Baixe OTIMIZAÇÃO DE UMA MELHOR CONFIGURAÇÃO DE REFRIGERAÇÃO DA CVT E VERIFICAÇÃO DA SUA INFLUÊNC e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Modelação Matemática e Simulação, somente na Docsity!
OTIMIZAÇÃO DE UMA MELHOR CONFIGURAÇÃO DE REFRIGERAÇÃO DA CVT E
VERIFICAÇÃO DA SUA INFLUÊNCIA NO PROTÓTIPO DA EQUIPE KOMIKETO BAJA
Olavo Fava Furtado Alvim(1)^ (olavoalvim@hotmail.com), Igor Damasceno Baeta(1)^ (igor.d.mec3@gmail.com), Marcelo Esposte Purgato(1)(marceloesposte@gmail.com),Alexandre Chaves de Melo (1) (alexandrechavesdemelo@gmail.com), José Antônio da Silva(2)^ (jant@ufsj.edu.br)
(1) Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ), Curso deEngenharia Mecânica, Praça Frei Orlando-170, Centro, 36307-904, São João Del Rei, Minas Gerais, Brasil. (2) Universidade Federal de São João Del Rei (UFSJ), Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos- DCTEF, Praça Frei Orlando-170, Centro, 36307-904, São João Del Rei, Minas Gerais, Brasil.
RESUMO: O protótipo Baja UFSJ é um veículo “Off Road”, produzido para competições onde é submetido a uma série de provas de diferentes modalidades que avaliam seu desempenho, entre elas, aceleração, velocidade e capacidade de vencer aclives. O sistema de powertrain é extremamente importante na maioria dos equipamentos mecânicos. Para os automóveis é ainda mais importante por ser responsável pela locomoção do veículo. A transmissão de torque e potência, produzidos pelo motor, até as rodas é realizada por todos os componentes em conjunto ao mesmo tempo. O funcionamento da transmissão obedece a um rigoroso e preciso circuito mecânico, da geração de força até os pneus, sendo assim é de suma importância à máxima eficiência e vida útil de todos os componentes. A Continuouslyvariabletransmission - CVT é um tipo de transmissão que simula uma quantidade infinita de relações de marcha, uma vez que funciona com um sistema de duas polias de tamanhos diferentes interligadas por uma correia de alta resistência. Neste contexto, o sistema de transmissão da Equipe Komiketo Baja UFSJ, visa uma maior eficiência da CVT GAGED GX-9, usada pela equipe em seus protótipos, e uma maior vida útil da correia. Este artigo tem como objetivo mostrar a melhor configuração de refrigeração da proteção da CVT usada no protótipo KB08 da Equipe Komiketo Baja UFSJ, fator de grande influência no trabalho das polias e na temperatura de trabalho da correia.
PALAVRAS-CHAVE: Baja SAE, CVT, protótipo, refrigeração, KomiKeto Baja.
1. INTRODUÇÃO
Lançado no Brasil em 1995, o projeto Baja SAE é uma competição entre equipes universitárias, na qual estudantes de engenharia projetam e desenvolvem um veículo de competição monoposto “ off-Road ”, denominado baja. Ao participar deste projeto, o aluno se depara com um caso real de desenvolvimento do protótipo, desde sua concepção à construção do mesmo. Além disso, oferece a chance de aplicar os conhecimentos adquiridos em sala de aula, visando incrementar sua preparação para o mercado de trabalho. O protótipo é avaliado entre provas estáticas e dinâmicas. Dentre as provas dinâmicas, encontram-se as de aceleração e velocidade, tração, suspension , enduro de resistência, entre outros, nas quais é colocado diretamente em teste o sistema de powertrain do veículo. Em conjunto com o motor Briggs&Stratton 10 HP 305cc, que é determinado pela SAE, o sistema de transmissão da Equipe Komiketo Baja UFSJ utiliza como sua primeira redução a “ Continuouslyvariabletransmission ” CVT GAGED - GX9, que consiste basicamente em duas polias, uma motora e uma movida, de tamanhos diferentes, que são interligadas por uma correia de borracha de alta resistência. Esse tipo de transmissão automática simula uma quantidade infinita de relações de transmissão entre suas relações máxima e mínima. Foi verificado através de testes em dinamômetro de rolos ativo (ou dinamômetro de chassi) a influência da configuração de refrigeração no desempenho da CVT e consequente do protótipo. Como em um sistema de transmissão a máxima eficiência dos componentes é de extrema importância para bom comportamento do veículo (Silva, 2011), buscou-se otimizar a configuração de refrigeração da proteção da CVT, e posterior à análise foram feitos testes experimentais buscando verificar a influência da análise na temperatura interna da proteção e sua possível influência no tempo de vida útil da correia.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Simulação da configuração de refrigeração da CVT
Com o objetivo de encontrar a melhor configuração de refrigeração na proteção da CVT foram feitas simulações numéricas e computacionais como o método dos elementos finitos (MEF) no software ANSYS CFX. Para alimentar o modelo de forma adequada foi primeiramente realizado o desenho das geometrias dos componentes da CVT e da proteção desta com as dimensões reais em CAD, pelo software SolidWorks, como pode ser visto na (Figura 1).
A fim de identificar uma melhor configuração de refrigeração para a proteção da CVT foram realizadas diversas análises CFD ( computationalfluid dynamics), com várias configurações de refrigeração, variando a condição de trabalho da ventoinha, ora trabalhando como refrigeradora e ora como exaustora. Além disso, foram variadas as entradas e saídas de ar da proteção nos diversos espaços disponíveis na proteção da CVT. Por apresentar melhor fluxo de ar e maior diferença entre temperatura de entrada e saída, foi adotada a configuração de ventoinha trabalhando como ventiladora e aberturas de saída de ar na parte frontal da proteção (Figura 2).
FIGURA 2. Desenho da melhor geometria da proteção.
2.2. Influência da análise CFD no desempenho do protótipo
Buscando verificar a influência da análise CFD no desempenho longitudinal do protótipo, foram feitos testes experimentais em dinamômetros de rolos ativos (dinamômetro de chassi), com o intuito de simular condições de rodagem real (Quatro Rodas, 2006). A importância desta análise se justifica através do regulamento da competição (Regulamento BAJA SAE BRASIL, 2015). As equipes fazem uso do mesmo motor que não pode sofrer alterações, assim o ganho de eficiência se torna muito importante. Os testes foram realizados no Centro de Tecnologia e Mobilidade (CTM) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), com as configurações de refrigeração adotadas no protótipo atual e no anterior. Com o intuito de obter maior precisão das medições, os testes foram realizados com condições similares, utilizando o mesmo protótipo, mesmo piloto, condições atmosféricas parecidas, de forma que estes parâmetros externos não influenciassem no resultado da análise (Gesteira, 2014).
O experimento consistia em cruzar os dados de rotação do motor adquiridos por um sistema independente de eletrônica embarcada da equipe, com os dados de rotação na roda do protótipo adquiridos pelo sistema de captação do protótipo. A metodologia para ambas as configurações de refrigeração consistiu no acoplamento do eixo traseiro do protótipo (eixo de tração) aos rolos do dinamômetro, levando o carro à sua velocidade máxima. Vale ressaltar que foram consideradas todas as normas de segurança como captação dos gases de emissão e o a fixação do protótipo de forma adequada (Figura 3). Os dados da mesma foram captados para ambas as configurações de refrigeração. Foram considerados tempos de estabilização das temperaturas no interior da CVT (tempos próximos verificados nas análises do tópico anterior) antes das realizações das passagens e também um intervalo de tempo para a refrigeração na troca das configurações de refrigeração. Foram realizadas três passagens para cada configuração de refrigeração, e posteriormente efetuadas médias para os dados de velocidade e de rotação do motor, visto que a taxa de atualização do dinamômetro e do sistema de captação da rotação permaneceram constante. Para a análise posterior de ambos os dados, foram utilizados principalmente os conceitos de dinâmica longitudinal dos veículos (Nicolazzi et al., 2008).
FIGURA 3. Fixação do protótipo no dinamômetro de rolos e captação dos gases emitidos pelo mesmo.
O gráfico para os dados de rotação do motor (RPM) x velocidade do protótipo (km/h) para ambas as configurações está mostrado abaixo (Figura 5), este gráfico para a análise é utilizado deste modo devido à curva característica da CVT (Aeen’s, 2007). A partir destes tornou-se possível
nacional Baja SAE de 2016 (SAE BRASIL, 2016), a diferença do primeiro colocado para o segundo de é apenas de 0,33 km/h.
Abaixo na Tabela 1, podemos ver um comparativo com as velocidades e tempo de aceleração encontrados no protótipo para a configuração de refrigeração adotada anteriormente e a adotada atualmente adquirida pela análise CFD.
TEMPO DE ACELERAÇÃO
(s)
VELOCIDADE MÁXIMA
(km/h)
CONFIGURAÇÃO DE REFRIGERAÇÃO ANTERIOR
CONFIGURAÇÃO DE REFRIGERAÇÃO
ATUAL
AUMENTO PERCENTUAL (%) 5,49 1,
TABELA 1. Análise de melhoria considerando as configurações de refrigeração adotadas no protótipo atual e no anterior.
2.3. Otimização de uma melhor configuração de arrefecimento da proteção da CVT
Após a identificação da melhor configuração de refrigeração da CVT foram realizadas simulações a fim de tentar diminuir a temperatura interna da proteção. Visto o elevado desgaste da correia proporcionado pelo seu uso em altas temperaturas, buscaram-se maneiras de reduzir a temperatura interna. Com isso, foi avaliado se a utilização de snorkel para a captação de ar e novos furos da saída de ar conseguiria baixar a temperatura interna da proteção, proporcionando assim uma maior vida útil da correia e consequentemente reduzindo os custos de manutenção protótipo. Para o processo de simulação algumas considerações foram feitas a fim de facilitar o processo e diminuir o tempo computacional, como simplificação da geometria das polias motora e movida da CVT, ar entrando como laminar e a condições normais de temperatura e pressão (CNTP).
Primeiramente foram desenvolvidos diversos modelos de entrada e saída de ar, com e sem snokel, buscando um maior fluxo de ar dentro da proteção. A (figura 4) abaixo demonstra um dos exemplos utilizados para o desenvolvimento do estudo.
FIGURA 4. Exemplo de modelo usado para simulação.
Após o processo de malha dos componentes, foram criadas as mesmas condições de contorno para todas as geometrias utilizadas, mantendo assim os mesmos parâmetros para todas as geometrias testadas. Para os modelos as paredes foram consideras como no-slipwall e as polias e hélice foram consideradas girando a uma velocidade de 3400 RPM, que é uma faixa de rotação média durante o período de trabalho do motor. As velocidades angulares das polias foram consideradas iguais. A velocidade de entrada do ar considerada foi de 30 Km/h, pois é considerada uma velocidade média do carro durante uma prova de enduro. As diversas análises foram feitas em regime permanente com pressões de entrada e saída de 1 atm, possibilitaram identificar uma melhor geometria que aumentasse o fluxo com as polias da CVT através da análise das linhas de
FIGURA 7. Vista explodida do conjunto com a configuração final de arrefecimento.
2.5. Validação/experimentação
Com o intuito de verificar a influência da análise da nova configuração de refrigeração no desgaste dos componentes da CVT, foi feita uma revisão bibliográfica detalhada do seu funcionamento e verificado que o principal componente que tende a sofrer influência na sua deterioração em relação a temperatura e a correia, principalmente quando é fabricada à base de polímeros (ALBUQUERQUE, 2007 e RIBEIRO, 2010). Sendo assim, buscando uma maior vida útil da correia, foi obtido através do fabricante, o gráfico de porcentagem de vida útil (%) x temperatura de trabalho da correia (°C) (Figura 8).
FIGURA 8. Gráfico da vida útil da correia x temperatura de trabalho (fornecido pela GagedEngineering The ClutchCompany®).
A fim de avaliar os resultados apresentado nas simulações, foram feitas validações com as diferentes configurações de arrefecimento. Os dados de temperatura na proteção da CVT foram obtidos através do sensor MLX90614 com taxa de atualização de 3 segundos, que foi posicionado no interior da proteção, captando assim a temperatura do ambiente interno da CVT. Os dados foram obtidos com o protótipo em movimento, ou seja, simulando uma situação real de competição. Foi considerado um tempo de 18 minutos, tempo no qual esta temperatura se estabilizou para ambos os casos das configurações, (Figura 9), podendo assim considerar nos cálculos um regime permanente sem alteração da temperatura, tomando esta como a temperatura crítica de trabalho da correia. Os dados do sensor foram captados através de um computador embarcado.
FIGURA 10. Gráfico da porcentagem de vida útil x temperatura para as temperaturas das duas configurações de refrigeração.
Pode-se observar que com a nova configuração de refrigeração, foi obtida uma diminuição de 9,66 °C no interior da proteção da CVT, ou seja, uma diminuição de 13,39 %. Tal queda proporcionou um aumento de 52,36% em tempo de vida útil da correia.
3. RESULTADOS E CONCLUSÕES
A partir de todas as análises realizadas, verificamos a importância da realização de estudos, testes e justificativas para viabilizar avanços de projeto do protótipo. Com isso podemos modificar os parâmetros para novos projetos de proteção e refrigeração em busca de melhorias para o arrefecimento interior da proteção da CVT, com a certeza de que os dados captados são verdadeiros. Pode-se concluir assim, que a análise se tornou válida, visto que conseguimos aumentar o tempo de vida útil da correia em aproximadamente 52,36%, o que acarreta em diminuição de custo e tempo de manutenção.
4. AGRADECIMENTOS
Agradecemos à FAPEMIG, processo APQ – 03625/14, investidor do Projeto Baja SAE da Equipe Komiketo localizada na Universidade Federal de São João Del Rei, por viabilizar o desenvolvimento deste trabalho. E ao CTM da UFMG pela disponibilização do dinamômetro de rolos para os ensaios realizados no protótipo.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT NBR ISO. (1996). ABNT NBR ISO 1585:1996 - Veículos rodoviários - Código de ensaio de motores - Potência líquida efetiva. Dissertação (Mestrado). Curso de Pós-Graduação em Energia da Universidade Federal do ABC, Santo André. AEEN’S, O. (2007). ClutchTunningHandbook. OlavAaen 1986. ALBUQUERQUE, A. A. (2003). Caracterização da Resposta Dinâmica de uma CVT por Polias Expansivas. Comissão de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas. GESTEIRA, L. G. G. K. (2014). Sistema de aquisição de dados baseado em LABVIEW para um dinamômetro de chassi. Dissertação (Mestrado Acadêmico) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial, Universidade Federal da Bahia, Salvador. MARCÉLIO, I. S. et al. (2014). Estudo de caso do subsistema de powertrain utilizado pela equipeKomiketo Baja UFSJ. In: IV Congresso das Engenharias da UFSJ (COEN).São João del Rei/MG. Mensagens e Informativos BAJA NACIONAL (2015). SAE BRASIL. Disponível em: http://saebrasil.org.br/eventos/programas_estudantis/baja2015/Mensagens.aspx. Acesso em: 13 de outubro de 2015. NICOLAZZI, L. C. et al. (2008). Uma Introdução à modelagem quase estática de veículos automotores de rodas. Publicação interna do GRANTE – Departamento de Engenharia Mecânica da UFSC. Regulamento BAJA SAE BRASIL (2015). SAE BRASIL. Disponível em: http://www.saebrasil.org.br/eventos/programas_estudantis/baja2015/Regras.aspx. Acesso em 13 de outubro de 2015. RIBEIRO, F. (2010). Estudo da aplicação de transmissão continuamente variável (CVT) em geradores eólicos de médio porte. REVISTA QUATRO RODAS. (2006). A força do mito. Disponível em: http://quatrorodas.abril.com.br/reportagens/conteudo_141359.shtml. Acesso em: 09 de outubro de 2015.
6. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo das informações contidas neste artigo.
