda subdivide-se em cinco etapas: aceleração (60 pontos); velocidade máxima (60 pontos); tração (60 pontos); manobrabilidade manobrabilidade – Slalon – (70 pontos), o qual se refere a executar um traçado t raçado sinuoso e repleto de obstáculos, e enduro de resistência (400 pontos) – os veículos completam voltas em um terreno irregular, offroad, em qualquer condição climática, durante um tempo estimado de quatro horas.
E, com o objetivo de presenciar um caso real de engenharia, houve a seleção de uma equipe de estudantes de Engenharia de Materiais, junto a voluntários do Curso Técnico em Mecânica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará, a fim de participar da 19º competição da Baja SAE Brasil que será realizada em Piracicaba, São Paulo em Março de 2013. Para isso, os discentes passaram por inúmeras tarefas como trabalho em equipe, administração de pessoas e recursos, dimensionamento e escolha de materiais, além da organização de atividades.
Durante o período de idealização e montagem do protótipo, os discentes vivenciaram a realidade de um engenheiro, quanto às atividades de projetar, construir e testar a qualidade do produto.
2. INTRODUÇÃO Outra habilidade do competidor a ser acrescida durante a efetuação do projeto Mini Baja está no quesito relação interpessoal, vista por inúmeros profissionais como mero detalhe exigido pelo mercado de trabalho, entretanto, de fundamental importância para o bem estar de uma empresa. Os estudantes trabalharam em equipe durante todas as etapas de projeto, construção e de teste, portanto, eles tiveram de conviver em harmonia para o pleno desenvolvimento de seu principal sonho: Participar da 19° Competição SAE Brasil de
O projeto Baja SAE foi criado na Universidade da Carolina do Sul, Estados Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens, sendo que a primeira competição ocorreu em 1976. No Brasil, a competição foi realizada pela primeira vez em 1995 e desde então tem crescido gradativamente, tornando-se uma das mais importantes atividades extracurriculares para estudantes de engenharia. engenharia. A competição consiste na realização de inúmeras provas para, no fim, ser decidido, 1
Mini Baja, logo mostrar a qualidade do produto desenvolvido pela equipe e pelo Instituto.
O presente trabalho como objetivo geral o de incentivar estudantes de Engenharia de Materiais do IFPA a aliar o estudo teórico, aprendido em salas de aula, à sua prática laboratorial-experimental, com propósito de projetar e construção um protótipo automotivo fora de estrada (off-road) para vencer a 19° Competição Baja SAE Brasil, a ser disputada em 2013, na cidade de Piracicaba, São Paulo.
Um bom desempenho do Mini Baja durante todas as etapas da competição, ou até a possibilidade da vitória, acarreta na projeção profissional imediata dos membros da equipe para os setores privados da indústria nacional. A equipe vencedora da 19° Competição SAE Brasil de Mini Baja deterá a oportunidade de participar da competição Baja SAE Kansas, nos EUA, conferindo aos membros e à sua Instituição o direito de visibilidade internacional, quanto aos termos de produção tecnológica.
Objetivos específicos: 1. Projetar um protótipo Mini Baja; 2. Construir um Mini Baja;
O veículo deverá atender a características, como os exemplos: ser monoposto; robusto; visando sua comercialização ao público entusiasta, não profissional; seguro e facilmente transportado. O mesmo também deve ser capaz de vencer terrenos acidentados em qualquer condição climática, sem apresentar danos. Para ser desejado pelo suposto fabricante, o veículo deve ser atrativo ao mercado consumidor pelo seu visual, desempenho, confiabilidade e facilidade de operação e manutenção. Além do fato de ser fabricado com ferramental padrão, requerendo pouca ou nenhuma mão-de-obra especializada.
3. Competir na Baja SAE Brasil – Petrobras 2013.
4. METODOLOGIA Após a formação da equipe iniciou-se as discussões sobre o que seria o protótipo, os “rascunhos” mostrados em CAD deram uma ideia inicial de como seria as dimensões do veiculo, posteriormente foram feitas modificações para uma melhor adequação do projeto. Através do desenho foi possível começar a construção do veiculo sendo inicialmente construída a estrutura principal denominada de gaiola ou RollCage, que será a estrutura que irá acomodar o piloto, além dos demais sistemas do veículo.
O presente trabalho é de fundamental importância, devido ao interesse no desenvolvimento de um veículo produzido pela primeira vez no Instituto Federal do Pará, valorizando a instituição assim como o próprio Estado.
A presença dos alunos do curso técnico de mecânica foi de extrema importância para a construção, pois os estudantes do técnico possuem conhecimento prévio nos processos de fabricação, como usinagem, soldagem etc, com isso podendo repassar esses conhecimentos aos demais participantes da equipe.
E, os alunos, além de executar atividades engenharia terão a obrigação de buscar recursos para patrocinar o projeto. Para tanto, eles devem proceder de políticas de marketing perante certas empresas, indústrias, montadoras, entre outros interessados em sustentá-los financeiramente e contar com o apoio de sua Instituição.
Depois de pesquisas na literatura e testes em laboratório foi selecionado o processo de soldagem TIG ( Tungsten Inert Gas), devido à alta qualidade do processo e possuir cordões com ótimo acabamento, aliados a excelentes propriedades mecânicas.
Então, com o espírito de desafio, foi montada a equipe Baja do IFPA, batizada de Tupinambaja, onde fazem parte 6 (seis) alunos de Engenharia de Materiais e 4 (quatro) alunos do curso Técnico em Mecânica, além de um professor orientador. Os alunos do curso Técnico em Mecânica ingressaram como colaboradores.
Como norma para a competição de Baja SAE Brasil o motor deve ser padrão, sendo que as modificações estão no sistema de transmissão somente, onde foi utilizado a transmissão do tipo CVT (Continuously variable transmission) do modelo QDS CVT PWB50TAS99 a qual é conectada ao eixo traseiro através de uma correia, este tipo de transmissão
3. OBJETIVO 2
possui um melhor rendimento e também é o mais econômico, em relação aos outros sistemas automático e manual. O sistema de suspensão utilizado foi o A simples e o sistema de suspensão traseira seria o eixo rígido, O conjunto do sistema de freio foi adquirido com recurso da equipe, e montado com sucesso, sendo que o sistema utilizado é do tipo freio a disco com freio de estacionamento. O sistema de direção inicialmente foi utilizado a direção mecânica de um veículo modelo Kombi, a via de teste, porém como a caixa de direção não estava em perfeitas condições o mesmo foi descartado, sendo desenvolvido um novo sistema de direção mecânica, no qual utiliza como principio o sistema de pinhão de cremalheira, favorecendo assim a diminuição do esforço exercido pelo piloto no movimento de rotação do volante, sendo este montado pela equipe, através de processos como a usinagem e soldagem.
Figura 1 - Gaiola O tubo em vermelho tem 1’’ de
diâmetro externo, com 2mm de espessura de parede, já o outro em cinza tem 1 ¼’’ de
diâmetro externo, com 1,5mm de espessura de parede. A gaiola foi projetada para transportar uma única pessoa com até 1,90m de altura e distância mínima de 15cm entre qualquer parte de seu corpo a qualquer tubo.
Além da construção em si do veiculo, os discentes utilizaram de suas habilidades interpessoais a procura de patrocínio e divulgação do projeto, no qual os meios de divulgação foram através de jornais institucionais e redes sociais, e conseguiram êxito na aquisição de patrocínio por parte de empresas privadas que se interessaram no projeto.
Além de abrigar o piloto, a gaiola tem a incumbência de alojar os demais sistemas do veículo, como a suspensão, a direção, o freio e a transmissão de potência. A estrutura da gaiola foi o primeiro projeto a ser concluído pela equipe, já que os demais sistemas iriam se adequar à mesma.
4.1 SISTEMAS DO VEÍCULO
Primeiramente: elaborou-se um desenho que representaria a estrutura real do veículo, entretanto, necessitou-se refazê-lo, já que surgiriam contínuas alterações com o avançar da construção. A adaptação de projeto se estendeu mais quatro vezes, até que se conseguiu atingir a gaiola, cuja geometria é mostrada na Figura 1.
Com base no regulamento foram selecionados as configurações e equipamentos que fazem parte dos sistemas do veículo. Devido ao fato de ser a nossa primeira experiência nesse tipo de competição e na área automotiva, decidimos adotar sistemas simples e ao nosso alcance financeiro.
4.1.1
Após a etapa de idealização, pesquisa e modelagem em CAD, efetuou-se a etapa de construção da gaiola. A construção iniciou com a preparação dos tubos, já que se fazia necessário cortá-los e preparar suas juntas de conexão de acordo com o projeto. Para otimizar a preparação manual das juntas realizaram-se plotagens em escala 1:1 das contornos das mesmas, as selas, possibilitando o corte e acabamento com maior precisão.
ESTRUTURA
A estrutura da gaiola obedeceu ao capítulo 7 do Regulamento Baja SAE Brasil referente aos Requisitos Mínimos de Segurança. A mesma é constituída por material aço tubular, com dois tipos de tubos, como mostra a Figura 1:
O processo de soldagem responsável por fazer a união entre os tubos foi o TIG (Tungsten Inert Gas). 3
De acordo com Marques, Modenesi e Bracarense (2009) o processo de soldagem TIG tem como vantagens, se comparado ao eletrodo revestido a possibilidade de se soldar peças metálicas de finas espessuras, como tubulações de espessuras de 1 a 2 mm. Porém como o projeto em especifico não prioriza a produção em massa e sim a qualidade da junta soldada, o processo TIG ainda é a melhor opção.
o equipamento é projetado para um motor de potência semelhante ao utilizado na competição Baja SAE podendo engatar 3600 rpm, e sua faixa de redução varia de 3,83:1 até 0,76:1. O conjunto é composto por uma polia motriz e uma polia conduzida, além de uma correia que ligam as duas. A condutora, também chamada de polia de entrada, pois recebe o torque que vem do motor e a conduzida, polia de saída, por transferir potência para a árvore de transmissão. Então elas variam seus raios alternadamente sempre mantendo a correia tensionada e gerando um numero infinito de relações de marchas desde a marcha mais baixa até a marcha mais alta, Figura 3.
Os parâmetros de soldagem utilizados no processo foram testados e aprimorados de acordo com o soldador, a corrente de tensão ideal e a vazão de gás são respectivamente, 60A e vazão de 16 L/minuto, que resultaram em um cordão uniforme com um grau de porosidade mínima e boa velocidade de soldagem.
4.1.2
TRANSMISSÃO E MOTOR
O motor é a fonte de energia do veículo. Converte a energia calorífica produzida pela combustão da gasolina em energia mecânica, capaz de imprimir movimento às rodas (COSTA, 2002). Normatizado como uma exceção na competição, por ser padronizado para todas as equipes, o motor é um Briggs & Stratton OHV (Figura 2), com rotação máxima limitada a 3.800 rpm. A unidade desenvolve 10hp de potência e torque máximo de 1,9 kgfm a 2.800 rpm.
Figura 3 - Ilustração da transmissão
4.1.3
SUSPENSÃO
A suspensão tem por finalidade evitar que as irregularidades do piso sejam transmitidas para o carro. Pensando neste principio e em mais três; gastos de materiais, custo e eficiência. Foram elaborados dois tipo de suspensões: simples A e de Eixo rígido, como mostrado na Figura 4.
Figura 2 - Motor. Analisando carros de outras edições da competição e a disponibilidade de sistemas de transmissão disponíveis e compatíveis no mercado, foi escolhido para atuar em conjunto com o motor a fim de potencializar sua eficiência e desempenho, trazendo mais conforto e comodidade para o piloto, um sistema de transmissão automática Polaris modelo P90. O próprio fabricante especifica que
Figura 4 - Desenho da Suspensão instalada na gaiola.
4
Dianteira: Foi instalado um sistema parecido com o de Braço sobreposto ou double wishbone como é chamado em inglês, porem, em vez de ter dois braços triangulares ligados ao cubo de roda contem apenas um braço e entre ele e a gaiola (Rolle) foi colocado em ângulo agudo a mola helicoidal e o amortecedor. Este sistema é independente, ou seja, em rodas do mesmo eixo as oscilações sofridas por uma não chegam até a outra (Figura 5).
para comandar as rodas da frente se estas estivessem diretamente ligadas ao volante. Assim, o sistema de direção inclui um mecanismo de redução e, às vezes, um dispositivo de assistência mecânica para multiplicar o esforço que o motorista aplica ao volante (COSTA, 2002). Sendo assim, o sistema escolhido para protótipo foi o de direção pinhão cremalheira, muito conhecido e difundido na indústria automotiva, devido ao baixo custo, fácil fabricação, fácil manutenção, além do mais a ocupação de pouco espaço e baixo peso, exemplificada na Figura 7.
Figura 5 - Desenho da Suspensão Dianteira.
Figura 7 - Ilustração da direção
Traseira: Foi instalado um sistema de eixo rígido. É do tipo de suspensão mais simples e antigo que existe. São apenas duas molas e amortecedores instalados em ângulo reto entre a gaiola (Rolle) e o eixo. Sendo tão simples seu custo é baixo, utiliza poucos materiais e não é necessário manutenção, porem, é um sistema totalmente dependente, ou seja, as oscilações sofridas por uma roda chegam à outra de mesmo eixo (Figura 6).
O pinhão é fixado à árvore de direção. Quando gira o volante, o pinhão gira e movimenta a cremalheira. A barra de direção em cada extremidade da cremalheira se conecta ao braço de direção na manga de eixo. O conjunto tem duas funções principais: converte o movimento de rotação do volante de direção no movimento linear necessário para transladar as rodas, além do mais, proporciona uma redução por engrenagens, o que facilita virar as rodas.
4.1.5
SISTEMA DE FREIO
Como tudo dentro do projeto BAJA, cada componente a ser colocado na estrutura do carro deve ter considerado sua eficiência e seu peso. Para a escolha do sistema de freio foram utilizados os seguintes critérios:
Fácil Manutenção
Leve
Gradual
Uniforme
Baixo número componentes
Figura 6 - Desenho da Suspensão Traseira.
4.1.4
SISTEMAS DE DIREÇÃO
A direção, sistema esse assim como o freio e o acelerador, são os que matem o contato do piloto com o veículo. Então, num automóvel, contudo, o motorista não teria força suficiente 5
de
Manter o veículo controlável durante a frenagem
proporcionando assim alta capacidade de absorção de impacto.
Parar o veiculo no menor espaço possível
O sistema simples A para cada lado, harmoniza os movimentos quantos aos obstáculos que o Projetado vai enfrentar, juntamente com a mola helicoidal, com amortecedor inserido ao centro de cada braço para suportar possíveis impactos. Quanto à suspensão traseira, foi construído um sistema simples de eixo rígido que faz da suspensão homogênea e dois amortecedores de mola helicoidal equidistantes, suportando as irregularidades da superfície de forma continuada entre os lados.
O sistema de freio possui acionamento hidráulico que é comandado por um cilindro mestre, que por sua vez é acionado pelo pedal de freio. Neste sistema de freio a parte dianteira é independente da traseira. Permite travar as quatro rodas. O acionamento ocorre da seguinte maneira: quando o pedal é pressionado, o fluído é empurrado pelo cilindro mestre para a tubulação, ao mesmo tempo a pressão é transferida pelo fluido incompressível através da tubulação de freio. O fluido é empurrado simultaneamente contra o embola da pinça e, por conseguinte o pistão da pinça empurra as pastilhas contra o disco de freio. A Figura 8 ajuda a exemplificar o esquema.
A transmissão CVT sendo simples e não dependente do piloto para funcionar, faz com que o mesmo possa se concentrar diretamente na direção, sem se preocupar com a troca de marchas. Um sistema de direção pinhão cremalheira foi adaptado segundo as dimensões da gaiola adequando um determinado giro de volante com menos esforços, convertendo-os no movimento alinhado das rodas de forma amplificada devido a uma redução por engrenagens da cremalheira. Assim que o sistema de freio aciona um sistema hidráulico que empurra pastilhas contra o disco de freio gerando uma frenagem imediata..
6. CONCLUSÃO No decorre do projeto os alunos de Engenharia de Materiais, com o apoio de alunos do curso Técnico em Mecânica tiveram que aplicar os conhecimentos adquiridos em sala aula, de propriedades dos materiais, desenho técnico mecânico, processos de soldagem, além de aplicar os conhecimento de física, química e matemática, e de exercitar a relação interpessoal, lidando com gestão de pessoas, arquivos e financeira, com isso, e depois de meses de trabalho árduo, chegando ao primeiro veículo Baja construído no IFPA.
Figura 8 - Ilustração do Sistema de Freio
5. RESULTADOS Todos os sistemas do veículo foram analisados e projetados de forma a se adaptar à gaiola que foi projetada e construída de acordo com os requisitos de segurança do Regulamento Baja SAE Brasil. A suspensão dianteira foi construída conforme a configuração inicial da gaiola, com sistemas independentes do tipo simples A e sistema de suspenção traseiro do tipo eixo rígido, porém o sistema de suspensão dianteiro após testes iniciais da montagem ocorreu alguns ajustes, devido a relação de comprimento de braço de encaixe do amortecedor com o ângulo, que no sistema inicial não estava suportando a carga, sendo necessário a diminuição do tamanho de braço ou torque, e aumento do grau de angulação do amortecedor em relação ao suporte de encaixe do amortecedor,
7. AGRADECIMENTOS A Equipe Tupinambaja agradece ao apoio Pibict pele disponibilidade de bolsas de incentivo à pesquisa, aos professores do Curso Técnico em Mecânica do IFPA que foram nossos parceiros nesse projeto, a Faculdade de Engenharia Civil da UFPA e a Faculdade de Engenharia Mecânica da UFPA pela utilização de diversos laboratórios e conselhos de seus 6
professores e ao patrocínio da Powerpoxi e Tecnofink.
e tecnologia.
1.ed. Belo Horizonte: UFMG,
2005. 3 - COSTA, P. A Bíblia do Carro,
8. REFERÊNCIAS 2002. 1 - Regulamento da 19° Competição Baja SAE Brasil. Disponível em: Acesso em 28/04/2012.
4 - Como funcionam as CVTs disponível em: acesso em 13/12/12.
2 - MARQUES, P.V; MODENESI,P.J.; BRACARENSE,A.Q.; Soldagem. Fundamentos
5 - A suspensão explicada disponível em: acesso em 13/12/12.
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