Apresentação Institucional
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Apresentação Institucional
Apresentação Institucional 2012/2013 Sumário A Competição ................................................................................................................................ 3 Regulamento Desportivo e Técnico .......................................................................................... 3 Categorias em Competição ....................................................................................................... 3 Classificação Regulamentar....................................................................................................... 3 A Equipe ........................................................................................................................................ 4 Coordenador ............................................................................................................................. 4 Capitão ...................................................................................................................................... 4 Grupos do trabalho ................................................................................................................... 4 A Estrutura .................................................................................................................................... 5 Laboratórios .............................................................................................................................. 5 O LAMECC.............................................................................................................................. 5 O LAMAE................................................................................................................................ 5 O Projeto ....................................................................................................................................... 6 Design ........................................................................................................................................ 6 Chassi......................................................................................................................................... 6 Carenagem ................................................................................................................................ 8 Motor ........................................................................................................................................ 9 Motor atual - Parafusadeira .................................................................................................. 9 Transmissão............................................................................................................................. 10 Direção .................................................................................................................................... 11 Sistema atual: uma barra longa e uma barra curta: ........................................................... 12 Controle................................................................................................................................... 12 Frenagem ................................................................................................................................ 13 Ergonomia ............................................................................................................................... 14 Telemetria ............................................................................................................................... 14 Metas da Equipe.......................................................................................................................... 15 Grupo 01 – Transmissão, Motor e Direção: ........................................................................ 15 Grupo 02 – Carenagem e Ergonomia: ................................................................................. 15 Grupo 03 – Chassi e Frenagem:........................................................................................... 15 Grupo 04 – Controle e Telemetria: ..................................................................................... 15 A Competição Desde 2004, graças a uma iniciativa pioneira do Projeto de Comunicação, o Brasil entrou no seleto grupo de países que promovem competições estudantis universitárias dedicadas à pesquisa da eficiência energética veicular. O Brasil, até hoje, é a única nação da América Latina a promover a Maratona de Eficiência Energética, ou qualquer outro evento similar. Regulamento Desportivo e Técnico A organização da Maratona supervisionará técnica e desportivamente a Maratona da Eficiência Energética e homologará o título de Escola Campeã Brasileira, Vice Campeã e Terceira Colocada, para cada categoria dentre as equipes que estiverem competindo, contando com a auditoria de uma empresa especializada na homologação dos resultados obtidos no evento. A Prova consiste de corrida em circuito fechado, a qual estará incluída no Calendário de provas nacionais e em local a ser definido pelo organizador durante o período em que estiver aberta as inscrições. Todas as partes envolvidas: Escolas, Organizadores, Competidores e Circuito comprometem-se a aplicar e observar as regulamentações que governarão a Maratona. Categorias em Competição Atualmente a competição está dividida em três categorias: Elétrico, Gasolina e Etanol. Na categoria elétrica, poderá ser utilizada qualquer bateria, desde que não exceda 42 v e 20A. Tais níveis são os máximos permitidos pelo equipamento disponibilizado pela organização da competição para medição de consumo, o Joulemeter. Cabe à equipe efetuar o controle a distribuição da energia consumida. Nas categorias a gasolina e etanol, o abastecimento dos veículos é feito através de um tanque exclusivo fornecido pela organização. Classificação Regulamentar O primeiro critério classificatório é o menor valor identificado pelo Joulemeter, de energia consumida, para realizar a tentativa dentro da quantidade de voltas definidas como percurso regulamentar de cada tentativa. - A tentativa só será validada se a quantidade de voltas definidas para validá-la for realizada dentro da média de 15 km/h, computando-se o percurso todo. O resultado final de participação na categoria elétrico será a de quem conseguir o melhor valor de consumo energético, identificado pelo Joulemeter, comparando-se a melhor de suas 3 (três) tentativas com os demais concorrentes na categoria. Cada equipe participante terá 3 (três) tentativas para determinar seu melhor resultado, não havendo possibilidade de vir a se alterar esta quantidade de tentativas, durante a realização da Maratona. A Equipe Com o intuito de formar uma equipe que pudesse representar a Universidade Federal do Rio Grande do Sul, o Professor Doutor Rafael Comparsi Laranja iniciou uma seleção de alunos e colaboradores para formar um grupo que tivesse o conhecimento mínimo para iniciar este projeto. Esta equipe iniciou seus trabalhos em meados do ano de 2011 com apenas três integrantes e seu coordenador. Atualmente a equipe conta com dez integrantes mais um coordenador e um capitão, que tem a responsabilidade de dividir as tarefas, acompanhar os trabalhos e incentivar o restante da equipe a dar sequência nos trabalhos. A equipe está dividida em pequenos grupos de acordo com as partes do projeto e conta com alunos de vários cursos da universidade. Coordenador Professor Doutor Rafael Comparsi Laranja Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Sul com atuação nas Engenharia de Controle e Automação e Engenharia Mecânica na área de Sistemas Mecânicos. Capitão Luciano Barth Vieira Graduando em Engenharia de Controle e Automação na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Técnico em Eletrônica pelo Centro Tecnológico Parobé. Grupos do trabalho Eder Gonçalves Dorneles Graduando em Engenharia Mecânica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Técnico em Mecânica pelo Centro Tecnológico Parobé; Servidor federal com função de Técnico de Laboratório na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Lucas André Eisermann Graduando em Engenharia de Controle e Automação na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Tomás Miranda Aloise Graduando em Engenharia Mecânica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Guilherme Oliveira Comin Graduando em Engenharia Mecânica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Yachel Rogério Mileski Graduando em Engenharia de Controle e Automação na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Grégori Rinaldi Fronza Graduando em Engenharia Mecânica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Técnico em Mecânica pelo SENAI de Bento Gonçalves. Pablo Leonardelli Graduando em Engenharia Elétrica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Jonnas Pires Espindula Graduando em Engenharia de Controle e Automação na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; Jordana Silveira de Souza Graduanda em Engenharia Metalúrgica na Universidade Federal do Rio Grande do Sul; A Estrutura Laboratórios A equipe utiliza atualmente dois espaços de trabalho, o LAMECC e o LAMAE: O LAMECC O Laboratório de Mecatrônica e Controle conta com quatro professores doutores com atuação nas áreas de projeto de sistemas mecânicos, manufatura auxiliada por computador, modelagem, projeto de controladores de sistemas mecânicos, instrumentação e projeto de sistemas mecatrônicos, sistemas de fabricação e robótica industrial. Destacam-se os seguintes projetos desenvolvidos pelo LAMECC: Controle de sistemas pneumáticos, o desenvolvimento de controladores para servoposicionadores, robôs manipuladores e garras pneumáticas. Controle de umidade de pó atomizado da indústria cerâmica, controle de combustão, estequiometria e temperatura. Desenvolvimento de sistema de controle para os veículos de movimentação automática de pessoas. Estudos de melhorias operacionais de válvulas de bombas para aplicação em eletrodomésticos da linha branca. Estudo de design de embalagens metálicas, simulação não linear de impacto, otimização estrutural. Desenvolvimento de protótipos virtuais avançados de engenharia. Modelagem de materiais avançados para engenharia de precisão. Implantação de sistemas de robotização da manufatura. Organização e automação de sistemas de manufatura. O LAMAE O Laboratório de Mecânica Aplicada Experimental está em atividade desde a formação do curso de Engenharia de Controle e Automação da universidade e conta com quatros professores, um engenheiro mecânico e um técnico. Suas áreas de atuação são: instrumentação, mecatrônica, medições mecânicas, sistemas de medição, vibrações mecânicas e acústicas. O LAMAE atende alunos dos cursos de engenharia de controle e automação, alunos de engenharia mecânica, profissionais da área de automação industrial, processo de fabricação, entre outros. O Projeto Design O design deste veículo segue todas as regulamentações da competição e também visa aprimorar a ergonomia e a aerodinâmica, auxiliando no bem estar do piloto e na eficiência do carro. Foram feitos estudos a partir de modelos já conhecidos como perfis NACA’s, estruturas de aeromodelismo e alguns simulações com perfis do meio ambiente, como setas, gotas, estruturas de animais e outras referências. Vale ressaltar que esses estudos fora todos analisados em softwares de simulação de fluidos e sólidos e analisados em ensaios práticos de aerodinâmica a partir de um protótipo em escala do perfil selecionado. Todas essas observações serão mais bem especificadas nas seções do chassi e da carenagem. Chassi O chassi é a estrutura que serve como suporte para o veículo. Sua composição é feita de estruturas reticuladas empregadas para a cobertura de espaços com vãos muito grandes. Esse reticulado é constituído principalmente de uma rede de elementos metálicos (aço) conectados na sua extremidade para formar um elemento geométrico de base quadrada. A estrutura se comporta como um treliçado espacial, sofrendo esforços axiais, flexionais e torcionais. Para tanto, apresenta barras com seção oblongas, circulares e quadradas com elevada rigidez. Em seu projeto, foi reduzido o maior número de elementos, a fim de diminuir o peso, contudo, sem reduzir a resistência da estrutura e a segurança do piloto. Figura 1 - Chassi Atual A arquitetura estrutural do chassi é constituída de um arranjo de barras retas unidas por um nó. Figura 2 - Projeto do Chassi Atual Para alcançarmos um veículo mais econômico, o projeto do chassi foi feito de forma a obter o menor peso possível, apresentando apenas 9,853 kg. Foi levada em conta em sua construção, uma maior resistência com o menor número de elementos, a fim de reduzir o peso e o custo, sempre tendo em vista a segurança do piloto. O chassi foi desenvolvido de forma a apresentar baixa deformação. Entretanto, por ele ser muito rígido, tivemos que tomar algumas precauções para assegurar que os pontos de fixação não se deformem durante a aplicação de uma carga. Seu layout permite que um ocupante de estatura média saia do veículo sem maiores problemas. Na competição deste ano, algumas regras foram alteradas para melhorar a segurança dos pilotos e em relação ao chassi foram feitas algumas alterações para nos adequarmos ao novo regulamento. Figura 3 - Novo regulamento em relação ao chassi Conforme o novo regulamento uma linha imaginária, entre a barra de proteção superior (ponto A) e outro ponto de apoio à frente da cabeça do piloto (ponto B), deve passar acima da extremidade superior do capacete a pelo menos 50 mm de distância. Figura 4 - Adaptação do chassi conforme novo regulamento Carenagem A carenagem do carro tem importância performática principalmente no que diz respeito à aerodinâmica e ao peso. A aerodinâmica deve ser tal que o carro sofra o mínimo arraste e que a ”downforce” seja apropriada à velocidade do carro. Foi levado em conta, na etapa de desenho da carenagem, o processo de fabricação da mesma, assim como os itens requeridos pelo regulamento, o conforto do piloto e o aproveitamento da estrutura de chassis, pronta antes do desenvolvimento da carenagem. Para cumprir com o objetivo de fazer um carro o mais leve possível, deve-se escolher o material mais leve – mas também resistente – que não requeira um processo de manufatura muito complexo e caiba no orçamento. O mais comum é utilizar a fibra de vidro: é barata, resistente, e relativamente fácil de manusear para a fabricação da carenagem. Entretanto, é pesada. Imediatamente, o material para ser utilizado no projeto seria a fibra de carbono, que oferece a melhor proporção resistência/peso. Tal material é, contudo, muito caro. Para poder utilizá-lo, será necessária uma expansão de patrocínio. É bastante provável, porém, que o patrocínio obtido não cubra o custo de uma carenagem completamente feita em fibra de carbono. Nesse caso, seria considerável estudar quais peças fazer em carbono, dependendo da quantidade dessa fibra que se possa obter. Durante o desenvolvimento do projeto foram consideradas as regras da competição. Por exemplo, a carenagem deve ser independente da estrutura tubular do chassi, resistir à 5kgf aplicados em uma esfera de diâmetro de 10 mm, oferecer ampla visibilidade para o piloto e permitir que o mesmo deixe o carro, sem auxílio, em menos de 20 segundos. Muitos dos fatores ergonômicos já estão em parte definidos pelo chassi, mas a carenagem também deve considerá-los. Ela há de ter espaço suficiente para acomodar o piloto confortavelmente, mas sem ser muito grande, e há de ter espaços transparentes para a visibilidade. A entrada e a saída do piloto podem ser definidas por seções escamoteáveis da estrutura, ou então fixas com dobradiças. Já para a visibilidade, materiais como acrílico ou uma resina transparente, dispostos de modo a envolver o piloto. Figura 5 - Projeto da carenagem Motor O motor consiste no ‘coração’ do carro, pois é dele que vem a força necessária para a movimentação do veículo. Especificamente para a Maratona de Eficiência Energética, nossa equipe optou por competir inicialmente na categoria de motores elétricos. O que se espera do motor nesta categoria é que consuma o mínimo possível de energia e que atenda as especificações de torque e velocidade determinados pela equipe, além de tamanho reduzido e baixo custo. Foram feitas algumas tentativas com alguns motores e apenas empiricamente pudemos verificar a sua ineficácia para nossos intentos. Motor atual - Parafusadeira O motor de parafusadeira é leve e pequeno. Decidimos por usá-lo juntamente com a redução que existe na parafusadeira, pois atendia aos requisitos de torque, velocidade e tensão. Este motor e sua redução oferecem torque aproximado de 32 N.m e 400rpm no modo parafusadeira e 11 N.m e 1200rpm no modo furadeira. Figura 6 - Conjunto da Parafusadeira O motor de parafusadeira e sua redução se encaixam nas exigências de torque e velocidade, além do baixo consumo e peso reduzido. Para uma maior economia deve-se fazer o controle do acionamento do mesmo, pois rampas bruscas de aceleração consomem muita energia, podendo comprometer a bateria ou até mesmo o sistema como um todo devido à grande corrente drenada. Figura 7 - Projeto da nova carcaça do motor Transmissão O sistema de transmissão tem por objetivo levar o movimento do motor para as rodas, isto é, transmitir o movimento rotacional do motor para as rodas. Na idéia de um veículo econômico, procura-se a melhor relação de transmissão a fim de evitar perdas e amplificar ao máximo o rendimento do motor, consumindo-se assim menos energia. As primeiras idéias basearam-se em sistemas de polias e correias, o que mais tarde se mostrou fora do propósito de evitar perdas por conta do escorregamento das correias. Partiu-se então para o sistema de coroa e corrente, como em bicicletas, pois o mesmo está livre de escorregamentos e o fenômeno da flutuação da corrente pode ser desprezado. Até o presente momento é o sistema em desenvolvimento no veículo. Posteriormente, pensou-se em usar a mesma transmissão de velocidades dada por uma coroa e corrente, como nas bicicletas. Tendo a pinha engastada no eixo do motor para a melhor utilização da catraca existente no seu interior, útil em descidas já que o motor poderá ser desligado enquanto a roda gira sem que o mesmo cause perdas por atrito ou até mesmo resistência por parte da sua construção e reação ao movimento quando desligado. Já no eixo da roda será usada uma coroa fixa ao mesmo, de modo que as duas terão a mesma velocidade angular. Esta coroa terá o tamanho e o numero de dentes pré-definidos pelo fabricante, ficando a cargo do grupo apenas os cálculos de conferência das especificações mínimas necessárias, caso não atenda, o mesmo deve procurar a ideal junto a comércios do ramo, para que se faça uso de peças já existentes e de fácil obtenção, além de baixo custo. Figura 8 - Montagem da Coroa Direção O sistema de direção dos veículos automotores possui grande importância no comportamento estático e dinâmico, ele é responsável por gerar ângulo de esterçamento suficiente para fazer curvas em resposta ao estímulo do condutor e deve possuir sensibilidade ideal para o controle do piloto. Em busca desses fatores, procuramos um sistema de direção compatível com nosso veículo e consideramos três hipóteses: sistema pinhão e cremalheira, sistema de kart com duas barras curtas, sistema de kart com uma barra longa e uma barra curta. Sistema atual: uma barra longa e uma barra curta: É um sistema simples amplamente difundido entre os karts de competição. Consiste em uma barra curta ligada a barra de direção e em uma das rodas dianteiras, esta roda é ligada a outra roda dianteira através de uma barra longa. Quando a barra de direção é rotacionada através da direção, este movimento é transmitido para a roda do veículo alterando sua angulação. Devido à barra longa, este movimento é levado até a segunda roda dianteira, sendo assim, as duas rodas dianteiras executam a mesma angulação. Figura 9 - Sistema de Direção de Kart Utilizado pela Equipe (composto por uma barra longa e uma barra curta) Controle Por se tratar de um motor de corrente contínua (DC) e devido à necessidade de fazer com que haja as menores perdas possíveis de energia, o modelo de controle que melhor se encaixa neste requisito será um PWM (modulação de largura de pulso), que ao invés de controlar a potência através de recursos resistivos, que geram perdas por diferença de potencial, o PWM gera pulsos com largura variável, e através dele é possível efetuar o controle da potência do motor sem que haja muitas perdas. No controle por PWM, que trabalha com chaveamento de pulsos, quando o pulso estiver em nível baixo à perda de energia será apenas a potência dissipada pelo circuito oscilador, e quando em nível alto a potência dissipada será a do circuito oscilador mais a potência do motor. Como o consumo do circuito é muito baixo, pode-se então desconsiderálo, e apenas quando o motor estiver ligado haverá gastos mais significativos de energia. Quando o circuito gerar pulsos de nível alto, o motor irá operar com o nível de tensão máximo, fazendo com que o torque exercido pelo motor também seja máximo. Quando fazemos a variação da largura de pulsos, o motor se comportará de maneira a ficar ligado certo instante de tempo e desligado outro instante, calculando a média destes dois valores conseguimos quantificar a potência transmitida para o motor, sendo então que quando queremos que o motor gire mais rápido ou mais devagar, alteramos a largura dos pulsos para obtermos os resultados necessários. Frenagem O sistema de freios é um dos mais importantes do veículo, pois é item de segurança do piloto. Sendo assim, o regulamento da competição de 2012 prevê a utilização de dois sistemas de freios independentes “Os freios devem ter sistema de atuação duplo, tais como cabos, mangueiras, sapatas, cálipers, com acionamento semelhante, para que haja redundância. Caso um deles venha a falhar, o outro ainda atuará na redução de velocidade e imobilização.” Começamos tentando adaptar freios de bicicleta tipo ferradura, porém o sistema não se mostrou eficiente na frenagem e necessitou de demasiada força do piloto para acionar seu manete. Posteriormente, adaptamos o sistema de freios tipo v-break através de placas aderidas ao chassi e um sistema de suporte tipo ferradura. Este sistema de freios foi bem mais eficiente e seguro tendo boa resposta, além de necessitar menor desgaste do piloto para o acionamento. Ainda estamos trabalhando no aperfeiçoamento deste sistema de freios com intuito de otimizá-lo de torná-lo competitivo. Devido à exigência da competição, estamos trabalhando com a hipótese de freios a disco como principal e secundário sistema de freios do veículo. Os freios a disco são bem difundidos em competições ciclísticas e considerados os mais eficientes do mercado. Porém, este sistema se mostra mais dispendioso e, além da questão financeira, estamos verificando o espaço livre entre o chassi e a roda, pois o espaço deve ser viável para o acoplamento do disco, da pinça e demais componentes deste sistema. Figura 10 - Sistema de Freio Utilizado pela Equipe (Freio a Disco) Ergonomia De acordo com o regulamento da competição, o carro deve contar uma estrutura com o mínimo de conforto para o piloto, uma segurança adequada e uma boa visibilidade. A partir destes pontos foram desenvolvidos encostos, estofamentos e entradas de ar para manter o conforto do piloto. Para a questão de segurança o carro possui um chassi que envolve o corpo do piloto e possui uma estrutura que protege a cabeça do piloto em caso de capotagem e também uma carenagem com um encaixe seguro e simples que facilita com que o piloto consiga sair do veículo com maior rapidez em caso de alguma emergência. Sobre o aspecto de visibilidade para o piloto, foi produzida na carenagem uma parte com polímero transparente que mantém a rigidez da estrutura e a visibilidade necessária para o piloto. Esta estrutura está mais detalhada no tópico que descreve o desenvolvimento da carenagem. Telemetria O grupo responsável pela parte elétrica e eletrônica do veículo desenvolveu um sistema de telemetria alimentado pela bateria do veículo e tem o objetivo de transmitir todos os dados adquiridos pelos sensores instalados ao longo da estrutura para a equipe de apoio que ficará acompanhando em tempo real a situação do veículo e buscando sempre aprimorar a eficiência do veículo. A comunicação é feita por um módulo wireless instalado no carro que transmite todos os dados adquiridos por um módulo desenvolvido pela empresa NATIONAL INSTRUMENTS, que depois é processado e analisado pelo software LABVIEW que estará em um computador com a equipe de apoio. Metas da Equipe Grupo 01 – Transmissão, Motor e Direção: Estudo de novos motores, reduções e transmissões visando minimizar perdas e consumo, não sendo descartada a hipótese de projeto e construção de tais elementos pela equipe; Construção de sistema de transmissão compacto, leve e livre de perdas de potencia, visando a competição Shell Eco Marathon (mundial) onde o sistema de competição exige que o carro saia do repouso sem utilização de rampas e exige maior torque do motor. Aperfeiçoamento do sistema de direção levando em conta a cambagem das rodas e a precisão dos movimentos das barras; Grupo 02 – Carenagem e Ergonomia: Construção do perfil final da carenagem para a competição de 2013; Ensaios de aerodinâmica teórico e prático da carenagem; Ensaio de carga na carenagem conforme regra da competição; Adaptação do banco e dos encostos do carro para melhorar o conforto do piloto durante a competição; Grupo 03 – Chassi e Frenagem: Estudos de forças e concentrações de cargas para possíveis reduções de peso; Adaptar sistema de freio a disco à roda traseira com dois acionamentos independentes; Efetuar ensaios práticos de frenagem e de capotamento para aprimorar a segurança do piloto; Grupo 04 – Controle e Telemetria: Obtenção de dados relativamente abrangentes sobre o consumo, perdas e vida útil dos elementos atualmente utilizados que posteriormente servirão como base de pesquisa; Adaptação plug &play do volante do carro para atender a regra de saída do piloto em caso de emergência; Instalação do sistema de aquisição de dados via wireless para acompanhamento e estudo do desempenho do veículo em tempo real; Proposta para patrocinadores e apoiadores Oferecemos aos patrocinadores e apoiadores a visibilidade nos espaços onde a equipe faz sua propaganda, isto é, nos uniformes da equipe, na carenagem do veículo, no site da equipe e nos eventos a serem realizados. Ilustramos a seguir exemplos dos espaços disponibilizados para os patrocinadores e apoiadores, divididos entre ouro e prata os patrocínios de acordo com sua participação no projeto. Caso o interesse seja ser um patrocinador exclusivo da equipe, não haverá divisão nos espaços. Figura 11 - Espaço para patrocinadores e apoiadores na parte inferior do pôster de divulgação da equipe Figura 12 - Espaços para os dois principais patrocinadores ou apoiadores no boné da equipe Figura 13 - Ilustração dos espaços para os patrocinadores e apoiadores na camiseta da equipe Figura 14 - Ilustração dos espaços para os patrocinadores e apoiadores da equipe na carenagem do veículo Figura 15 - Ilustração dos espaços para patrocinadores e apoiadores na capa do site da equipe Contatos da equipe: Equipe Bagual Racing - Desenvolvimento de veículos com alta eficiência Departamento de Engenharia Mecânica Rua Sarmento Leite, nº 425 – Bairro Centro Histórico – Porto Alegre / RS CEP: 90050-170 Fone: +55 51 3308.3929 Fax: +55 51 3308.3222 [email protected] www.mecanica.ufrgs.br/bagualracing Capitão da equipe: Luciano Barth Vieira [email protected] +55 51 3308.3775 Coordenador do projeto: Rafael Comparsi Laranja [email protected] +55 51 3308.3749