MODELAÇÃO E CONCEPÇÃO DE UM ATRELADO ELÉCTRICO PARA VEÍCULOS DE DUAS RODAS
Fernando André de Almeida Frescata Correia Pereira
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri Presidente:
Prof. Doutor Mário Manuel Gonçalves da Costa
Orientador:
Prof. Doutora Virgínia Isabel Monteiro Nabais Infante
Co-orientador:
Prof. Doutor Horácio João Matos Fernandes
Vogal:
Prof. Doutor Luís Alberto Gonçalves de Sousa
JULHO 2012
“A maior riqueza é a saúde” Ralph Waldo Emerson
AGRADECIMENTOS A presente dissertação não teria sido possível sem a fundamental ajuda de algumas pessoas, as quais expresso o meu sincero obrigado pelo apoio prestado. Desde já, estou grato aos meus orientadores, Professora Virgínia Infante e Professor Horácio Fernandes, por toda a disponibilidade demonstrada, paciência, dedicação e orientação nos diversos princípios científicos no decorrer deste trabalho. Com eles esta etapa académica foi sem dúvida ainda mais produtiva. Também não quero deixar de salientar, que a troca de opiniões e conselhos dados pelos Professores Luís Reis, João Dias e Luís Sousa, foram bastante preciosos na busca de soluções e alternativas para o caminho final deste trabalho. Quero ainda agradecer aos Professores Luís Faria e Mihail Fontul pela possibilidade que me deram de colaborar e debater conhecimentos com estudantes Japoneses de Engenharia Mecânica, que realizavam um programa de intercâmbio no IST no decorrer do trabalho da presente dissertação Ainda a salientar a incansável ajuda prestada pelos Mestres Dário Silva, Nuno Silva e Yoann Lage que apesar do seu trabalho de Doutoramento sempre mostraram interesse e entusiasmo nas diversas etapas deste trabalho. Fico reconhecido ao Instituto Superior Técnico, de maneira geral a todos os professores do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica pela vossa capacidade de transmitir conhecimentos pedagógicos, científicos e morais que me permitiram criar alicerces para elaborar esta dissertação. No trajecto externo envolvido neste trabalho, quero agradecer à MS – Serralharia de Alumínios e à Radiadores Leonor Lda, em particular ao Sr. Marco e Sr. António pela colaboração e preciosa ajuda na concepção e montagem do protótipo proposto. Aos meus amigos e colegas de curso pelo incentivo, coragem e apoio, um especial obrigado a vocês.
Agradeço profundamente à família que tenho pelos valores e educação que me transmitiram até hoje, em especial ao meu irmão e aos meus pais, que são o que de mais importante tenho na vida. Desde sempre demonstraram união, compreensão e apoio em tudo e contribuíram de forma crucial para a conclusão desta etapa da minha vida.
I
RESUMO
As bicicletas continuam a ser o meio de transporte mais limpo e saudável de sempre e são importantes para a mobilidade sustentável da actualidade. Estes veículos oferecem liberdade, conforto e são ecológicos, mas existem algumas limitações que impedem a sua propagação, nomeadamente em meio urbano, como a dificuldade em alcançar velocidades elevadas, a dificuldade em declives ou ainda transporte de carga. O objectivo deste trabalho passou por acoplar um atrelado eléctrico numa bicicleta, permitindo deslocar o conjunto ciclista-bicicleta-atrelado de maneira mais fácil e com menos esforço, beneficiando de um sistema portátil e com alguma capacidade de carga. Os diversos componentes eléctricos e mecânicos a incluir no atrelado apresentam um volume e peso considerável. Para fazer face a estas restrições, este trabalho focou-se no desenvolvimento e concepção de um protótipo de atrelado de maneira a acomodar e suportar os seus componentes. Utilizou-se para isso, materiais leves para não aumentar ainda mais o peso total do conjunto e utilizou-se uma geometria de formas simplificadas. Realizou-se uma análise estrutural com a selecção do material do chassis, projecto estático e simulação estática computacional. Foi construído à escala real um protótipo e são realçadas as metodologias da sua construção. Uma simulação dinâmica computacional é realizada para ser comparada aos testes experimentais, para interpretação da performance do sistema e quantificação de algumas grandezas. Nesta simulação verificou-se uma satisfatória concordância com o resultado experimental e reforçou-se o conceito deste protótipo de atrelado para bicicletas como uma boa alternativa funcional face aos actuais mecanismos existentes.
Palavras Chave: Bicicleta, Atrelado, Chassis, Protótipo.
II
ABSTRACT
Bicycles are still the greener and healthier means of transport in use and are extremely important for the sustainable mobility nowadays. These vehicles offer freedom, comfort and are ecological. However there are still some limitations that prevent their use in urban areas such as the difficulty in acquiring high velocities, slopes and the transportation of load. The aim of this work involved coupling an electric trailer in a bicycle allowing an easier and more comfortable way of movement of the set cyclist-bicycle-trailer. This trailer is a portable system with some capacity of load. The electrical and mechanical components that have to be included in the trailer have considerable weight and volume, being the greater concern in the development of the prototype. To get over these restrictions this work focused in developing a trailer made of lightweight materials to keep the weight of the vehicle at a low range. The geometry layout is also to be as simple as possible. It was made structural analysis taking into account the material selection of the chassis, the static design and the computational static simulation. The prototype was built at real scale and a computational dynamic simulation was made to be compared with experimental tests for performance interpretations of the system and for magnitudes quantification. It was found a satisfactory agreement with the experimental results which reinforce this prototype as a viable alternative for the current existent mechanisms.
Keywords: Bicycle, Trailer, Chassis, Prototype.
III
ÍNDICE AGRADECIMENTOS ............................................................................................................................... I RESUMO ................................................................................................................................................. II ABSTRACT ............................................................................................................................................ III ÍNDICE.................................................................................................................................................... IV LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................... VI LISTA DE TABELAS .............................................................................................................................. IX LISTA DE ACRÓNIMOS ........................................................................................................................ IX NOMENCLATURA .................................................................................................................................. X 1.
2.
INTRODUÇÃO ................................................................................................................................. 1 1.1
Objectivo .................................................................................................................................. 2
1.2
Estrutura .................................................................................................................................. 2
ESTADO DA ARTE .......................................................................................................................... 3 2.1
Atrelados para bicicletas ......................................................................................................... 3
2.2
Bicicletas eléctricas ................................................................................................................. 7
2.2.1
2.3 2.3.1
3.
Ciclística de veículos de duas rodas ..................................................................................... 11 Desempenho em travagem ............................................................................................................. 13
LAYOUTS DA COBERTURA DO ATRELADO .............................................................................. 15 3.1
Requisitos de projecto da cobertura do atrelado................................................................... 15
3.2
Concept Generation .............................................................................................................. 17
3.3
Concept Screening ................................................................................................................ 19
3.3.1
Conceitos melhorados ..................................................................................................................... 20
3.4
Concept Scoring .................................................................................................................... 22
3.5
Layout Final ........................................................................................................................... 24
3.5.1
4.
Vantagens / Inconvenientes das bicicletas eléctricas ...................................................................... 10
Desenho Esquemático..................................................................................................................... 25
ANÁLISE ESTRUTURAL ............................................................................................................... 27 4.1
Selecção de Material ............................................................................................................. 27
4.1.1
Requisitos de projecto para a selecção de material ........................................................................ 28
4.1.2
Mapas de Ashby .............................................................................................................................. 28
IV
4.1.3
Pré-selecção de materiais ............................................................................................................... 32
4.1.4
Índices de desempenho ................................................................................................................... 33
4.1.5
Material utilizado .............................................................................................................................. 35
4.2
Projecto Estático .................................................................................................................... 36
4.2.1
Propriedades do material ................................................................................................................. 36
4.2.2
Análise de Tensões ......................................................................................................................... 37
4.3 4.3.1
Modelação Numérica ............................................................................................................. 42 Procedimento de análise ................................................................................................................. 43
4.3.2 Resultados da simulação ...................................................................................................................... 45 4.3.3 Comparação com os materiais pré-seleccionados ............................................................................... 47
5.
METODOLOGIAS DE CONSTRUÇÃO ......................................................................................... 51 5.1
Chassis tubular circular ......................................................................................................... 51
5.2
Chassis tubular rectangular ................................................................................................... 52
5.2.1
6.
7.
Etapas da concepção e montagem ................................................................................................. 54
ANÁLISE DE CUSTOS .................................................................................................................. 61 6.1
Diagrama de produção .......................................................................................................... 62
6.2
Diagrama de precedências .................................................................................................... 63
6.3
Estações da linha de produção ............................................................................................. 64
6.4
Estimativa de custos .............................................................................................................. 64
RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................................................... 67 7.1 Modelação Dinâmica Computacional .......................................................................................... 67 7.1.1
Procedimento de análise ................................................................................................................. 67
7.1.2
Resultados da Modelação Dinâmica ............................................................................................... 68
7.1.3
Sugestões e Críticas........................................................................................................................ 71
7.2 7.2.1
8.
Testes Experimentais ............................................................................................................ 71 Resultados dos Testes Experimentais ............................................................................................. 72
7.3
Performance do veículo ......................................................................................................... 79
7.4
Validação ............................................................................................................................... 82
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ................................................................................. 83
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................................... 85 ANEXOS ................................................................................................................................................ 87
V
LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 – Bob Trailer ....................................................................................................................... 3 FIGURA 2.2 – Burley’s Nomad Cargo ..................................................................................................... 4 FIGURA 2.3 - Extrawheel ........................................................................................................................ 4 FIGURA 2.4 – Cougar Chariot ................................................................................................................ 4 FIGURA 2.5 – Tout Terrain ..................................................................................................................... 5 FIGURA 2.6 – Cabby Cargo, Gazelle ..................................................................................................... 5 FIGURA 2.7 – Trail-a-bike ....................................................................................................................... 6 FIGURA 2.8 – Carry Freedom Y-Frame.................................................................................................. 6 FIGURA 2.9 - Oxtail ................................................................................................................................. 7 FIGURA 2.10 – Tipos de bicicletas eléctricas a) BSEBs b) SSEBs ....................................................... 8 FIGURA 2.11 – Bibleta Eléctrica Schwin ................................................................................................ 8 FIGURA 2.12 – Bicicleta Eléctrica PAS Brace - Yamaha ....................................................................... 9 FIGURA 2.13 – Bicicleta Eléctrica Chamonix Innergy – Gazelle ............................................................ 9 FIGURA 2.14 – Modelos Portugueses de SSEBs a) Vortex b) Nexon ................................................. 10 FIGURA 2.15 – Efeito giroscópio .......................................................................................................... 11 FIGURA 2.16 – Cone imaginário ........................................................................................................... 12 FIGURA 2.17 – Equilíbrio de forças de meia roda, em curva ............................................................... 12 FIGURA 2.18 – Instante 1, linha recta .................................................................................................. 12 FIGURA 2.19 – Instante 2, alteração de trajectória pelo guiador ......................................................... 13 FIGURA 2.20 – Instante 3, inclinação da bicicleta ................................................................................ 13 FIGURA 3.1 – Concept Selection Process [12] .................................................................................... 15 FIGURA 3.2 – Layouts para o atrelado a) Referência b) Nave c) Pirâmide d) Gota e) Esfera (Solidworks [13]) .................................................................................................................................... 18 FIGURA 3.3 – Pirâmide a) disposição dos componentes b) disposição dos painéis solares .............. 19 FIGURA 3.4 – Pirâmide+ a) Vista Isométrica b) Vista Traseira c) Vista Lateral (Solidworks [13]) ....... 21 FIGURA 3.5 – Gota+ a) Vista Lateral b) Vista Lateral com componentes c) Vista de Topo com componentes d) Vista Isométrica (Solidworks [13]) .............................................................................. 22 FIGURA 3.6 – Layout Final a) Vista Isométrica b) Vista Isométrica com componentes c) Vista de Topo d) Vista de Topo com Componentes e) Vista Lateral (Solidworks [13]) ............................................... 24 FIGURA 3.7 – Desenho esquemático do Layout Final a) Vista Lateral b) Vista de Topo .................... 25 FIGURA 4.1 – Barra lateral interior (dimensões) .................................................................................. 27 FIGURA 4.2 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Flexão (classes de materiais) [14] ...... 29 FIGURA 4.3 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Cedência (índice material 1) [14] ....... 30 FIGURA 4.4 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Cedência (limitações/constrangimentos) [14] ......................................................................................................................................................... 30 FIGURA 4.5 – Mapa de Ashby: Densidade versus Módulo Young (índice material 1) [14] ................. 31 FIGURA 4.6 – Mapa de Ashby: Preço*Densidade versus Tensão de Flexão (índice material 1) [14] . 32 FIGURA 4.7 – Mapa Ashby: Preço*Densidade versus Tensão de Flexão (pré selecção) [14] ............ 33 VI
FIGURA 4.8 – Compatibilidade Material – Processo [15] ..................................................................... 35 FIGURA 4.9 – Perfil da secção rectangular com altura h, largura b e espessura e ............................. 36 FIGURA 4.10 – Componentes em estudo a) Pormenor do chassis b) Modelo do conjunto ................ 38 FIGURA 4.11 - Esquema dos componentes constituintes do chassis (Solidworks [13]) ...................... 38 FIGURA 4.12 – Distribuição de forças sobre a barra lateral interior ..................................................... 39 FIGURA 4.13 – Diagrama de corpo livre (secções a vermelho) ........................................................... 39 FIGURA 4.14 – Diagrama de Esforço Transverso ................................................................................ 40 FIGURA 4.15 – Diagrama de Momento Flector .................................................................................... 41 FIGURA 4.16 – Apoios Fixos a) furos roda e motor b) mecanismo de ligação atrelado-bicicleta ........ 43 FIGURA 4.17 – Carregamento da estrutura (roxo) e apoios (verde) .................................................... 44 FIGURA 4.18 – Representação da malha ............................................................................................. 45 FIGURA 4.19 – Diagrama de Tensão de Von Mises - Liga Alumínio 6063-T5,
........................... 45
FIGURA 4.20 – Zona crítica de Tensão a) Detalhe do furo roda b) Gráfico da evolução da Tensão Von Mises pelos Nós do furo ........................................................................................................................ 45 FIGURA 4.21 – Representação da Extensão - Liga Alumínio 6063-T5,
a) Diagrama b) Detalhe da
zona crítica ............................................................................................................................................ 46 FIGURA 4.22 – Diagrama de Deslocamento – Liga Alumínio 6063-T5 ................................................ 46 FIGURA 4.23 – Diagrama de Factor de Segurança, n – Liga Alumínio 6063-T5 ................................. 47 FIGURA 4.24 - Diagrama de Extensão – Aço Carbono AISI 1030 ....................................................... 47 FIGURA 4.25 - Diagrama de Extensão – Ferro Fundido P 60-03......................................................... 48 FIGURA 4.26 - Diagrama de Factor de Segurança – Aço Carbono AISI 1030 .................................... 48 FIGURA 4.27 - Diagrama de Factor de Segurança – Ferro Fundido P 60-03 ...................................... 49 FIGURA 5.1 – Chassis tubular circular a) Vista Frontal b) Vista Lateral c) Vista Dimétrica ................. 51 FIGURA 5.2 – Chassis tubular circular com componentes (Solidworks [13]) ....................................... 52 FIGURA 5.3 – Chassis tubular rectangular a) Vista Frontal b) Vista Lateral c) Vista Isométrica ......... 53 FIGURA 5.4 – Desenho do chassis para construção, dimensões em [mm] ......................................... 54 FIGURA 5.5 – Corte do perfil a) marcação com suta b) avanços graduais .......................................... 55 FIGURA 5.6 – Alinhamento dos perfis .................................................................................................. 55 FIGURA 5.7 – Pré-ensaio da estrutura ................................................................................................. 56 FIGURA 5.8 – Furação do perfil de Alumínio 6063-T5 ......................................................................... 56 FIGURA 5.9 – Desenho da barra lateral interior com furos (numerados), dimensões em [mm] .......... 57 FIGURA 5.10 – Abertura adicional de rasgos nos furos ....................................................................... 57 FIGURA 5.11 – Soldadura do chassis .................................................................................................. 58 FIGURA 5.12 – Tubo vertical e peça em L ........................................................................................... 58 FIGURA 5.13 – Suporte das baterias a) Quinagem b) Caixa e suporte em U ..................................... 59 FIGURA 5.14 – Mecanismo ligação bicicleta-atrelado .......................................................................... 60 FIGURA 5.15 – Chassis montado para testes experimentais, duas vistas .......................................... 60 FIGURA 6.1 – Funções típicas num sistema produtivo [24] ................................................................. 61 FIGURA 6.2 – Diagrama de produção do chassis ................................................................................ 62 FIGURA 6.3 – Diagrama de precedências de tarefas ........................................................................... 63
VII
FIGURA 6.4 – Estações da linha de produção ..................................................................................... 64 FIGURA 7.1 – Modelação dinâmica computacional em recta com lomba ............................................ 67 FIGURA 7.2 – Sequência da animação dinâmica computacional ........................................................ 68 FIGURA 7.3 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (x) versus Tempo ........................................ 69 FIGURA 7.4 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (y) versus Tempo ........................................ 69 FIGURA 7.5 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (z) versus Tempo ........................................ 69 FIGURA 7.6 – Ensaio Computacional: Velocidade Linear (y) versus Tempo ....................................... 70 FIGURA 7.7 – Ensaio Computacional: Posição Vertical Atrelado versus Tempo ................................ 70 FIGURA 7.8 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (x) versus Tempo ................ 73 FIGURA 7.9 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (y) versus Tempo ................ 73 FIGURA 7.10 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (z) versus Tempo .............. 73 FIGURA 7.11 – Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (x) versus Tempo ......................... 74 FIGURA 7.12 – Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (y) versus Tempo ......................... 74 FIGURA 7.13 - Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (z) versus Tempo .......................... 74 FIGURA 7.14 - Ensaio em LOMA com motor: Aceleração linear (x) versus Tempo [0 aos 3s] ........... 75 FIGURA 7.15 - Zona inicial: Aceleração linear (z) versus Tempo ........................................................ 75 FIGURA 7.16 - Zona lomba: Aceleração linear (z) versus Tempo........................................................ 76 FIGURA 7.17 - Zona final: Aceleração linear (z) versus Tempo ........................................................... 77 FIGURA 7.18 - Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (x) versus Tempo .................. 77 FIGURA 7.19- Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (y) versus Tempo ................... 77 FIGURA 7.20 - Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (z) versus Tempo .................. 78 FIGURA 7.21 - Ensaio em lomba com motor: Velocidade linear (y) versus Tempo [0 aos 7,5s] ......... 78 FIGURA 7.22 – Detalhes da posição dos acelerómetros a) bicicleta b) atrelado ................................. 79 FIGURA 7.23 – Componentes utilizados nos ensaios experimentais .................................................. 80 FIGURA 7.24 – Deslocamento vertical do atrelado .............................................................................. 80 FIGURA 7.25 – Oscilação lateral do atrelado a) Vista de traseira b) Vista lateral ................................ 80 FIGURA 7.26 – Ignição do motor com auxílio de outra pessoa ............................................................ 81
VIII
LISTA DE TABELAS TABELA 2.1 - Vantagens / Desvantagens das bicicletas eléctricas ..................................................... 11 TABELA 3.1 – Quantidade, dimensões e massa dos componentes do atrelado ................................. 16 TABELA 3.2 – Concept Screening dos layouts ..................................................................................... 20 TABELA 3.3 – Escala de pontuação (Concept Scoring) ....................................................................... 22 TABELA 3.4 – Concept Scoring dos layouts ......................................................................................... 23 TABELA 4.1 – Requisitos de projecto para seleccionar o material ...................................................... 28 TABELA 4.2 – Propriedades dos materiais pré seleccionados ............................................................. 33 TABELA 4.3 – Pesos das propriedades ................................................................................................ 34 TABELA 4.4 – Índices ponderados das propriedades .......................................................................... 34 TABELA 4.5 – Composição química da liga EN AW 6063 [18] ............................................................ 36 TABELA 4.6 – Propriedades Mecânicas da liga EN AW 6063-T5 ........................................................ 37 TABELA 4.7 – Dimensões do perfil ....................................................................................................... 37 TABELA 4.8 – Quantidade, massa e peso dos componentes suportados pelo chassis ...................... 37 TABELA 4.9 – Propriedades da malha ................................................................................................. 44 TABELA 6.1 – Operações, Precedências, Tempos normais e Recursos da linha de produção .......... 63 TABELA 6.2 – Material e custo da estrutura metálica .......................................................................... 65 TABELA 6.3 – Elementos e custos dos componentes .......................................................................... 65 TABELA 6.4 – Componentes e custo total do conjunto ........................................................................ 66 TABELA 7.1 – Dados da utilização do filtro passa-baixo ...................................................................... 72 TABELA 7.2 – Observações aos testes experimentais ........................................................................ 81
LISTA DE ACRÓNIMOS AW
Especificação da série do Alumínio
CAD
Computer Aided Design
EN
Norma Europeia
ISO
International Organization for Standardization
MEF
Método dos Elementos Finitos
NP
Norma Portuguesa
IX
NOMENCLATURA
Área
Ope
Operador
Aceleração linear
Momento Estático de Área
Largura
Carga distribuída
Cadência
R
Força de reacção
Custo médio
Raio
Custo unitário
Tempo crítico
Módulo de elasticidade
Tempo normal
Espessura
Esforço transverso
Força
Volume
Módulo de corte
v
Velocidade linear
HB
Dureza de Brinell
Peso da propriedade
HH
Horas homem
Índice ponderado
HM
Horas máquina
Deslocamento
Altura
Extensão
Momento de inércia
Índice de desempenho
Tenacidade à fractura
Coeficiente de Poisson
Comprimento
Velocidade angular
Momento flector
Densidade
Máquina
Tensão normal
Índice material
Tensão de cedência
Massa
Tensão normal de flexão
máx
Máximo
Tensão de ruptura
mín
Mínimo
Tensão efectiva de Von Mises
Nmáq
Número de máquinas
Tensão de corte de esforço
Número de operadores
transverso
I
L
Máq
Factor de segurança
X
1. INTRODUÇÃO
A mobilidade sustentável é cada vez mais importante nos dias de hoje, sendo crucial para concretizar as metas europeias no que se refere às emissões de gases do efeito de estufa. As bicicletas foram desde sempre, do ponto de vista da mobilidade, o transporte mais limpo, sustentável e saudável que existe. Mas, ainda assim, existem algumas limitações que impedem a disseminação das bicicletas, essencialmente em ambiente urbano, como por exemplo a dificuldade em atingir velocidades razoáveis, transportar carga ou ainda enfrentar declives. Uma possível solução consiste em acoplar um atrelado eléctrico a uma bicicleta para assim movimentar o sistema ciclista-bicicleta-atrelado, com menor esforço. Estes sistemas de atrelado eléctrico não são inovadores, existindo poucas soluções para o devido efeito. Mas, tipicamente estes sistemas não possuem qualquer forma de recuperação de energia, baseando-se o alcance da sua deslocação, na carga das baterias que são carregadas no início de cada viagem. Adicionalmente, a motorização deste tipo de sistemas é por norma feita com motores de ímanes permanentes, que em caso de se desligarem por opção ou por falta de carga nas baterias, o mesmo produz um grande arrasto ao pedalar do ciclista e consequentemente produz perdas significativas de energia. A inovação da solução do presente trabalho, consiste em adicionar sistemas de recuperação de energia como travagem regenerativa. Outra nota de inovação é o uso para motorização, de máquinas síncronas em vez de motores com ímanes permanentes, que permitem controlar a travagem regenerativa e evitar com isso o arrasto electromagnético do motor quando desligado. No entanto, esta solução implicou a utilização de um motor mais pesado e menos compacto do que os homólogos com ímanes permanentes, e como tal, de modo a que o sistema tenha viabilidade como produto, o projecto da estrutura de suporte do atrelado (chassis) foi uma prioridade. Este sistema de veículo abrange a temática de mobilidade e urbanismo, uma vez que é uma solução de mobilidade ideal para curtas distâncias e em especial para zonas onde se deseja minimizar o impacto ecológico. Constitui um meio de transporte útil, completamente sem emissões e economicamente viável para curtas distâncias. Em termos técnicos, este atrelado será acoplado no selim da bicicleta, e terá baterias de acordo com o alcance que se desejar. Irá movimentar-se através de um único motor eléctrico, que é acoplado à roda do atrelado por intermédio de uma corrente de transmissão. Terá ainda espaço para o transporte de carga e a estrutura será feita em materiais leves. Os componentes constituintes do atrelado, desde o motor eléctrico, baterias, roda e electrónica são passíveis de realizar ou encontrar no mercado nacional.
1
1.1 Objectivo
O objectivo principal do trabalho incide sobre a modelação e desenvolvimento de uma estrutura compacta capaz de sustentar e acomodar vários sistemas eléctricos e mecânicos de um atrelado a fim de impulsionar uma bicicleta. A concepção do modelo desenvolvido à escala real é também um requisito da presente dissertação de mestrado. O estudo focou-se numa análise estrutural englobando a selecção do material, o projecto estático e modelação numérica para posterior validação e confirmação da funcionalidade por intermédio de testes experimentais, tendo o intuito de desenvolver uma estrutura viável e economicamente competitiva face a sistemas semelhantes.
1.2 Estrutura
A presente dissertação é composta por oito capítulos. O capítulo 1 apresenta-se como uma introdução ao trabalho, referenciando o seu enquadramento, motivação e os objectivos que se pretendem satisfazer. No capítulo 2 é realizada uma revisão bibliográfica, falando do que já existe sobre esta temática, abordando os paradigmas do modelo em estudo e a sua ciclística. De seguida, o capítulo 3 revela um estudo e análise dos vários layouts desenvolvidos para a cobertura de atrelado, até se chegar à proposta final de cobertura. No capítulo 4 é feita uma análise de tensões para um modelo analítico e para um modelo de elementos finitos, bem como uma selecção do material a ser usado no chassis da estrutura do atrelado. O capítulo 5 incide sobre a parte prática da concepção do chassis, onde são abordadas as metodologias e processos utilizados para se chegar ao produto pretendido. Posteriormente, no capítulo 6 é feita uma breve e aproximada estimativa de custos e tempos para a concepção e montagem do chassis. Paralelamente são apresentadas as estratégias produtivas e linhas de montagem. No capítulo 7 são apresentados os respectivos resultados experimentais bem como os resultados que provêm da simulação dinâmica computacional. É feita uma análise crítica e a comparação desses mesmos resultados. Aborda-se ainda a real ciclística e performance do conjunto. Por último, no capítulo 8 são expostas as mais importantes conclusões bem como propostas e melhoramentos sobre trabalhos futuros.
2
2. ESTADO DA ARTE Na esmagadora maioria das cidades Portuguesas, o automóvel ainda continua a ser o grande responsável ambiental pelo incumprimento das metas do Protocolo de Quioto, devido às emissões de gases de efeito de estufa e ainda responsável pelo congestionamento e ocupação das ruas. O estímulo, ao uso da bicicleta, pode contribuir para a diminuição de poluentes e para os seus efeitos inerentes, ajudando a atingir objectivos tais como a salvaguarda de recursos, cooperação, envolvimento e participação pública, respeito pelas necessidades sociais, económicas e ambientais. A prática do uso da bicicleta trará benefícios a médio e longo prazo na ajuda a resolução de problemas a nível ambiental, de transporte e trânsito. A Organização Mundial de Saúde (OMS) demonstra que a saúde é um dos factores cruciais que leva as pessoas a optarem pelo uso da bicicleta, seja para lazer ou como forma de mobilidade diária, sendo uma aposta na política de sustentabilidade em termos de saúde pública, física e mental [1].
2.1 Atrelados para bicicletas A bicicleta é um veículo muito comum em todo o mundo, devido à sua eficiência, baixo custo e versatilidade, sendo amplamente utilizada para transporte de pessoas e de cargas. Existem já, muitos e diferentes métodos de carregar cargas nas bicicletas, com um peso e volume limitados pela segurança do veículo e tendo em conta a estabilidade e controlo do mesmo. Está-se a falar de atrelados para bicicletas, que são dispositivos auxiliares dos veículos, podendo ser utilizados para várias funções e assim aumentando a utilidade destes no dia a dia. As oito marcas que mais se destacam no mercado internacional, tendo a opção de atrelado para bicicleta, são [2]: Este
Bob Trailer atrelado
é
bastante
conhecido
em
cicloturismo
por
ser
robusto,
pesando
aproximadamente 8 kg e constituído por uma roda. Pode ser usado para necessidades de transporte de compras ou outros objectos pesados, conseguindo carregar até 50 kg. Tem a vantagem de poder ser colocado ao contrário e servir de mesa. É composto de um saco impermeável amarelo visível a longa distância (figura 2.1).
FIGURA 2.1 – Bob Trailer
3
Burley’s Nomad Cargo
Este atrelado contém duas rodas e é muito conhecido no mercado internacional. Pesa cerca de 7 kg e é bastante flexível, conseguindo armazenar muita coisa dentro dele. Transporta cargas até 80 kg e a cobertura nele envolvido não é totalmente impermeável (figura 2.2).
FIGURA 2.2 – Burley’s Nomad Cargo
Extrawheel
O Extrawheel já foi alvo de vários prémios internacionais, marcando a diferença por ter a roda do atrelado do mesmo tamanho da roda da bicicleta, absorvendo melhor os impactos. Este atrelado de marca Polaca apresenta um baixo peso de 4 kg, comporta-se bem tanto em cidade como em offroad e ainda tem uma colocação fácil na bicicleta (figura 2.3).
FIGURA 2.3 - Extrawheel
Cougar Chariot
Este dispositivo é um atrelado para transporte de crianças, de duas rodas e com total impermeabilidade. O seu peso ronda os 12 kg, tem suspensão e pode ser utilizado como carro de bebé (se for desacoplado da bicicleta). Tem bastante espaço no seu interior, tendo capacidade e conforto para levar duas crianças (figura 2.4).
FIGURA 2.4 – Cougar Chariot
4
Tout Terrain
O Tout Terrain é um atrelado também para crianças e é composto por uma só roda. É usado em off road, leve, pequeno e apresenta suspensão hidráulica. Foi concebido essencialmente para uso offroad. O seu preço de venda ao público é bastante elevado (figura 2.5).
FIGURA 2.5 – Tout Terrain
Gazelle
O modelo desta marca chama-se Cabby Cargo, é Holandês, e foi vencedor do prémio de Design Holandês em 2008. É um modelo familiar que suporta até duas crianças e inclui cintos de segurança. A caixa da bicicleta é descartável e dobrável. A capacidade de carga desta caixa vai até aos 75 kg. Apresenta pneus largos e dispõe de sete velocidades (figura 2.6) [3].
FIGURA 2.6 – Cabby Cargo, Gazelle
O ciclismo, por ser muito popular como desporto recreativo, é uma actividade muito praticada por famílias que assim podem incluir crianças nos percursos de bicicleta, utilizando atrelados para esse fim. Estes atrelados são uma opção cara para adicionar crianças em passeios familiares de bicicleta, mas são os dispositivos mais recomendados para este fim pela AAP (American Academy Pediatrics, 1994). As crianças que viajam nestes atrelados estão protegidas contra o sol, vento e chuva. Novos sistemas de suspensão têm sido criados para proporcionar uma condução mais suave. Os atrelados são equipados com alguns mecanismos de segurança e, em caso de acidente, as crianças estão protegidas com cintos, impedindo-as de cair. Normalmente estes atrelados são coloridos, com reflectores e bandeiras para melhorar a visibilidade do próprio ciclista e de outros que permanecem no percurso. Em termos de segurança, apenas os adultos devem operar as bicicletas com atrelado para crianças e é fundamental que estas crianças usem capacete para evitar qualquer tipo de lesão em caso de acidente. Tem que se ter em atenção que existe um peso adicional da criança e que a capacidade de manobrar a bicicleta pode mudar. O atrelado de bicicletas para
5
crianças constitui assim um meio importante para famílias se exercitarem em conjunto, especialmente para as crianças se tornarem mais activas, menos sedentárias e prevenir riscos de obesidade [4].
Outro tipo de estrutura que se pode acoplar às bicicletas são os chamados Trail-a-bike que são bicicletas para crianças sem a roda da frente (figura 2.7). São indicados para crianças entre os três e oito anos de idade. Os benefícios associados a esta estrutura de atrelado são a supervisão das crianças nos seus trajectos com os pais, a oportunidade da criança aprender a manobrar uma bicicleta tendo um papel mais activo e o facto de os pais poderem também ensinar conceitos sobre segurança em estrada [4].
FIGURA 2.7 – Trail-a-bike
Carry Freedom Y-Frame
Este modelo de atrelado tem formato rectangular e apresenta-se disponível em dois tamanhos, um mais pequeno de 6 kg com capacidade de aguentar até 45 kg e um modelo maior de 7 kg que suporta até 90 kg. Não inclui suspensões nem qualquer tipo de cobertura (figura 2.8).
FIGURA 2.8 – Carry Freedom Y-Frame
Oxtail
O modelo Oxtail é um atrelado básico, que dispensa amortecedores e construído com materiais leves, totalizando a estrutura 4,2 kg. É um atrelado Português que tem tido boas críticas em 6
revistas da especialidade. A ligação à bicicleta é feita através de um espigão no selim que é articulado na vertical e horizontal. O atrelado aguenta até 70 kg de carga (figura 2.9).
FIGURA 2.9 - Oxtail
Foram apresentados os modelos mais conhecidos e relevantes a nível mundial para atrelados de bicicleta, interessa também destacar paralelamente os modelos de bicicletas eléctricas existentes, fazendo a ponte com a temática desta dissertação.
2.2 Bicicletas eléctricas Uma bicicleta eléctrica (ou e-bike), como o próprio nome sugere, é uma bicicleta que contém um pequeno motor eléctrico, uma bateria que o alimenta e um sistema electrónico (controlador) que gere o funcionamento desse motor. O estudo da presente dissertação consistiu em modelar e construir um sistema de um atrelado eléctrico para bicicletas. Esta ideia alia conjuntamente as funções e vantagens dos atrelados às bicicletas eléctricas, num só sistema. De realçar ainda a portabilidade deste atrelado eléctrico, permitindo, se assim se desejar, o uso exclusivo da bicicleta sem ser afectada pela propulsão do motor envolvido no atrelado, funcionando como uma comum bicicleta. A ideia inovadora deste atrelado é a utilização de um alternador, um tipo de máquina (Claw Pole Machine) sem ímanes, que não provoca arrasto, permitindo controlar a travagem efectivamente de forma directa e é também um bom gerador para várias rotações. Outro destaque vai para a possível inclusão de um sistema de geração de energia limpa (painéis solares) no topo do atrelado e orientáveis de acordo com a posição do sol, que até então não existe para estes sistemas. Segundo o Código da Estrada Português, o motor não pode exceder a potência nominal de 250 W ou 0,34 CV. A velocidade não poderá exceder 25 km/h pela acção do motor, sendo que a esta velocidade o motor é automaticamente desligado. Outro aspecto é que o motor só entra em funcionamento depois de se pedalar (Anexos). Apesar de existirem alguns estilos de bicicletas eléctricas e características de desempenho, a tecnologia utilizada é a mesma. A maioria das bicicletas eléctricas divide-se em duas categorias, as “bicycle style electric bikes” (BSEBs) e as “scooter style electric bikes” (SSEBs) como pode ser visto na figura 2.10 [5]. 7
a)
b)
FIGURA 2.10 – Tipos de bicicletas eléctricas a) BSEBs b) SSEBs
As bicicletas eléctricas SSEBs são muito semelhantes a ciclomotores do tipo scooter, com pedais e apresentando grandes baterias sobre o estribo. Já as BSEBs assemelham-se a bicicletas, funcionando com baterias de menores dimensões e com um motor de potência inferior. Dentro da categoria BSEBs há ainda distinções de modelos eléctricos, para utilização urbana (com quadro baixo), utilização mista da bicicleta e em transportes públicos (bicicletas dobráveis) e utilização em percursos irregulares (bicicletas de montanha). Existem também soluções com três rodas englobando as duas categorias eléctricas evidenciadas na figura 2.10. As marcas de destaque a nível mundial, na categoria de bicicletas eléctricas, são [6]:
Schwinn
Esta é uma marca popular e tradicional nos EUA com mais de 100 anos de história, encontrando-se disponíveis quatro modelos do tipo eléctrico. São bicicletas eléctricas com um pequeno motor eléctrico no cubo da roda da frente com alimentação de bateria recarregável de cerca de 29V e 10A.h, instalada na parte traseira. O ciclista tem que movimentar a bicicleta até atingir 5 km/h para depois poder acelerar. O motor é controlado no punho direito do guiador, como se de uma mota se tratasse. Em descidas, quando não é necessária a utilização do motor, basta parar de acelerar para que o motor se desligue. Quando se atinge 25 km/h ou quando se efectuam travagens o motor é automaticamente desligado. O conjunto eléctrico envolvido aumenta 5,5 kg ao peso da bicicleta (figura 2.11).
FIGURA 2.11 – Bibleta Eléctrica Schwin
Yamaha
A marca Japonesa lançou em 2010 o modelo PAS Brace de bicicleta eléctrica com oito mudanças embutidas no cubo da roda de trás e com controlo automático. O ocupante do veículo tem a possibilidade de escolher três modos de viagem, o modo auto, power e auto eco plus. Estas 8
bicicletas são alimentadas com uma bateria de cerca de 26V e 4A.h. A velocidade máxima atingida por este veículo são 24 km/h e acima deste valor o motor é desligado (figura 2.12).
FIGURA 2.12 – Bicicleta Eléctrica PAS Brace - Yamaha
Gazelle
Este modelo é fabricado na Holanda segundo as normas para as melhores bicicletas eléctricas, sendo uma marca de excelência neste sector. Possuem um leque variado de modelos e encontram-se disponíveis no mercado Português desde 2009. Este modelo em especial, contém uma bateria de iões de lítio e um motor que permite um alcance médio de 40 a 75 km. A bateria pode ser carregada sem estar fixa à bicicleta, é removível. Esta bicicleta eléctrica apresenta sete velocidades e uma caixa de corrente completamente fechada para que não se propaguem sujidades ao utilizador das mesmas. O guiador, os amortecedores dianteiros, os suportes do selim e o assento são ajustáveis às necessidades de cada pessoa. O motor é virtualmente silencioso quando está a trabalhar. Atinge o limite máximo de 25 km/h (figura 2.13) [3]
FIGURA 2.13 – Bicicleta Eléctrica Chamonix Innergy – Gazelle
Em Portugal e nomeadamente no ramo das BSEBs, as principais marcas e representantes de bicicletas eléctricas, que têm maior destaque neste sector são a Locomotion, Ezee e E-bike. No segmento das bicicletas eléctricas que se assemelham a scooters (SSEBs), as escolhas Portuguesas resumem-se essencialmente a dois modelos: Vortex e Nexon (figura 2.14) [7].
9
a)
b)
b) – Modelos Portugueses de SSEBs a) Vortex b) Nexon FIGURA 2.14 c)
Vortex
Este modelo vem equipado com sistema de travagem regenerativa, ou seja, a energia cinética é convertida em energia eléctrica que se direcciona para carregar as baterias. O carregamento da bateria é feito através de um carregador externo ligado ao veículo. Contém um motor com 250W de potência e consegue fazer distâncias máximas de 35 a 50 km. Apresenta ainda um dispositivo de controlo de velocidade que confere algum conforto na condução. Como pontos fortes destacam-se o conforto e bom desempenho nas subidas e a grande desvantagem é mesmo o peso das baterias.
Nexon
O modelo Nexon tem reduzida autonomia, com a posição de condução um pouco desconfortável e apenas suporta um peso até 80 kg para o condutor. O motor eléctrico integrado tem potência de 250W, permitindo uma autonomia aproximada de 30/35 km e pode alcançar a velocidade máxima de 25 km/h. As baterias utilizadas são de chumbo com 48V e 10A.h. A vantagem deste modelo reside no seu preço, que é relativamente mais baixo que o valor comum para esta subcategoria de bicicletas eléctricas. As desvantagens são a autonomia, a posição dos pedais e a qualidade do veículo em geral.
Várias cidades europeias (Amesterdão, Barcelona, Bremen, Copenhaga, Edimburgo, Ferrare, Graz ou Estrasburgo) demonstram todos os dias que uma diminuição do uso do automóvel individual é um objectivo não apenas desejável mas também razoável. Estas cidades aplicam medidas que estimulam o uso dos transportes públicos, da bicicleta e a partilha de veículos, mas também medidas restritivas ao uso do automóvel individual nos seus centros [8].
2.2.1 Vantagens / Inconvenientes das bicicletas eléctricas
São apresentadas na tabela 2.1 as principais vantagens e desvantagens das bicicletas eléctricas.
10
TABELA 2.1 - Vantagens / Desvantagens das bicicletas eléctricas
BICICLETAS ELÉCTRICAS
Vantagens
Desvantagens
Oferecem liberdade, conforto e ao mesmo tempo são ecológicas.
Tornam-se ainda mais veículos de lazer face às normais bicicletas, não necessitando de uma condição física extrema, permitem assim a sua
Elevado custo para aquisição deste tipo de veículos.
Durabilidade das baterias e custo inerente à sua reposição.
categoria (BSEBs ou SSEBs), tornando mais difícil a
utilização em todas as gerações, desde os mais novos aos de mais idade.
No que diz respeito ao ambiente e em comparação
com
os
automóveis,
a atmosfera.
condução.
São limitadas pela autonomia, no que se refere à quantidade de quilómetros que estes veículos podem
estas
bicicletas não apresentam emissão de CO2 para
Peso do veículo, variando em cada caso e consoante a
percorrer.
São mais económicas que os carros, no que
Apenas podem alcançar a velocidade máxima de 25 km/h imposta pelo Código da Estrada Português.
respeita ao custo pelos quilómetros percorridos.
2.3 Ciclística de veículos de duas rodas Interessa também focar o enquadramento bibliográfico num breve estudo do comportamento destes veículos, que tem como base o efeito giroscópio. O efeito giroscópio é uma força de reacção que é aplicada sobre um eixo normal ao eixo de rotação, ou seja, quando em movimento for exercida certa força, a mesma irá reflectir-se num ponto situado a 90º, no sentido da rotação. Este fenómeno é fácil de se observar, fazendo-se rodar no seu eixo a roda de uma bicicleta (figura 2.15). Na prática, um corpo que roda a elevada velocidade tende a manter a posição do seu eixo de rotação inalterável, sendo que o efeito giroscópio é tanto maior quanto maior for essa velocidade de rotação e o peso do corpo. Quando o eixo é obrigado a mudar de posição, devido a uma força externa, este desloca-se como se a força fosse aplicada num ponto situado a 90º no sentido da rotação, ou seja, se se inclinar o eixo para a esquerda, a roda inclinar-seá não para o lado que se pretendia, mas para cima ou para baixo, consoante se tiver posto a rodar, respectivamente da direita para a esquerda ou vice-versa [9].
FIGURA 2.15 – Efeito giroscópio
11
Quando a bicicleta está em curva, há inclinação e o ponto de contacto do pneu com o pavimento constitui uma secção em forma de cone. Este cone imaginário é formado pela faixa de contacto do pneu com o pavimento, o eixo da roda e o centro do raio da curva (figura 2.16).
FIGURA 2.16 – Cone imaginário
Durante a curva de uma bicicleta, verifica-se um equilíbrio de forças, entre a gravidade (mantendo a roda no chão), a força centrífuga (que puxa a roda para fora da curva) e a força referente ao efeito giroscópio (que estabiliza as outras duas). A junção destas forças faz permanecer a roda no percurso em curva (figura 2.17).
FIGURA 2.17 – Equilíbrio de forças de meia roda, em curva
Avaliando a ciclística das bicicletas, o seu comportamento em curva é descrito sequencialmente de seguida em três instantes diferentes [10]:
Instante 1
Esta fase deve ser estabilizada. Corresponde ao repouso ou momento anterior à acção do ciclista entrar em curva (figura 2.18)
FIGURA 2.18 – Instante 1, linha recta
12
Instante 2
Alteração de trajectória ou momento de viragem do guiador. Existe a aplicação de uma força sobre o guiador de maneira a modificar o alinhamento das rodas e por isso provocar uma mudança na inclinação da bicicleta. Consoante se aumentar ou diminuir a inclinação existente, a bicicleta passará a descrever uma curva de raio menor ou uma curva de raio maior, respectivamente (figura 2.19).
FIGURA 2.19 – Instante 2, alteração de trajectória pelo guiador
A força no guiador é aplicada no sentido contrário à inclinação desejada, ou seja, quando se pretende inclinar a bicicleta para a direita, vira-se o guiador para a esquerda e vice-versa.
Instante 3
Momento de inclinação da bicicleta, onde os pontos de contacto dos pneus se colocam mais para fora do pavimento, de maneira a que esses mesmos pontos de contacto formem dois cones imaginários e a bicicleta passar-se-á a movimentar em trajecto de curva (figura 2.20).
FIGURA 2.20 – Instante 3, inclinação da bicicleta
2.3.1 Desempenho em travagem O desempenho em travagem é um índice também importante no que se refere à segurança de uma bicicleta. Perante uma emergência e a determinada velocidade em estrada, a acção de travagem pode resultar numa situação de bloqueio da roda e num escorregamento. Por isso, para se dimensionar um mecanismo seguro de travagem tem que se entrar em consideração com a relação de binário dos travões para os pneus. Assim, quanto maior for o atrito entre o pneu e o pavimento, melhor o controlo da bicicleta, favorecendo mais a desaceleração e diminuindo a distância de
13
travagem, de modo a aumentar a segurança. Quando se acciona o travão, a força de atrito aplicada para os discos de travão faz com que a roda se desloque mais devagar. Contudo, é a força de atrito entre o pneu e o pavimento que faz reduzir a velocidade à bicicleta e apresenta-se como um factor crucial para esta estar em segurança e sem derrapagem. Importante também, no que respeita a travões de bicicletas é garantir que o ciclista opera facilmente estes travões. Os travões são necessários para reduzir a velocidade à passagem por obstáculos, para manobras de segurança e também para manter a estabilidade transversal. Por isto, é de toda a importância que o ciclista controle a força de travagem de forma fácil e confortável [11].
14
3. LAYOUTS DA COBERTURA DO ATRELADO Na presente análise, serão apresentados os estudos referentes às várias propostas desenvolvidas para servirem de cobertura ao chassis do atrelado. Para isso foi-se ao encontro de estudos para selecção de conceitos que se interligam com a temática de Desenvolvimento de Produto e Empreendedorismo. As etapas até à escolha do conceito final são mostradas na figura 3.1.
FIGURA 3.1 – Concept Selection Process [12]
O passo inicial, Concept Generation, consiste numa geração de vários conceitos, ideias ou propostas a serem desenvolvidas. O método Concept Screening é o passo seguinte e, consiste de forma sequencial numa preparação da tabela de selecção, avaliação e classificação dos conceitos, possibilidade de combinar e melhorar os mesmos, seleccionar um ou mais e avaliação de resultados. São filtrados através deste método alguns conceitos. Posteriormente usa-se o método Concept Scoring que é abordado de forma sequencial e da mesma maneira que o anterior método, realçando que os conceitos inseridos aqui são os melhorados ou combinados. No final do Concept Scoring, temse a noção do conceito a ser desenvolvido e que, por fim terá que apresentar um Concept Test. Com este último passo pretende-se definir um propósito para o conceito, escolher uma população alvo para inquérito, escolher um formato de pesquisa, comunicar o conceito, responder ao cliente, interpretar resultados e reflectir sobre os resultados e processos. No fundo este Concept Test corresponde a um documento com descrições escritas do conceito, desenhos, fotos, renderings, simulações, multimédia interactiva, aparência física dos modelos e dos protótipos [12].
3.1 Requisitos de projecto da cobertura do atrelado Os requisitos a ter em conta no projecto da cobertura foram:
15
Volume dos componentes
A estrutura terá que ter dimensões que permitam uma adequada conjugação e enquadramento das baterias, motor, roda e parte electrónica no atrelado, com o objectivo de todo o conjunto ocupar o menor volume, direccionando-se para uma estrutura o mais portátil possível.
Peso dos componentes
Deverá ter-se em consideração uma distribuição de peso uniforme e simétrica dos componentes pertencentes ao atrelado. Terá de se concentrar maior peso na zona inferior do atrelado e mais afastada da bicicleta, de modo a proporcionar o efeito tail-heavy para dar maior tracção ao veículo. O centro de massas pretende-se que seja o mais baixo e também o mais atrás possível, novamente para que a estrutura possa ser tail-heavy.
Na tabela 3.1 mostram-se as principais dimensões, pesos e quantidade de componentes que englobam o atrelado e que foram tidos em conta como requisitos do projecto. TABELA 3.1 – Quantidade, dimensões e massa dos componentes do atrelado Comprimento Largura Altura Massa Componentes
Quantidade [mm]
[mm]
[mm]
[kg]
1
200
200
200
5
1
-
100
-
5
4
180
75
170
7
2
200
85
55
0,5
Alternador Bosch 28V 80A - 6033GB3054 Roda 17'' Bateria Lead Acid 12V 36A.h Controladores
Funcionalidade
Os componentes e a maneira como são ligados entre si, terão que estar dispostos para que haja total funcionalidade do conjunto do atrelado.
A posição da roda e do motor
A posição da roda e do motor terá que ser pensada, de modo a que o motor fique atrás da roda, para uma maior tracção do veículo. A roda do atrelado deverá estar centrada com a estrutura e alinhada com as rodas da bicicleta, mas, o motor não se encontrará centrado com a roda do atrelado, devido à sua não simetria e para se conseguir incluir de forma correcta a corrente de transmissão.
Características do motor
Foi utilizado o motor disponível pelo Instituto Superior Técnico no decorrer deste trabalho. O motor a utilizar era consideravelmente pequeno e relativamente leve, daí teve-se que desenvolver o 16
atrelado com um volume capaz de sustentar este componente. O motor teve uma boa capacidade de regeneração, e em consequência também a capacidade de recuperar energia. Permitiu uma travagem controlável e a possibilidade de se desligar. Boa eficiência e baixo custo foram também alcançados. Conseguiu-se um motor de alta fiabilidade, ou seja, com baixa probabilidade de falhas e nenhum efeito sobre desempenho do veículo em caso de falha do sistema.
Facilidade de construção
A facilidade de construção será um requisito a ter em conta e bastante importante no desenvolvimento da cobertura do atrelado, na medida em que há possibilidade de venda do produto. Para isso, tentar-se-á escolher formas simples de maneira a minimizar os custos associados à concepção e rentabilizar os tempos de processamento.
Estética
A estética ganhará alguma importância, tentando ir ao encontro de um produto com linhas harmoniosas, atraente e apelativo, de maneira a poder competir no mercado.
Custo
É objectivo primordial conceber um sistema com o menor custo possível.
3.2 Concept Generation
Inicialmente, foram pensadas e desenvolvidas quatro estruturas para fazer face às exigências de funcionalidade do atrelado, capacidade de carga e estética, que se encontram visíveis na figura 3.2. A Referência (figura 3.2 a)) correspondeu ao conceito de Helianto (girassol), que consistiu num primeiro modelo para um atrelado de bicicletas e que foi desenvolvido por alunos do Instituto Superior Técnico. Este conceito apresentou limitações ao nível da construção e aerodinâmica, possuiu formas regulares e apresentou-se como uma solução simples e básica. Tendo como ponto de partida este modelo, foram desenvolvidos no software Solidworks® novos modelos de cobertura de atrelado na tentativa de melhorar a solução inicial (figura 3.2 a)) que se tomou como referência. O modelo Nave (figura 3.2 b)) apresentou linhas harmoniosas e considerou-se esteticamente apelativo, permitindo no seu interior uma boa disposição dos componentes e da bagagem, possibilitando também a existência de porta/tampo lateral de acesso ao interior do atrelado. Os painéis solares poderiam permanecer no topo da estrutura, estando restringidos à curvatura do modelo. Este conceito possuiu algumas arestas vivas e a sua geometria é de certa forma complexa se se pensar em processamento e fabrico para obtenção desta cobertura. Outro inconveniente é o 17
facto de uma das extremidades ser mais larga que outra, que poderia constituir um problema à passagem por locais estreitos e onde, por exemplo, só passaria o guiador da bicicleta. Quanto ao modelo Pirâmide (figura 3.2 c)), este foi pensado para ter uma envolvência directa com a bicicleta, ou seja, a curvatura na parte inferior deste modelo serviu para a roda traseira da bicicleta envolver o atrelado, com uma ligeira folga. Todo o volume ocupado pela parte recta vertical serviu como divisão de bagagem, e foi desenvolvido de maneira a que não haja contacto com a bicicleta. As duas bases rectas horizontais, situadas na parte inferior da estrutura, estão dimensionadas pela largura das baterias para uma boa e equidistante disposição das mesmas ao longo dessas superfícies (figura 3.3 a)). A curvatura da própria estrutura tem como ideia principal a disposição dos painéis solares sobre a mesma, de modo a que, numa posição neutra, com a bicicleta imóvel os painéis estejam totalmente a cobrir a estrutura (figura 3.3 b)). Quando a bicicleta está em movimento e impulsionada pelo motor, os painéis solares poderão executar livremente o seu movimento. Tem a possibilidade de existência de uma tampa lateral ou de topo para armazenar bagagem, havendo hipótese ainda de possuir uma superfície transparente na zona dos componentes. A Gota (figura 3.2 d)) apresentou formas arredondadas e apelativas, sendo que as suas curvaturas podem ser impeditivas para se conjugar um mecanismo de tampo. No que se refere ao último modelo, a Esfera (figura 3.2 e)), possuiu um visual em forma de bolha. Pela sua forma esférica, poderia haver espaços no interior da estrutura que não teriam a devida utilidade ou função, havendo desperdício de volume. Para além disso, a inserção de painéis solares seria difícil, pois quando em funcionamento poderiam colidir facilmente com a estrutura.
a)
b)
c)
d)
e)
FIGURA 3.2 – Layouts para o atrelado a) Referência b) Nave c) Pirâmide d) Gota e) Esfera (Solidworks [13])
18
a)
b)
FIGURA 3.3 – Pirâmide a) disposição dos componentes b) disposição dos painéis solares
Os conceitos desenvolvidos para cobertura de atrelado foram explicados e descritos anteriormente, assim como algumas vantagens e inconvenientes dos mesmos, de modo a que possa ser feita uma análise para se poder chegar à escolha do modelo mais viável para satisfazer as exigências.
3.3 Concept Screening
Com o objectivo de rastrear alguns conceitos de cobertura para o atrelado, utilizou-se o método Concept Screening que consistiu numa ferramenta útil para identificar e melhorar os mais fortes de todos os layouts.
Comparou-se cada um dos quatro conceitos face aos critérios de selecção, facilidade de adaptação à bicicleta, estética, acomodamento de bagagem, portabilidade, peso, funcionalidade, simetria, acesso ao tampo, facilidade de colocação de painéis solares, arestas vivas, acomodamento dos componentes e facilidade de construção. Com isto, pôde-se seleccionar os modelos que seriam a melhor solução para a respectiva aplicação. Durante a triagem de modelos, utilizou-se uma tabela de pontuações para diminuir o número de conceitos envolvidos. Assim, neste processo, cada conceito teve uma pontuação para cada critério, seja positivo (+), neutro (0) ou negativo (-). Somaram-se as pontuações de cada modelo para se obter a pontuação total e avaliar os conceitos que melhor satisfaziam as exigências. O método utilizado constituiu assim uma ajuda de forma rápida para testar algumas ideias de novos conceitos de produto, e, identificar os modelos que são dignos de avaliação e desenvolvimento.
Indo ao encontro do método Concept Screening, obteve-se assim, uma ajuda relevante na escolha dos modelos desenvolvidos, que em seguida se apresenta na tabela 3.2.
19
TABELA 3.2 – Concept Screening dos layouts VARIANTES CONCEPTUAIS CRITÉRIOS
Referência
Nave
Pirâmide
Gota
Esfera
0
+
+
+
+
0
+
+
+
+
0
-
+
+
-
Portabilidade
0
+
+
+
+
Peso
0
+
+
-
-
Funcionalidade
0
+
+
+
+
Simetria
0
+
+
+
+
Acesso ao tampo
0
-
+
-
-
0
+
+
+
-
0
-
-
+
+
0
+
+
-
-
0
-
-
+
+
Mais
8
10
9
7
Menos
4
2
3
5
Zero
-
-
-
-
Resultado
4
8
6
2
Ranking
3º
1º
2º
4º
Continua?
Não
Sim
Sim
Não
Facilidade de adaptação à bicicleta Estética Acomodamento da bagagem
Facilidade de colocação de painéis solares Arestas vivas Acomodamento dos componentes Facilidade de construção
Analisando todos os modelos, verificou-se que o conceito deveria ter uma forma de Pirâmide ou de Gota, de modo a permitir a funcionalidade do conjunto, facilitar a colocação de painéis solares e ser portátil. Por outro lado, analisando o volume de cada formato, conclui-se que seria mais importante optar por opções que possuíssem menor volume com o objectivo de garantir o menor peso possível.
3.3.1 Conceitos melhorados Através da análise à tabela 3.2, restringiu-se os quatro diferentes formatos (Nave, Pirâmide, Gota e Esfera) para dois tipos de cobertura com alterações significativas (Pirâmide+ e Gota+). Estes novos conceitos foram melhorados a partir das suas origens (Pirâmide e Gota), foram alvo de prévios esboços para melhor se perceber a maneira de enquadrar os componentes e houve também algum cuidado ao nível estético.
20
O modelo Pirâmide+ pode ser observado na figura 3.4.
a)
b)
c) FIGURA 3.4 – Pirâmide+ a) Vista Isométrica b) Vista Traseira c) Vista Lateral (Solidworks [13])
O conceito Pirâmide+ apresentou algumas restrições estéticas, por forma a enquadrar e acomodar uniformemente os componentes necessários ao funcionamento do conjunto e dispor de uma boa capacidade de bagagem. Possui assim um grande volume de bagagem, separada em dois compartimentos (figura 3.4 c)). Permite ainda a colocação dos painéis solares na zona de topo inclinada do modelo (figura 3.4 a)). Contudo, isto origina um aumento da largura de todo o conjunto, que poderia ser um entrave à passagem por locais mais estreitos e onde só guiador possa passar. Em alternativa poderiam rodar-se a 90º estes painéis solares ou utilizar sistemas de menores dimensões. Para além disso, a portabilidade deste novo modelo foi afectada.
O modelo Gota+ pode ser observado na figura 3.5.
21
a)
b)
c)
d)
FIGURA 3.5 – Gota+ a) Vista Lateral b) Vista Lateral com componentes c) Vista de Topo com componentes d) Vista Isométrica (Solidworks [13])
O modelo Gota+ foi pensado para ter o mínimo volume possível de modo a conter os componentes necessários ao funcionamento do conjunto e alguma bagagem. A bagagem é reduzida, estando esse espaço dedicado à extremidade inferior do veículo junto ao motor e baterias (figura 3.5 c)). A disposição dos componentes fez com que o centro de massa se encontrasse atrás do eixo da roda (figuras 3.5 b) e c)), o que de certo modo, proporcionaria o efeito tail heavy, dando maior tracção ao veículo.
3.4 Concept Scoring Para refinar a escolha, foi-se de encontro ao método Concept Scoring, onde são atribuídos pesos relativos aos critérios de selecção, os quais são pontuados para cada conceito. É definido, como no método anterior (Concept Screening) o conceito de referência. Devido à maior competitividade entre os conceitos a serem seleccionados, é feita uma escala de pontuação mais detalhada, que vai de um a cinco (tabela 3.3). TABELA 3.3 – Escala de pontuação (Concept Scoring) Desempenho
Pontuação
Muito pior que a referência
1
Pior que a referência
2
Igual à referência
3
Melhor que a referência
4
Muito melhor que a referência
5
22
Tendo em conta agora o método Concept Scoring, aplicou-se as suas metodologias para as duas melhores soluções anteriormente referidas (Pirâmide+ e Gota+), ilustrado na tabela 3.4.
TABELA 3.4 – Concept Scoring dos layouts
VARIANTES CONCEPTUAIS Referência
CRITÉRIOS
Resultado PESO RATING Ponderado
Pirâmide +
Gota +
RATING
Resultado Ponderado
RATING
Resultado Ponderado
Facilidade de 3%
3
0.09
4
0.12
4
0.12
10%
3
0.3
4
0.4
5
0.5
3%
3
0.09
4
0.12
4
0.12
Portabilidade
10%
3
0.3
3
0.3
5
0.5
Peso
15%
3
0.45
4
0.6
5
0.75
Funcionalidade
20%
3
0.6
4
0.8
4
0.8
Simetria
8%
3
0.24
5
0.4
5
0.4
Acesso ao tampo
3%
3
0.09
4
0.12
4
0.12
7%
3
0.21
3
0.21
2
0.14
3%
3
0.09
3
0.09
5
0.15
3%
3
0.09
4
0.12
4
0.12
15%
3
0.45
2
0.3
2
0.3
adaptação à bicicleta Estética Acomodamento da bagagem
Facilidade de colocação de Painéis Solares Arestas vivas Acomodamento dos componentes Facilidade de construção
Resultado Total
3
3.58
4.02
Ranking
3º
2º
1º
Continua?
Não
Não
Desenvolver
O Resultado Ponderado da tabela 3.4 vem do produto de cada Peso (dos critérios) pelo Rating atribuído ao respectivo conceito. Assim, o Resultado Total de cada conceito provém do somatório dos Resultados Ponderados de cada conceito. Atribui-se pesos aos diferentes critérios para mostrar a importância que apresentam para o desenvolvimento da cobertura de atrelado para bicicletas. Evidenciaram-se com mais importância a funcionalidade (20%), o peso (15%), a facilidade de construção (15%), a portabilidade (10%), a estética (10%), a simetria (8%) e a facilidade de colocação de painéis solares (7%). Estes são os principais requisitos do produto em causa. De salientar ainda que, embora sejam relevantes, têm menor importância o acomodamento dos componentes (3%), as arestas vivas (3%), o acesso ao tampo (3%), a facilidade de adaptação à bicicleta (3%) e o acomodamento de bagagem (3%). Este foi um método bastante útil na escolha da melhor cobertura para o atrelado de bicicletas e, da análise da tabela 3.4 constatou-se que o produto a desenvolver seria o Gota+. Este conceito possui características de estética, baixo peso (tendo em conta o seu volume reduzido), muito boa
23
portabilidade, boa funcionalidade, simetria, um bom acesso ao tampo para o interior e poucas arestas vivas.
3.5 Layout Final Por fim, numa tentativa de optimização do modelo seleccionado para desenvolvimento (Gota+), teve-se em conta a facilidade de produção como principal factor a melhorar, optando por uma forma mais simples e que revelasse uma geometria adequada para suportar os componentes. A este novo e último conceito foi chamado de Layout Final (figura 3.6).
a)
b)
c)
d)
e) FIGURA 3.6 – Layout Final a) Vista Isométrica b) Vista Isométrica com componentes c) Vista de Topo d) Vista de Topo com Componentes e) Vista Lateral (Solidworks [13])
O Layout Final tem com isto, uma forma simples para produção, com uma base hexagonal, para inserção de um chassis onde irão assentar os componentes. Visto de lado, o modelo apresenta uma forma arredondada com curvatura, não possui chão e tem uma espessura fina de 2 mm para conferir um peso menor à cobertura. Tem a possibilidade de colocação de dobradiças num dos lados do chassis com ligação à cobertura e do lado oposto um sistema aparafusado de modo a proporcionar um mecanismo de abertura/fecho lateral do atrelado. De acrescentar ainda que, a inserção de painéis solares foi excluída, ou seja, estes não foram incluídos para o projecto de atrelado, tendo em conta o tempo e a disponibilidade para arranjar estes produtos no decorrer do desenvolvimento da presente dissertação.
24
3.5.1 Desenho Esquemático Como foi dito anteriormente, o atrelado tem que suportar um motor eléctrico, uma roda, baterias e parte electrónica de controladores e, como tal, desenvolveu-se como primeira aproximação a estrutura de cobertura do atrelado.
Na figura 3.7 é mostrado o desenho esquemático com as principais dimensões em [mm], para a produção da cobertura de atrelado.
a)
b) FIGURA 3.7 – Desenho esquemático do Layout Final a) Vista Lateral b) Vista de Topo
25
26
4. ANÁLISE ESTRUTURAL Neste capítulo é feita uma abordagem de análise estrutural ao chassis do atrelado onde serão focados assuntos como a selecção de material, o projecto estático com uma correspondente análise de tensões, bem como uma simulação estática computacional do protótipo.
4.1 Selecção de Material Os materiais sempre tiveram e continuam a ter um papel importante na vida da humanidade e é através de conhecimentos do ramo de Materiais em Engenharia que irão desenvolver-se estudos para a selecção de materiais da presente dissertação. Neste caso, irá tratar-se como projecto de análise, o chassis pertencente ao atrelado para bicicletas, onde serão analisados as partes constituintes do mesmo. A escolha do material para o chassis deve incidir sobre um material leve e resistente, para não acrescer muito peso à bicicleta e ao passageiro, não interferir tanto na sua dinâmica e ao mesmo tempo ser resistente a condições alheias. O custo também é um factor a ter em conta, na medida em que há perspectiva do produto ser posto no mercado. O chassis do atrelado deve suportar o peso dos componentes para o seu adequado funcionamento. A máquina eléctrica utilizada foi um alternador automotivo, também conhecido como clawpole alternator que é comumente utilizado como gerador e especialmente para sistemas de grande potência, mas também é usado como motor, sendo normalmente construído em tamanhos grandes, como o que foi utilizado nesta dissertação. A utilização deste tipo de máquina neste sistema de veículo traz vantagens significativas, mas o seu tamanho, aliado ao seu peso, requerem por isso uma escolha detalhada do material a usar na estrutura de chassis, que se pretende com o menor peso possível. O mesmo acontece com as baterias de chumbo, que apresentam um peso considerável, reforçando ainda mais a ideia da escolha de um material leve, para não acrescer ainda mais peso à estrutura com os componentes. Devido aos vários elementos constituintes do atrelado, opta-se por incidir essencialmente este estudo sobre a barra lateral interior (que sofre maiores esforços) e através disto englobar os restantes elementos conjuntamente na análise. Partiu-se como primeira aproximação que a barra lateral interior seria tratada como uma viga, com as dimensões em [mm],mostradas na figura 4.1.
FIGURA 4.1 – Barra lateral interior (dimensões)
27
Tendo em conta, que esta viga terá de suportar os componentes, pode-se desde já prever que esta vai estar sujeita a solicitações de flexão e corte. Estima-se um valor aproximado para a mínima tensão de flexão para a estrutura de chassis, tendo em conta as cargas aplicadas dos componentes:
.
Adoptando um coeficiente de segurança satisfatório para projecto de np = 2, uma estimativa aproximada é feita para o valor da tensão de cedência mínima que o material pode suportar:
.
4.1.1 Requisitos de projecto para a selecção de material Foi construída então a tabela 4.1 onde se explicam os principais parâmetros na selecção de materiais do chassis do atrelado.
TABELA 4.1 – Requisitos de projecto para seleccionar o material
Funções Objectivos
Constrangimentos
Variáveis Livres
Viga à flexão
Minimizar a massa
Minimizar custo
Resistência mecânica
Rigidez suficiente
Tenacidade à fractura satisfatória
Reciclável
Material
Escolha da espessura transversal, e
A selecção de materiais pode envolver algumas das decisões mais importantes tomadas no projecto de sistemas mecânicos.
4.1.2 Mapas de Ashby O nível de informações para a selecção de materiais vai desde as propriedades físicas básicas ao conhecimento prático de Ciência dos Materiais. Essa descrição vai limitar-se a dar conhecimentos básicos, como a selecção de materiais através de propriedades físicas que muitas 1
vezes permitem a optimização do projecto. A base das informações é o projecto de Ashby , que organizou os materiais através de grupos de propriedades que são os principais requisitos de escolha dos materiais nos projectos mecânicos. Os seus mapas de propriedades dos materiais mostram claramente quais materiais satisfazem da melhor maneira os vários grupos de propriedades. 1
Os mapas de Ashby (1992) são um meio efectivo de visualização das características de uma grande variedade de materiais e suas classes.
28
Tendo em conta que se pretende a menor massa possível é importante apresentar o diagrama de Ashby apresentando a densidade, onde se evidenciam as diferentes classes de materiais envolvidas (figura 4.2).
FIGURA 4.2 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Flexão (classes de materiais) [14]
4.1.2.1 Índices de material Com o intuito de minimizar a massa tem-se: (
(
(
) (
)
)
(4.1)
)
(
)
Minimizar a massa da viga significa maximizar:
(
(
) (
) (
)
)
(
)
(4.2)
(4.3)
(4.4)
(índice de material)
Este índice material, consistirá numa recta de constrangimento com declive 1 acima da qual estarão os materiais desejados (figura 4.3).
29
FIGURA 4.3 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Cedência (índice material 1) [14]
É mostrado na figura 4.4, as limitações/constrangimentos neste projecto, que são:
o
ced , min
o
M , min
o
K IC 20 MPa
o
Reciclável
10 MPa 5 MPa
m
FIGURA 4.4 – Mapa de Ashby: Densidade versus Tensão de Cedência (limitações/constrangimentos) [14]
De modo a obter uma rigidez satisfatória, teve-se em conta: (4.5)
30
(4.6)
Através da consulta de tabelas, verifica-se que, Como
(
(
)
(
(4.7)
)
(
)
)(
)
(4.8) (
)
(
Minimizar a massa da viga significa maximizar:
(
)
)( )
( )
(4.9)
(índice de material)
Isto corresponde a uma recta de constrangimento de declive 1 acima da qual estarão os materiais desejados (figura 4.5).
FIGURA 4.5 – Mapa de Ashby: Densidade versus Módulo Young (índice material 1) [14]
31
O custo do material é importante e quer-se o mínimo possível, uma vez que o produto ao ser posto no mercado, o seu preço de venda consistirá no custo do material, no custo de processamento para chegar á forma pretendida e podem ainda advir outros custos. Optimiza-se o custo substituindo ρ por Cm*ρ, e usando a dedução do índice de performance de material feito para a resistência σced, obtemos o índice com declive 1 (figura 4.6): Mm = ced Cm
(4.10)
FIGURA 4.6 – Mapa de Ashby: Preço*Densidade versus Tensão de Flexão (índice material 1) [14]
Na figura 4.6 e por cima da recta horizontal encontram-se todos os materiais com σM ≥ 5 MPa.
4.1.3 Pré-selecção de materiais
Encontra-se assim por fim, três grupos possíveis para seleccionar o material do chassis, que são as ligas de Alumínio, Aços carbono e Ferros Fundidos. A densidade por si só é um importante factor e juntamente com o custo constituem importantes parâmetros na escolha do material. O custo para estes três grupos de materiais é semelhante, sendo que as ligas de Alumínio apresentam uma densidade mais baixa quando comparadas com as restantes categorias de materiais. Dentro da classe das ligas de Alumínio foi pré seleccionada a liga 6063-T6 por apresentar as características mais satisfatórias ao projecto, assim como o Ferro Fundido P 60-03 e o Aço Carbono AISI 1030. Tendo em conta os constrangimentos já citados, restringe-se assim a escolha para três materiais, que se apresentam na figura 4.7.
32
FIGURA 4.7 – Mapa Ashby: Preço*Densidade versus Tensão de Flexão (pré selecção) [14]
4.1.4 Índices de desempenho Uma avaliação em termos de índices desempenho será feita agora de modo a melhor concluir quanto à escolha do material, de entre os três mencionados anteriormente.
Características a considerar por ordem decrescente de importância são: 1. Densidade, 2. Tenacidade á fractura, KIC 3. Tensão de cedência, 4. Custo unitário, €/kg 5. Rigidez, E TABELA 4.2 – Propriedades dos materiais pré seleccionados
Liga de Alumínio 6063-T6 3
3
AISI 1030
Ferro Fundido P 60-03
7,9 x 103
7,2 x 103
Aço ao Carbono
ρ [kg/m ]
2,7 x 10
KIC [MPa.m1/2]
34
45
44
σced [MPa]
210,5
580
483
Custo Unitário [€/kg]
1,8
0,5
0,4
E [GPa]
71,3
212
164,5
Quanto aos critérios de escolha estipulou-se que a densidade seja o parâmetro critico, logo seguido da tenacidade á fractura, tensão de cedência, custo unitário e rigidez (tabela 4.2). É construída a tabela 4.3 como auxilio aos cálculos de índices de desempenho. 33
São estabelecidos os índices de ponderação:
As combinações possíveis são 5
(5 - 1) / 2 = 10
TABELA 4.3 – Pesos das propriedades
1-2 1-3 1-4 1-5 2-3 2-4 2-5 3-4 3-5 4-5
αi
1 - Densidade
1
1
1
1
-
-
-
-
-
-
4/10
2 - KIC
0
-
-
-
1
1
1
-
-
-
3/10
3 - σced
-
0
-
-
0
-
-
1
1
-
2/10
4 - Custo Unitário
-
-
0
-
-
0
-
0
-
0,5
1/20
5 - Módulo Young
-
-
-
0
-
-
0
-
0
0,5
1/20
Uma análise de índices de desempenho foi feita através de uma tabela de índices ponderados (tabela 4.4). Esta revelou que a Liga de Alumínio 6063-T6 tem o maior índice de desempenho, dado por:
i
i
(4.11)
Para o cálculo do índice ponderado de propriedades β: β = (Valor numérico da propriedade / Maior valor em questão) X 100 ou β = (Menor valor da propriedade / Valor numérico da propriedade) X 100 Calculando para cada um dos materiais vem:
= = = TABELA 4.4 – Índices ponderados das propriedades
Liga Alumínio 6063-T6 Aço Carbono AISI 1030 Ferro Fundido P 60-03 αi
β1
β2
β3
β4
β5
γ (%)
100
76
36
22
34
72,80
34
100
100
80
100
72,60
38
98
83
100
78
70,10
4/10
3/10
2/10
1/20
1/20
Material seleccionado: Liga Alumínio 6063-T6 34
4.1.5 Material utilizado
Foi feita uma vasta pesquisa de eventuais fornecedores nacionais para obtenção deste material com o tratamento térmico especificado. Conseguiu-se através da empresa L.A. ALUMÍNIOS efectuar a requisição deste material embora só estivesse disponível o mesmo com tratamento T5, que apresenta semelhanças com o material seleccionado T6, contendo também propriedades satisfatórias ao projecto especificado.
Material utilizado na construção do chassis: Liga de Alumínio 6063-T5
O tratamento térmico T5 corresponde a envelhecimento artificial e o tratamento T6 à solubilização e envelhecimento artificial.
Já encontrado o material a utilizar para a concepção do chassis, é fundamental agora, entender que processos se ajustarão melhor para trabalhar o material. Encontram-se listados na figura 4.8 as três partes de selecção do processo de fabrico, que são, a forma, a ligação e o acabamento.
FIGURA 4.8 – Compatibilidade Material – Processo [15]
35
4.2 Projecto Estático 4.2.1 Propriedades do material O material utilizado na construção do chassis, adquirido na empresa L.A ALUMINÍOS foi a liga de Alumínio EN AW 6063 respeitando a norma NP EN 573-1:1996 [16] com tratamento térmico T5. A liga de Alumínio EN AW 6063 é de baixo peso aliado a elevada resistência mecânica tendo uma eleva resistência à corrosão atmosférica e química. É fácil de fabricar e de soldar tendo também uma protecção não-tóxica face á humidade e vapor. É reciclável e de fácil manuseamento devido á baixa resistência á rotura. Apresenta boa condução térmica e eléctrica não sendo magnético. Tem a capacidade de reflectir a luz e ondas de calor. De acordo com a NP EN 573-3:1996 [17], esta liga apresenta a composição química apresentada na tabela 4.5.
TABELA 4.5 – Composição química da liga EN AW 6063 [18] Elemento
Quantidade [%]
Silício [Si]
0,20 - 0,60
Ferro [Fe]
0,35
Cobre [Cu]
0,1
Manganês [Mn]
0,1
Magnésio [Mg]
0,45 - 0,90
Crómio [Cr]
0,1
Zinco [Zn]
0,1
Titânio [Ti]
0,1
Outros - Cada
0,05
Outros - Total
0,15
Alumínio [Al]
restante
O varão utilizado na construção do chassis tem um perfil de secção rectangular apresentado na figura 4.9. y
x
h
e=
b
FIGURA 4.9 – Perfil da secção rectangular com altura h, largura b e espessura e
36
O perfil foi comprado através desta empresa e em tamanho standard, ou seja, um varão 6,35 m deste perfil foi requisitado, com um total de aproximadamente 6 kg. Este tipo de perfis é fabricado por extrusão segundo a norma ISO 9001:2000. Para o desenvolvimento do chassis foram utilizados aproximadamente 4 m deste varão, totalizado aproximadamente 3 kg de material para a construção. A tabela 4.6 apresenta as propriedades mecânicas da liga EN AW 6063-T5, de acordo com a norma NP EN 755-2:1999 [19]. TABELA 4.6 – Propriedades Mecânicas da liga EN AW 6063-T5
EN-AW 6063-T5
Tensão de
Tensão de
Módulo de
Módulo de
Cedência
Rotura
Elasticidade
Corte
[MPa]
[MPa]
E [GPa]
G [GPa]
120
167,5
68,9
25,8
Coeficiente de Extensão de Poisson
Dureza de
Rotura
Brinell
[%]
[HB]
5,5
52,5
0,33
Densidade ] 2,7
As dimensões do perfil utilizado são apresentadas na tabela 4.7. TABELA 4.7 – Dimensões do perfil
Área
Perfil
Altura (h)
] 40 x 20 x 3
324
]
]
18892
60812
Largura (b) Espessura (e)
[mm]
[mm]
[mm]
40
20
3
4.2.2 Análise de Tensões O chassis suporta componentes que irão permitir a funcionalidade do conjunto, sendo que cada um destes exerce determinado peso sobre a estrutura. As baterias de chumbo com 12V e 36A.h utilizadas neste protótipo foram as disponíveis no momento do desenvolvimento desta dissertação e foram suficientes para satisfazer os resultados pretendidos. O alternador Bosch 28V 80A - 6033GB3054 foi uma boa solução para a geração de energia e paralelamente atingir um bom desempenho como motor eléctrico, conciliando ao mesmo tempo com um baixo custo do equipamento. Contudo, estes componentes, alternador e baterias, foram os que conferiram um maior acréscimo de peso no chassis a desenvolver (tabela 4.8).
TABELA 4.8 – Quantidade, massa e peso dos componentes suportados pelo chassis
Componentes
Quantidade
Massa [kg]
Peso [N]
Bateria Lead Acid 12V 36A.h
4
7
68,7
Controlador
2
0,5
4,9
Roda 17’’
1
5
49,1
Alternador Bosch 28V 80A – 6033GB3054
1
5
49,1
37
As barras que sofrem os principais esforços por parte dos componentes são a lateral e a lateral interior (figura 4.10 a)). Barra lateral Barra lateral interior Barra oblíqua
Barra
esquerda
oblíqua direita
a)
b) FIGURA 4.10 – Componentes em estudo a) Pormenor do chassis b) Modelo do conjunto
É importante realizar uma análise de projecto estático, avaliando as tensões principais e o coeficiente de segurança necessário ao projecto, e, para isso analisou-se a barra lateral interior que é a que sofre maiores solicitações. Numa análise simplificada, a barra lateral interior está sujeita a cargas distribuídas uniformes por parte das baterias, uma carga distribuída uniforme por parte dos controladores, cargas concentradas devido aos eixos do motor, uma carga concentrada contabilizando toda estrutura na posição do eixo da roda e ainda uma carga concentrada que constitui uma reacção devida ao mecanismo de ligação bicicleta ao atrelado (figura 4.11).
FIGURA 4.11 - Esquema dos componentes constituintes do chassis (Solidworks [13]) 38
A distribuição de forças sobre a barra lateral interior é mostrada na figura 4.12.
RA
PT/2
qB/2
qB/2
PM/4 PM/4 qC/2
RB
FIGURA 4.12 – Distribuição de forças sobre a barra lateral interior
Este modelo de diagrama de corpo livre é simplificado, decompondo-se e aproximando-se as cargas distribuídas a cargas concentradas no centróide da sua secção.
Os valores destas cargas distribuídas são:
q B / 2 190 , 6 N / m
(4.12)
q C / 2 11 , 4 N / m
(4.13)
O diagrama de corpo livre apresenta-se na figura 4.13:
RA PB/2
PT/2
PB/2
PM/4
PC/2 PM/4
RB
A
1
2,B
3
4
5
6
FIGURA 4.13 – Diagrama de corpo livre (secções a vermelho)
39
As forças envolvidas são:
Em que, P
T/2
F1 PB / 2 34 ,3 N
(4.14)
F 2 PT / 2 210 ,9 N
(4.15)
F 3 PM
12 ,3 N
(4.16)
F 4 PC / 2 2 ,5 N
(4.17)
/4
= peso total da estrutura / 2 ; P
B/2
= peso bateria / 2 ; PM/4 = peso motor / 4 ;
P C/2 = peso controlador / 2 As reacções, RA e RB são dadas por:
F
y
0 R A 2 F1 F 2 2 F 3 F 4 R B 0 R A 306 , 6 R B
M
A
(4.18)
0 (4.19)
F1 1,15 F2 1, 21 R B 1, 21 F1 1,38 F3 1,55 F4 1,58 F3 1, 645 0
R B 318 , 4 N
(4.20)
R A 11 ,8 N
(4.21)
Apresenta-se os diagramas de esforço transverso e momento flector, nas figuras 4.14 e 4.15 respectivamente. V [N]
FIGURA 4.14 – Diagrama de Esforço Transverso
40
A secção crítica é a 2,B uma vez que apresenta maiores valores de Momento Flector e Esforço Transverso.
M [N.m] -0,8
0 A
1
2,B
3
4
0
0
5
6
-1,3 -5,9
-13,6 -16,4
FIGURA 4.15 – Diagrama de Momento Flector
Na secção crítica os valores de esforços máximos são:
Vmax = 61,4 N
(4.22)
Mmax = 16,4 N.m
(4.23)
Avalia-se agora as tensões correspondentes, dadas por:
M .y
M
(4.24)
I
V
V .Q
(4.25)
I .e
Os cálculos auxiliares para se chegar ao valor das tensões, são dados por:
I LN
b .h 12
3
( b 2 e )( h 2 e )
3
20 x 40
12
3
14 x 34
12
A .y
ym
40 3
4
(4.26) (4.27)
'
(4.28)
m
A 20 x 3 60 mm '
60812 mm
12
y 20 mm
Q
3
2
(4.29)
18 , 5 mm
(4.30)
2
Q 60 x18 ,5 1110 mm
3
(4.31)
41
e 3 mm
(4.32)
Assim:
16 , 4 10 20 3
M V
60812
61 , 4 1110 60812 3
M 5 , 4 MPa
V 0 , 4 MPa
(4.33)
(4.34)
A tensão efectiva, dada pelo critério de Von Mises vem:
VM
( M
) 3 ( V T ) VM 5 , 4 MPa 2
N
(4.35)
Através da tensão de cedência do material utilizado, obtém-se o coeficiente de segurança de projecto:
ced 120 MPa n
ced VM
n
120
n 22 , 2
5,4
(4.36) (4.37)
A barra lateral interior do chassis aguenta o carregamento imposto e encontra-se em plena segurança, está de facto sobredimensionado, ou seja, o material suporta com facilidade as solicitações impostas.
4.3 Modelação Numérica A modelação numérica é um processo de simular um modelo computacional de um sistema real e conduzir experiências com este modelo com o propósito de se entender o seu comportamento e/ou avaliar estratégias para a sua operação (Pegden, 1990). Este processo é comumente utilizado nas áreas da Ciência, Engenharia e Indústria como modo de verificação de problemas sem aparente solução analítica, problemas complexos de projecto, de não-linearidade e fenómenos críticos. É utilizado também para verificar projectos que não se querem ou podem realizar. Neste caso, esta simulação estática serve para garantir a fiabilidade do projecto do chassis e ao mesmo tempo comprovar e consolidar os cálculos analíticos de projecto estático já realizados. O método numérico utilizado foi o Método dos Elementos Finitos (MEF) e para isso recorreuse ao software Solidworks® Simulation para fazer este estudo. Este software permite configurar ambientes virtuais que vão de encontro à realidade de projectos, para que possam ser testadas geometrias de produtos antes do seu fabrico. Este mecanismo permite assim, uma redução de custos e uma aceleração no processo de execução, podendo reduzir o número de protótipos físicos
42
necessários antes de entrar em produção. É pois por este motivo que é essencialmente uma ferramenta utilizada por estudantes e engenheiros no projecto de componentes mecânicos.
4.3.1 Procedimento de análise Foi então realizada uma análise estática da estrutura do chassis para avaliar a eficiência deste projecto. Para isso, procedeu-se de forma sequencial, deste modo:
Criação da geometria/peças através do software CAD 3D Solidworks® (Assemblyes / Parts)
Definição das articulações da estrutura (Joints)
Escolha do material (Apply Material)
Aplicação de condições fronteira / apoios (Fixtures)
Aplicação do tipo de carregamento (External Loads)
Escolha do tipo de contacto entre os elementos (Connections)
Definição e criação da malha (Mesh)
Resolução do modelo (Run)
Visualição dos resultados (Results)
Em termos de modelação, e, já com os diferentes componentes ligados formando a estrutura do chassis, foram calculadas e aplicadas as articulações de cada peça assim como se definiu o material como sendo a liga de Alumínio 6063-T5 (apresentando as propriedades inerentes á base de dados deste programa). Foram colocados apoios fixos, nas regiões de passagem dos veios do motor e da roda assim como no contacto entre a bicicleta e o mecanismo de ligação atrelado-bicicleta, como se mostra na figura 4.16.
a)
b)
FIGURA 4.16 – Apoios Fixos a) furos roda e motor b) mecanismo de ligação atrelado-bicicleta
Foram aplicados carregamentos externos ao longo da estrutura, nas regiões:
43
Controladores: 2,5 N
Motor: 12,3 N
Baterias: 34,3 N
Roda: 210,9 N
A distribuição de forças ao longo da estrutura é mostrada na figura 4.17.
FIGURA 4.17 – Carregamento da estrutura (roxo) e apoios (verde)
A criação da malha constitui um passo crucial para a obtenção dos resultados, pois estes podem variar com o tipo de malha, tipo de elemento utilizado e densidade da mesma. Com o intuito de refinar a malha para se encontrar um padrão estável de valores de tensão foram elaboradas várias iterações até se chegar a uma malha fina de elementos sólidos tetraédricos em 3D, com espaçamento máximo de 14 mm entre eles (figura 4.18). São apresentadas as principais características da malha em detalhe na tabela 4.9. TABELA 4.9 – Propriedades da malha
44
FIGURA 4.18 – Representação da malha
4.3.2 Resultados da simulação Foram obtidos os resultados, que são apresentados nas Figuras 4.19, 4.20, 4.21 e 4.22.
FIGURA 4.19 – Diagrama de Tensão de Von Mises - Liga Alumínio 6063-T5,
A região crítica surge nas furações de encaixe do veio da roda, mostrado na figura 4.20.
a)
b)
FIGURA 4.20 – Zona crítica de Tensão a) Detalhe do furo roda b) Gráfico da evolução da Tensão Von Mises pelos Nós do furo 45
Os resultados obtidos para a tensão de Von Mises são fiáveis e comprovam o estudo estático analítico anteriormente realizado, que revelou uma tensão de Von Mises de 5,4 MPa para o ponto crítico. O ponto crítico da estrutura calculado na modelação numérica está sobre a parte superior da furação da roda, estando aplicada uma tensão de Von Mises de aproximadamente 5,6 MPa (figuras 4.19 e 4.20). A extensão é agora mostrada figura 4.21.
a)
b)
FIGURA 4.21 – Representação da Extensão - Liga Alumínio 6063-T5, a) Diagrama b) Detalhe da zona crítica
Constata-se assim que a estrutura está sujeita a uma extensão bastante pequena, que toma o valor máximo também na região crítica da furação para o veio da roda, de aproximadamente ε
x
−
(figura 4.21).
O deslocamento em mm é obtido pelo software Simulation, sendo dado pela figura 4.22: 𝑈𝑅𝐸𝑆
𝑈
(𝑈𝑥 )
(𝑈𝑦 )
(𝑈𝑧 )
(4.38)
Resultando num deslocamento máximo de aproximadamente 0,05 mm. O que demonstra que a estrutura é praticamente indeformável, suportando satisfatoriamente os constrangimentos impostos.
É evidenciado na figura 4.22 a evolução de deslocamentos ao longo da estrutura.
FIGURA 4.22 – Diagrama de Deslocamento – Liga Alumínio 6063-T5 46
O factor de segurança de projecto é mostrado na figura 4.23.
FIGURA 4.23 – Diagrama de Factor de Segurança, n – Liga Alumínio 6063-T5
A simulação revela um factor de segurança aproximadamente de 𝑛
para a estrutura do
chassis. É fiável este valor, tendo em conta que a estrutura está sobredimensionada, como chegado á conclusão no estudo estático analítico que revelou um 𝑛
. Esta pequena diferença é
explicada pela tensão de cedência da base de dados do Solidworks® ser de 145 MPa, enquanto a tensão de cedência utilizada nos cálculos analíticos foi a ditada pelo catálogo de compra do material (L.A ALUMINÍNIOS) de 120 MPa. Como principais conclusões, destaca-se que a validação teórica (projecto estático) feita anteriormente serve e comprova a modelação numérica apresentada. As cargas externas são baixas e resultam num ponto crítico da estrutura que se encontra em plena segurança, estando toda a estrutura dentro do regime elástico.
4.3.3 Comparação com os materiais pré-seleccionados Efectuou-se a mesma modelação numérica, mas agora com os dois materiais préseleccionados, ou seja, para o Aço Carbono AISI 1030 e para o Ferro Fundido P 60-03. Interessa revelar as diferenças apontadas quanto à extensão ε e quanto ao factor de segurança n da estrutura de chassis para os dois outros materiais pré seleccionados. Estes parâmetros são os que merecem análise pois são os que sofrem alterações a quando da mudança de material. Na figura 4.24 e 4.25 são apresentados os diagramas de extensão do Aço Carbono AISI 1030 e do Ferro Fundido P 60-03, respectivamente.
FIGURA 4.24 - Diagrama de Extensão – Aço Carbono AISI 1030
47
FIGURA 4.25 - Diagrama de Extensão – Ferro Fundido P 60-03
Constata-se que para o Aço Carbono AISI 1030 a extensão máxima apresentada é de 𝜀≈ −
−
enquanto para o Ferro Fundido P 60-03 a extensão máxima é de 𝜀 ≈
(valores de extensão para a zona crítica). Estes valores de extensão são menores quando
comparados com a extensão da liga de Alumínio 6063-T5, que possui 𝜀 ≈
−
. Contudo os
valores de extensão 𝜀 dos três materiais são da mesma ordem de grandeza e não foi por isso um factor determinante na selecção do material.
Através da lei de Hooke, dada por:
𝜎
𝐸 𝜀
(4.39)
Constata-se que os valores de extensão 𝜀 dos três materiais são diferentes, e isto está directamente ligado à Lei de Hooke, pois para a mesma tensão aplicada, o módulo de Young difere em cada um destes materiais, o que corresponde a valores de 𝜀 diferentes.
Na figura 4.26 e 4.27 são apresentados os diagramas de factor de segurança do Aço Carbono AISI 1030 e do Ferro Fundido P 60-03, respectivamente.
FIGURA 4.26 - Diagrama de Factor de Segurança – Aço Carbono AISI 1030
48
FIGURA 4.27 - Diagrama de Factor de Segurança – Ferro Fundido P 60-03
A estrutura de chassis apresenta um 𝑛 ≈ AISI 1030 e um 𝑛 ≈
quando o material a utilizar é o Aço Carbono
para o Ferro Fundido P 60-03.
Para a mesma tensão aplicada, o factor de segurança acresce para estes dois materiais uma vez que estes apresentam tensões de cedência superiores á liga de Alumínio 6063-T5. A liga de Alumínio 6063-T5 apresenta um 𝑛 ≈
.
Não houve assim necessidade de eliminar à partida qualquer um destes materiais préseleccionados (capítulo 4.1.3), pois estes possuem factores de segurança satisfatórios, estando a estrutura em qualquer um dos três materiais em plena segurança.
49
50
5. METODOLOGIAS DE CONSTRUÇÃO O nome chassis é empregue para estruturas de suporte e a sua usual aplicação é sustentar os sistemas envolvidos em veículos. Neste caso, os sistemas acoplados ao chassis do atrelado são um motor eléctrico, quatro baterias, uma roda e dois controladores. Uma boa estrutura de chassis quer-se estruturalmente resistente, ou seja, nunca se fracturar em condições normais. Tem de apoiar a carroçaria (cobertura) e os componentes abrangentes. Deve também proteger o interior contra condições externas alheias.
5.1 Chassis tubular circular
Os chassis tubulares com seções transversais circulares são normalmente utilizados no sector automóvel nomeadamente em veículos leves e de lazer (onde se enquadra esta dissertação). Foi então modelado em software CAD 3D (Solidworks®) a estrutura de chassis que se apresenta nas figuras 5.1 e 5.2.
a)
b)
c) FIGURA 5.1 – Chassis tubular circular a) Vista Frontal b) Vista Lateral c) Vista Dimétrica
51
FIGURA 5.2 – Chassis tubular circular com componentes (Solidworks [13])
Os tubos de secção circular têm uma forma particularmente atractiva e oferecem uma distribuição de material uniforme em torno do eixo central. Estes perfis contrariam as mínimas resistências face a cargas de vento e água, o que é bom. Um inconveniente a realçar são as ligações entre elementos, as formas circulares entre si podem precisar de perfis especiais. Como pontos fortes destacam-se então a estética, a aerodinâmica e a flexão multiaxial [20]. Em particular, o chassis tubular circular (figuras 5.1 e 5.2) assume as curvas e a forma de uma eventual carroçaria que foi pensada e desenvolvida no capítulo 3. Este chassis permite um equilíbrio e bom acondicionamento dos diversos componentes nele inseridos. Pode-se reparar que este modelo apresenta formas complexas de geometria, nos raios de curvatura existentes e nas ligações entre elementos. Este modelo apresenta uma visão bastante teórica, o que na prática corresponderia a um processo muito demorado para a execução do protótipo de chassis. Quando se fala numa relação entre o custo envolvido na elaboração do chassis e o tempo despendido para realizar a estrutura, estes aspectos revelam um grande entrave ao desenvolvimento desta estrutura de chassis em tubo de secção circular. Assim, este modelo foi rejeitado essencialmente por causa das formas complexas apresentadas (raios de curvatura dos tubos), da dificuldade de unir elementos (com soldadura de difícil aplicação) e pelo tempo demorado que estaria envolvido até se chegar ao que foi desenhado.
5.2 Chassis tubular rectangular
Foi á posteriori, pensado num modelo de chassis que não apresentasse as dificuldades vistas anteriormente e ao mesmo tempo preenchesse as funcionalidades requeridas. Foi assim modelado um chassis leve o suficiente para reduzir a inércia e exibir um desempenho adequado.
52
O pensamento foi o de uma estrutura resistente o quanto bastasse para suportar as interacções entre o passageiro, motor, baterias, rodas, controladores e pavimento. Em termos de segurança, a rigidez à torção e a rigidez à flexão, são importantes factores, ou seja, o chassis não deve deformar face a estas cargas de modo a garantir suavidade nos deslocamentos e proporcionar uma condução precisa e confiável. Assim, ao se deformar pouco, o chassis não altera as características da condução e em casos de choque a estrutura irá deformar-se de modo adequado para absorver as energias de impacto e proteger os componentes. O custo final foi tido em conta no que se refere à construção e montagem do chassis. Após experimentar vários tipos de estrutura para o chassis, chegou-se à geometria final que se exibe na figura 5.3. Nesta estrutura, optou-se pela simplicidade estrutural, usando o material Alumínio 6063-T5 com o perfil rectangular também já escolhido.
O chassis tem por base a forma de hexágono onde são adicionados dois elementos ligantes (simétricos ao eixo central). A base do protótipo é assim formada por oito barras/elementos e com um elemento vertical que tem na sua extremidade uma peça inclinada em L para inserção do mecanismo de ligação á bicicleta. A estrutura permitiu responder às necessidades atrás mencionadas.
a
a)
b)
c) FIGURA 5.3 – Chassis tubular rectangular a) Vista Frontal b) Vista Lateral c) Vista Isométrica
Este chassis reúne um conjunto de especificações e exigências, que são: 53
Funcionalidade
Material leve
Custo de fabrico baixo
Construção simples
Fácil montagem
Técnica de desmontagem fácil para possibilitar a manutenção
Estrutura com rigidez e resistência suficiente para suportar todas as cargas
O passo seguinte, depois da avaliação da viabilidade do chassis foi a construção do mesmo. O objectivo foi conseguido com a colaboração da empresa MS – Serralharia de Alumínios. Este plano de produção teve em conta os seguintes factores:
Máquinas ferramenta disponíveis
Mão-de-obra capacitada e experiente
Capacidade de armazenamento do material
Local do trabalho
5.2.1 Etapas da concepção e montagem
O processo de fabrico começa com planos que descrevem cada elemento em detalhe, como se pode ver na figura 5.4.
FIGURA 5.4 – Desenho do chassis para construção, dimensões em [mm]
54
Através da utilização de uma suta e com a máquina de corte (serra circular), foi dada a angulação correcta com avanços graduais da serra de aproximadamente 3 mm (figura 5.5).
a)
b)
FIGURA 5.5 – Corte do perfil a) marcação com suta b) avanços graduais
Para certificação das medidas marcadas na figura 5.4 foram calculadas as dimensões das duas diagonais extremas, que correspondiam ambas ao valor de 91,2 cm, consolidando o dimensionamento correcto.
De modo a testar os elementos antes da sua montagem, foram colocados e alinhados os perfis sobre a mesa de trabalho (figura 5.6) e realizado um pré-ensaio (figura 5.7) da estrutura (ligada com adesivos) para prever o local das furações e melhor saber o posicionamento da roda e do motor.
FIGURA 5.6 – Alinhamento dos perfis
55
Elementos laterais interiores
FIGURA 5.7 – Pré-ensaio da estrutura
A máquina eléctrica usada na concepção do chassis não é simétrica e ainda acrescenta algum peso a todo o conjunto, e dessa forma, foi conjugada a melhor posição para o motor (a encaixar no atrelado) de modo a que a corrente de transmissão fique alinhada com a roda do atrelado (figura 5.7). Foram necessárias três furações em cada um dos elementos laterais interiores (figura 5.7), dois furos de diâmetro 12 mm e um furo de diâmetro 10 mm para colocação dos veios do motor e da roda. Com a máquina de furação foi feita a marcação do centro dos furos com uma broca de diâmetro 3,7 mm. De seguida, fez-se uma furação intermédia com rasgo de 8 mm de diâmetro. Por fim, e com a broca de medida exacta da dimensão dos furos necessária, foram feitas as respectivas furações de diâmetros 10 e 12 mm. Para um melhor acabamento, teve-se o cuidado de não fazer os furos completamente passantes, ou seja, os dois lados do perfil foram perfurados em separado (figura 5.8).
FIGURA 5.8 – Furação do perfil de Alumínio 6063-T5
56
A furação nos elementos laterais interiores respeita o dimensionamento que se apresenta na figura 5.9. Nos furos 1 e 2 serão inseridos os veios de fixação do motor e no furo 3 será colocado o veio da roda (furos numerados a verde).
1
2
3
FIGURA 5.9 – Desenho da barra lateral interior com furos (numerados), dimensões em [mm]
Nestas furações, foram feitos rasgos para a entrada dos veios (inclinação aproximadamente de 30º) com o intuito de facilitar a montagem/desmontagem e manutenção da estrutura. Foi utilizada uma fresadora de eixo vertical para efectuar esta operação (figura 5.10).
FIGURA 5.10 – Abertura adicional de rasgos nos furos
Foram montados os veios correspondentes ao motor e à roda nos respectivos furos, antes de se iniciar a soldadura das partes da estrutura. Com os cortes necessários, que dão a geometria desejada ao perfil, juntamente com as furações nas posições desejadas, a estrutura encontra-se pronta para ser de soldada. Com a colaboração da empresa RADIADORES LEONAR, LDA efectuou-se a soldadura utilizando o processo TIG (figura 5.11). Foram primeiro soldadas como junta de aresta os elementos da base do chassis, seguido a soldadura por juntas de aresta nos elementos laterais interiores, regidas as juntas pela norma ISO 2553 ou NP 1515 [21]. A vareta de solda de Alumínio possui-o a referência ER4043.
57
FIGURA 5.11 – Soldadura do chassis
O TIG (Tungesten Inert Gas) é um processo de soldadura por arco eléctrico estabelecido entre o eléctrodo não consumível de Tungsténio e a peça a soldar numa atmosfera de gás inerte (Árgon ou Hélio). No presente caso, utilizou-se Árgon, porque é um gás inerte mais denso que o Hélio, não havendo escape (na soldadura ao chão utilizada). O Árgon promove um arco estável e uma boa acção de limpeza. A polaridade utilizada foi a directa, eléctrodo ligado ao pólo negativo, para não haver destruição do eléctrodo. É usada corrente alternada (AC) para mover a camada de óxidos do metal (Alumínio). O escorvamento é feito por picos de alta tensão / frequência. Este processo tem uma entrega térmica média, baixa densidade de energia e baixa diluição. Normalmente está associado a soldaduras de elevada responsabilidade em que a probabilidade de defeitos é mínima. É aconselhável para pequenos trabalhos e reparações, adequado para soldar espessuras com 3 mm ou inferiores [22]. Não se pode utilizar TIG ao ar livre, por causa do vento, que não permite existência da camada gasosa de protecção. O trabalho foi realizado em oficina com um perfil de Alumínio de 3 mm de espessura. A soldadura TIG utilizada foi manual, o que exigiu uma enorme experiência e habilidade do soldador. O mesmo tipo de soldadura foi aplicado para unir o tubo vertical á estrutura do chassis, visível na figura 5.12. Este elemento vertical tem por objectivo, juntamente com a peça em L, servir de mecanismo intermédio para ligação do atrelado à bicicleta.
FIGURA 5.12 – Tubo vertical e peça em L
58
Ao tubo vertical mostrado na figura 5.12, foram feitos 7 furos de diâmetro 8 mm com espaçamento de 20 mm entre o centro dos furos, de modo a ajustar a altura da peça em L para ajustar a diferentes tamanhos de bicicletas. As baterias são dispositivos que convertem directamente energia química em energia eléctrica. O acumulador é construído por uma ou mais células fotovoltaicas, sendo que cada célula consiste em duas meias células ligadas em série por um electrólito condutor. Uma meia célula actua como eléctrodo positivo (ânodo) e a outra como eléctrodo negativo (cátodo). O poder da bateria vem de uma reacção oxidação-redução entre dois eléctrodos, a redução ocorre no cátodo e a oxidação no ânodo. Embora as baterias possam armazenar quantidades substanciais de energia, elas não são capazes de libertar essa energia rapidamente, e por isso, têm baixa densidade de potência. Assim, estes dispositivos armazenam energia química e são limitadas pelo tempo que levam para a reacção química produzir electricidade [23]. As baterias utilizadas para o protótipo de chassis foram de chumbo-ácido, que conferiram ainda um peso adicional ao chassis. Como suporte das baterias, foram feitas caixas de apoio às mesmas, em chapa de Alumínio de espessura 2 mm. Adicionalmente foram também feitos perfis em U, com as mesmas características, de modo a não haver deslocamentos verticais das baterias. Para conseguir a forma desejada, estas chapas foram quinadas (figura 5.13).
a)
b)
FIGURA 5.13 – Suporte das baterias a) Quinagem b) Caixa e suporte em U
Todos os elementos estavam agora preparados para a montagem da estrutura do chassis com os devidos componentes. Foram empregues varões de aço roscados de 320 mm de comprimento para fixação do motor (furos 1 e 2 – figura 5.9) e colocação da roda (furo 3 – figura 5.9). Estes veios são fixados com porcas hexagonais M10 e M12 em ambas as faces exteriores das barras laterais interiores A fixação do elemento vertical com a peça em L é feita por duas ligações aparafusadas – M8x65 classe 5,8 e porca hexagonal – M8. De modo a fixar as baterias à estrutura, foram usados 4 rebites de Alumínio na extremidade das caixas, totalizando 16 rebites no conjunto das quatro caixas. Ainda foram feitos furos centrais de
59
diâmetro 8 mm nas caixas das baterias, de modo a permitir a passagem de eventuais fluidos ou sujidades que apareçam na zona de contacto das baterias com as caixas. O mecanismo de ligação do atrelado à bicicleta é o apresentado na figura 5.14, adquirido na DECATHLON. Este funciona com duas juntas de revolução separadas e que actuam nas direcções longitudinal e transversal. O componente também permite a extensão das peças curvas, regulando assim o comprimento entre o atrelado e a bicicleta.
FIGURA 5.14 – Mecanismo ligação bicicleta-atrelado
O processo de construção e montagem do chassis foi concluído (figura 5.15) e foram inseridos os dois controladores, as baterias e os respectivos acelerómetros para realização de testes experimentais.
FIGURA 5.15 – Chassis montado para testes experimentais, duas vistas
60
6. ANÁLISE DE CUSTOS
A produção é definida como a concepção de produtos e transformação de materiais e informação, tendo por objectivo a obtenção de bens que possam responder às necessidades do ser humano, sendo uma das actividades que maior desenvolvimento e riqueza introduzem em qualquer sociedade. A produção tem um sentido mais lato, envolvendo, para além do fabrico propriamente dito, um conjunto mais alargado de funções, entre as quais se inclui a concepção de produtos e serviços, o planeamento e o controlo do processo de produção [24]. Um sistema de produção apresenta-se como uma série de operações/actividades interrelacionadas, envolvendo o projecto, a selecção de materiais, o planeamento dos processos e o planeamento da produção, o armazenamento e a distribuição dos produtos acabados no mercado. Na figura 6.1 pode-se ter percepção de algumas das funções típicas de um sistema produtivo [24].
FIGURA 6.1 – Funções típicas num sistema produtivo [24]
Em particular, a Gestão da Produção preocupa-se com a aplicação dos procedimentos necessários à transformação de materiais, informação e conhecimento em produtos acabados e serviços com um valor reconhecido no mercado, utilizando recursos disponíveis num horizonte temporal pré determinado. Assim, o foque da Gestão da Produção envolve o estabelecimento de objectivos operacionais, a organização do sistema produtivo, a integração das suas funções e interfaces internas e externas, o planeamento de actividades, a alocação de recursos, a motivação, a liderança dos recursos humanos, o controlo e a medida do seu desempenho [24]. É através de uma abordagem de Gestão da Produção, que se irá fazer uma breve análise de custos da estrutura de chassis.
61
6.1 Diagrama de produção Para a concepção e montagem do chassis, delineou-se uma sequência de produção, mostrada na figura 6.2.
Obtenção caixas + “U”
Obtenção Chassis
Corte a1
Quinagem b1
Furação A a2
A
B
Fresagem
b2
a3 Furação B Soldadura a4
Montagem Motor
Montagem Roda
D
C
E
F
Montagem Baterias
Montagem Electrónica
FIGURA 6.2 – Diagrama de produção do chassis
A máquina eléctrica inserida no protótipo é usada como motor mas também pode funcionar como gerador. Devido ao seu tamanho e peso considerável, optou-se por fazer a montagem em conjunto com a roda do atrelado e com a estrutura previamente concebida, de modo a garantir um posicionamento correcto destes componentes e uma boa funcionalidade à posteriori.
62
6.2 Diagrama de precedências As tarefas utlizadas para a concepção e montagem do chassis podem ser ainda representadas através de um diagrama de precedências mostrado na figura 6.3.
(4 min)
A
C
(17 min e 30s)
D
E
F
(2 min)
(5 min)
(4 min)
B (5 min) FIGURA 6.3 – Diagrama de precedências de tarefas
Com mais detalhe, a tabela 6.1 apresenta o conjunto de tarefas necessárias à concepção e montagem do produto de chassis e os recursos necessários à realização de cada operação. TABELA 6.1 – Operações, Precedências, Tempos normais e Recursos da linha de produção
Tempo normal
Operação
Precedências
Recursos
a1
-
(min) 5
Máq 1 + Ope
a2
a1
3
Máq 2 + Ope
a3
a2
2
Máq 3 + Ope
a4
a3
7,5
Máq 4 + Ope
b1
-
3
Máq 5 + Ope
b2
-
2
Máq 6 + Ope
C
a4
4
Ope
D
a4
4
Ope
E
C, D, b1, b2
2
Ope
F
E
5
Ope
Os tempos normais indicados na tabela 6.1 são para uma produção em série e continuada do chassis, em que os processos tecnológicos envolvidos já estão previamente estruturados e delineados, levando em conta para isso, já se ter ensaiado e construído o primeiro protótipo para a presente dissertação.
63
6.3 Estações da linha de produção A linha de produção estimada envolve quatro estações, de modo a optimizar os tempos de processamento, os operadores envolvidos no processo e as máquinas utilizadas, encontrando-se representada na figura 6.4.
a1 + a2 + a3
a4
b1 + b2
C, D, E, F
10 min
7 min e 30 s
5 min
15 min
1 Ope, 3 Máq
1 Ope, 1 Máq
1 Ope, 2 Máq
1 Ope, 0 Máq
FIGURA 6.4 – Estações da linha de produção
Considerou-se que a empresa a desenvolver o modelo de chassis laboraria das 8h às 12h e das 13h às 17h, totalizando oito horas por dia. Mas na empresa apenas se considera 7 horas por dia como horas úteis de produção, sendo que 10% do tempo total é desperdiçado em atrasos devidos a “arranques” de produção e considera-se 2,5% do tempo total para imprevistos.
6.4 Estimativa de custos Da linha de produção estimada consegue-se ter uma perspectiva de custos, com:
t c 15 min
(6.1)
Este valor corresponde ao tempo crítico que é o maior dos tempos normais das quatro estações (figura 6.4).
t
i
10 7 ,5 5 15 37 min
e 30 s
(6.2)
Este valor corresponde à duração total da concepção e montagem do chassis.
N min, ope
t tc
i
37 ,5
2 ,5 3 operadores
15
(6.3)
São necessários no mínimo três operadores para a realização da estratégia produtiva do chassis. A linha de produção estimada contém quatro operadores o que cumpre o requisito mínimo de operadores quantificado atrás. A cadência da produção do chassis é dada por:
Cad
1 tc
60
1 15
60 4
peças / h
(6.4)
64
Considerou-se ainda que as máquinas dedicadas a este produto possuíam um custo por hora de 15€ e que os operadores possuíam um custo de 10 €/h (estimativa aproximada baseada em valores típicos de instalações industriais).
Isto corresponde a um custo unitário de:
Cu
N op HH N máq HM
4 10 6 15
Cad
32 ,50 €
(6.5)
4
Este custo é dirigido a uma pequena/média produção de mais de 500 unidades num mês de trabalho (20 dias úteis), de modo a servir como experiência à adesão no mercado nacional tentando perceber a envolvência e a receptividade desta proposta inovadora em Portugal. De referir que, para uma produção elevada e em série deste produto de chassis, os custos associados ao mesmo iriam decrescer. Outros custos estão envolvidos para se chegar ao custo final de todo o conjunto da estrutura de chassis, como pode ser visto nas tabelas 6.2, 6.3 e 6.4. TABELA 6.2 – Material e custo da estrutura metálica
Material
Quantidade
Custo
Custo total
[m]
[€/m]
[€]
4
4,27
17,08
Liga Alumínio 6063-T5
TABELA 6.3 – Elementos e custos dos componentes
Elemento
Quantidade
Custo unitário [€]
Bateria Lead Acid 12V 36A.h
4
50
Alternador Bosch 28V 80A 6033GB3054
1
160
Roda 17’’
1
45
Mecanismo de ligação bicicleta ao atrelado, Trail Gator
1
65
Varões roscados de 320 mm em Aço, Φ10 mm
1
4
Varões roscados de 320 mm em Aço, Φ12 mm
2
5
Parafusos / Porcas / Anilhas / Rebites 10 / 22 / 22 / 16
-
65
Sublinha-se contudo que ao ser usado um motor homólogo de ímanes permanentes, o custo da estrutura de atrelado subiria substancialmente, devido ao custo deste tipo de motores ser tipicamente bastante mais elevado quando comparado com o custo do motor síncrono utilizado. TABELA 6.4 – Componentes e custo total do conjunto
Elemento
Custo total [€]
Chassis
32,50
Material, Alumínio 6063-T5
17,08
Mecanismo de ligação bicicleta ao atrelado, Trail Gator
65
Roda 17''
45
Alternador Bosch 28V 80A - 6033GB3054
160
Baterias Lead Acid 12V 36A.h
200
Varões roscados em Aço Φ10 mm
4
Varões roscados em Aço de Φ12 mm
10
Parafusos / Porcas / Anilhas / Rebites
12
Custo Final
545,58 €
NOTA: A este custo não está associado o IVA e os custos de electricidade não foram considerados.
Por último, acrescentar que esta análise de custos corresponde a uma estimativa e aproximação para prever o custo deste produto para uma eventual comercialização. Tendo em conta o custo médio associado a atrelados exclusivos ou bicicletas eléctricas, que varia aproximadamente entre os 250€ e os 1250€, o custo associado ao presente protótipo torna-se por isso competitivo face a mecanismos semelhantes
66
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO
No presente capítulo são expostos em primeiro lugar os resultados da modelação dinâmica computacional, uma nota sobre os procedimentos efectuados e ainda algumas sugestões e criticas apontadas para futuros utilizadores do software Motion. Os resultados dos testes experimentais são evidenciados seguidamente e é também feita uma abordagem à performance do sistema atreladobicicleta-ciclista. Por último é feita uma comparação e é demonstrada a validação entre a simulação computacional e os testes experimentais.
7.1 Modelação Dinâmica Computacional Foi efectuada uma modelação dinâmica ao sistema atrelado-bicicleta com os devidos componentes e o ciclista. Para isso, recorreu-se ao software Solidworks® Motion. O estudo foi feito para o sistema atrelado com bicicleta em recta e à passagem por uma lomba de raio 50 mm, como pode ser visto na figura 7.1.
FIGURA 7.1 – Modelação dinâmica computacional em recta com lomba
O modelo é impulsionado com uma rotação de 90 rpm aplicada à roda do atrelado em linha recta, para tal, é sabido o raio da roda do atrelado (r = 0,216m) e a velocidade linear de deslocação com o motor ligado (v ≈ 2m/s) chegando-se ao valor de velocidade angular .
v r w
v
r
2
9 , 26 rad / s 90 rpm
0 , 216
(7.1)
A análise dinâmica realizada foi útil para avaliar o comportamento do sistema atreladobicicleta. Os resultados desta modelação dinâmica computacional foram posteriormente comparados com os resultados obtidos pelos testes experimentais.
7.1.1 Procedimento de análise Procedeu-se de forma sequencial, da seguinte forma:
Criação da geometria/peças através do software CAD 3D Solidworks® (Assemblyes / Parts)
Definição correcta das ligações do sistema (Mates) 67
Aplicação de contacto entre corpos (Contact)
Adição de gravidade ao sistema em estudo (Gravity)
Inserção de amortecimentos (Damper)
Definição da rotação do motor (Motor)
Cálculo da simulação (Calculate)
Visualização de resultados/gráficos (Results and Plots)
Esta abordagem foi feita num subprograma deste software, denominado Motion Analyses. Ao utilizador do software cabe a tarefa da escolha e configuração de alguns parâmetros que permitem uma obtenção mais realista de resultados, influenciando no tempo de processamento. Nesta análise dinâmica, o número de iterações foi de 25, o Jacobiano foi configurado na totalidade do seu desempenho e os restantes parâmetros deixaram-se como default. Para refinar os cálculos foi utilizado o integrador WSTIFF, mas mesmo assim o tempo de processamento foi bastante demorado. As massas reais dos componentes foram incluídas, bem como a massa do passageiro, de aproximadamente 100 kg.
7.1.2 Resultados da Modelação Dinâmica É mostrado na figura 7.2 a sequência de imagens do modelo computacional no seu trajecto com lomba.
FIGURA 7.2 – Sequência da animação dinâmica computacional
Após ter sido efectuada a modelação dinâmica, cabe agora evidenciar os resultados obtidos, através dos respectivos gráficos. São apresentados nas figuras 7.3, 7.4 e 7.5 os resultados do ensaio dinâmico computacional, revelando a evolução da aceleração linear nos três eixo (x, y e z) ao longo do tempo.
68
Ensaio Computacional – Aceleração Linear (eixo x) versus Tempo 2
ax [m/s ] 40 30 20 10 0 -10 0 -20 -30
t [s] 1
2 3 4 5 Bicicleta (Motion) Atrelado (Motion)
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
FIGURA 7.3 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (x) versus Tempo
Ensaio Computacional – Aceleração Linear (eixo y) versus Tempo
2
ay [m/s ] 40 30
Bicicleta (Motion)
20
Atrelado (Motion)
10 t [s]
0 -10 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
-20 -30 FIGURA 7.4 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (y) versus Tempo
Ensaio Computacional – Aceleração Linear (eixo z) versus Tempo
2
az [m/s ] 40 30 20 10
t [s]
0 -10 0 -20 -30
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Bicicleta (Motion) Atrelado (Motion) FIGURA 7.5 – Ensaio Computacional: Aceleração linear (z) versus Tempo
Pela análise gráfica consegue-se interpretar e descrever os diferentes momentos da modelação dinâmica computacional, nomeadamente pelo entendimento da evolução da aceleração linear segundo o eixo vertical z ao longo do tempo (figura 7.5). De início o sistema descreve um movimento em linha recta impulsionado pela rotação do motor, sensivelmente até aos 7s. Posteriormente aos 7s a roda da frente da bicicleta passa pela lomba, seguindo-se aos 8s a passagem da roda de trás e aproximadamente aos 9s a roda do atrelado passa pela lomba. A partir 69
dai e até ao fim da modelação, que termina aos 15s, o sistema continua o seu movimento em linha recta através da rotação dada pelo motor. Em geral os valores de aceleração linear do gráfico da figura 7.5 estão situados em torno dos 2
10 m/s , que corresponde ao valor aproximado da aceleração da gravidade imposta ao sistema. Consegue-se então perceber que o atrelado, tem a maior oscilação desta correspondente aceleração aos 9s e é explicada pelo momento de passagem da roda do atrelado pela lomba, registando-se 2
nessa situação um pico de 25 m/s . Quanto maior for a aceleração, maior é a variação da velocidade no tempo e por consequência maior é a variação da posição no tempo. Para a simulação computacional em causa é apresentado nas figuras 7.6 e 7.7, a respectiva evolução da velocidade linear e deslocamento vertical do centro de massa do atrelado ao longo do tempo. Ensaio Computacional - Velocidade Linear (y) versus Tempo
vy [m/s]
2,5 2 1,5 1 0,5 0
t [s]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
FIGURA 7.6 – Ensaio Computacional: Velocidade Linear (y) versus Tempo
Verifica-se um acréscimo inicial de velocidade do sistema na tentativa de alcançar a velocidade linear constante dada pela rotação do motor. Com a passagem do sistema pela lomba, os valores de velocidade oscilam essencialmente em três picos, aos 7, 8 e 9s. Estes momentos correspondem à passagem por lomba, da roda da frente, da roda de trás da bicicleta e da roda do atrelado, respectivamente. Posteriormente segue-se uma zona de estabilização, recuperando o sistema do impacto da lomba e alcançando a sua velocidade real de 2 m/s.
ZCM [mm]
Ensaio Computacional - Deslocamento Vertical (z) do atrelado versus Tempo
200 160 120 80 40 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15 t [s]
FIGURA 7.7 – Ensaio Computacional: Posição Vertical Atrelado versus Tempo
70
O sistema desloca-se em linha recta até ao primeiro contacto da roda do atrelado com a lomba, o que acontece décimas de segundo depois do instante 8s. Verifica-se portanto que, no primeiro embate no momento da passagem por lomba, é esperado um deslocamento vertical máximo de cerca de cerca de 190 mm, que se segue de 21 e 10 mm (figura 7.7). Tendo em consideração que a altura da lomba é de 50 mm, o valor aproximado de deslocamento vertical do atrelado (dado pela modelação dinâmica) será de 140 mm.
7.1.3 Sugestões e Críticas Depois da modelação efectuada, apresentam-se algumas sugestões ao utilizador do software Motion:
Fazer a correcta montagem do sistema, peça a peça, antes de efectuar a simulação.
Escolha de materiais em todos os elementos da análise.
Efectuar contactos correctos entre corpos e apenas os que são estritamente necessários.
Os contactos têm de ser feitos entre dois elementos de cada vez e nunca entre vários elementos de uma só vez.
Da utilização do software Motion evidenciam-se algumas críticas:
No início da análise dinâmica teve de fazer-se com que o sistema de corpos embatesse no pavimento para o software reconhecer o contacto entre a estrada e as rodas da bicicleta e a roda do atrelado.
O software Motion trabalha com modelo de corpos rígidos, o que na realidade não acontece.
A análise dinâmica dada pelo software pode ser usada como aproximação visual do comportamento de sistemas mecânicos em situações requeridas pelo utilizador.
O programa permite obter uma vasta gama de resultados e um bom manuseio das condições de análise durante a simulação.
A simulação dinâmica computacional não deverá ser usada em exclusivo, estando por de trás dela os testes experimentais que têm um papel importante para se chegar a resultados.
7.2 Testes Experimentais
Simularam-se quatro testes experimentais, em recta (com e sem motor ligado) e em recta com lomba (com e sem motor ligado), que visaram obter os níveis de aceleração da bicicleta e do 71
atrelado em função do tempo. Para a realização desses mesmos testes, utilizou-se o pavimento do campo de futebol do IST e uma lomba pré concebida de raio 50 mm. Para o efeito, colocaram-se dois acelerómetros no sistema, um acelerómetro na bicicleta (no quadro e por baixo do selim) e outro acelerómetro no atrelado (na extremidade superior do tubo vertical). As respectivas acelerações, na bicicleta e no atrelado, foram quantificadas para três eixos, o eixo x (direcção transversal), no eixo y (direcção longitudinal) e eixo z (direcção vertical). Os dados adquiridos pelos acelerómetros são directamente guardados em unidades eléctricas. Em consequência, é importante converter essas unidades para se obter a verdadeira evolução dos parâmetros de interesse. Para fazer a conversão do sinal analógico de tensão variável vinda dos acelerómetros recorre-se a um conversor analógico-digital. O respectivo componente electrónico converte a variação de tensão, neste caso no intervalo de 0-5V num sinal digital de 10 bits, logo de seguida o mesmo é armazenado. Para o tratamento desses dados armazenados, o valor digital é novamente convertido em tensão, uma vez que os parâmetros de sensibilidade e resolução são em mV. Por último, este valor em mV é convertido no valor de aceleração (medida entre -3 e +3 G’s). A resolução do conversor analógico-digital é de 10 bits possibilitando 1024 valores diferentes. Utilizou-se uma referência fixada pelo utilizador de 3,3V por ser a tensão de alimentação dos acelerómetros. Ainda antes de ser convertido em G’s, o valor da aceleração em mV tem que ser corrigido de forma a fixar os 0 G’s recorrendo a um offset. Isto aconteceu fundamentalmente devido a diferentes localizações dos acelerómetros que incutiram interferências electromagnéticas nos respectivos cabos que variam consoante a proximidade do motor e respectiva electrónica [25]. Os resultados oriundos da utilização dos acelerómetros, descrita em cima, apresentam naturalmente erros em relação à realidade. Isto deve-se ao facto de existir sempre alguma variação nas características dos parâmetros dados, quer devido a variações ambientais do meio envolvente quer a variações no processo de fabrico. Para uma utilização mais adequada e correcta, tendo em vista a aquisição de informação mais precisa será necessário efectuar um ensaio de calibração [25].
7.2.1 Resultados dos Testes Experimentais Os resultados de cada ensaio, foram alvo de aplicação de filtros do tipo passa-baixo, de modo a tentar eliminar quase todas as perturbações devidas ao ambiente exterior, sem no entanto perder a evolução da aceleração linear com o tempo. Para isso utilizou-se o software Matlab® e o seu subprograma Simulink. Os referidos filtros foram utilizados tendo em conta as características dos acelerómetros e do sistema de instrumentação onde estavam inseridos (tabela 7.1).
TABELA 7.1 – Dados da utilização do filtro passa-baixo Ensaio
Frequência de corte [Hz]
Frequência de amostragem [Hz]
Período de amostragem [s]
Campo de futebol do IST
20
714
0,0014
72
Relativamente aos testes realizados em recta com e sem accionamento do motor, a evolução da aceleração linear nos três eixos ao longo do tempo, é visível nas figuras 7.8, 7.9 e 7.10.
RECTA COM e SEM MOTOR (eixo x)
ax [m/s2] 12 10 8 6 4 2 0 -2 0
Atrelado s/ motor Atrelado c/ motor
1
2
3
4
5
6
7
8
t [s]
FIGURA 7.8 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (x) versus Tempo
RECTA COM e SEM MOTOR (eixo y)
ay [m/s2] 12 10 8 6 4 2 0 -2 0
Atrelado s/ motor Atrelado c/ motor
1
2
3
4
5
6
7
8
t [s]
FIGURA 7.9 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (y) versus Tempo
az [m/s2]
RECTA COM e SEM MOTOR (eixo z)
12 10 8 6 4
atrelado s/ motor atrelado c/ motor
2 0 -2 0
1
2
3
4
5
6
7
8
t [s]
FIGURA 7.10 – Ensaio em RECTA com e sem motor: Aceleração linear (z) versus Tempo
Consegue-se perceber numa análise de aceleração segundo a direcção transversal (eixo x) que para o atrelado ao realizar um trajecto em linha recta, com ou sem accionamento do motor, não existem diferenças significativas. Esta aceleração linear segundo x permanece praticamente 2
2
constante e num patamar que varia entre -1 m/s a 1 m/s . O mesmo sucede para a aceleração segundo a direcção longitudinal (eixo y). Já com a aceleração segundo a direcção vertical (eixo z) 73
constata-se que para ambos os casos (com e sem motor accionado), a aceleração linear tende para 2
um patamar aproximado de 10 m/s , que corresponde sensivelmente á aceleração da gravidade imposta na direcção vertical. Outra nota que importa realçar é que o atrelado sem o accionamento do motor atinge maiores picos de aceleração quando comparado com o mesmo com o motor a funcionar. Assim sendo, a aceleração linear vertical do atrelado com accionamento de motor é mais controlada face ao mesmo sem motor. De um modo geral estas acelerações estão num patamar 2
2
entre os 8 m/s e os 12 m/s . Verifica-se que no final do ensaio, esta tendência inverte-se, ou seja, o atrelado com motor em funcionamento sofre maior aceleração segundo z face ao mesmo a funcionar sem accionamento do motor. Isto deve-se ao facto de se desligar o motor ao finalizar o ensaio. Os resultados completos e desenvolvidos nesta tese, obtidos para o teste em lomba com motor ligado, são apresentados nas figuras 7.11, 7.12 e 7.13. ax [m/s2] 40 30 20 10 0 -10 0 -20 -30
LOMBA COM MOTOR (eixo x)
t [s] 1
2
3 4 Bicicleta Atrelado
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17
FIGURA 7.11 – Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (x) versus Tempo
ay [m/s2]
LOMBA COM MOTOR (eixo y)
40 30 20 10 0 -10 0
1
2
-20 -30
3 4 5 Bicicleta Atrelado
6
7
8
9
t [s]
10 11 12 13 14 15 16 17
FIGURA 7.12 – Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (y) versus Tempo
az [m/s2] 40
LOMBA COM MOTOR (eixo z)
30 20 10 0 -10 0 -20 -30
t [s] 1
2
3 4 5 Bicicleta Atrelado
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
FIGURA 7.13 - Ensaio em LOMBA com motor: Aceleração linear (z) versus Tempo
74
É mostrado na figura 7.14 um zoom da evolução da aceleração linear transversal (eixo x) ao longo do tempo para a zona inicial do ensaio em lomba com motor ligado. Constata-se que, entre os 2 e os 3s se inicia o respectivo ensaio com o pedalar da bicicleta, sendo de esperar nesse sentido, uma resposta com picos de aceleração transversal. Isto deve-se à oscilação lateral provocada por esse mesmo arranque ao pedalar-se a bicicleta.
LOMBA COM MOTOR (eixo x) [0 aos 3s]
ax [m/s2] 2 1
t [s]
0 0
1
-1
2
3
Bicicleta Atrelado
-2 FIGURA 7.14 - Ensaio em LOMA com motor: Aceleração linear (x) versus Tempo [0 aos 3s]
O teste experimental correspondendo ao ensaio em lomba foi divido em três fases:
1ª Fase: zona inicial (pedalar com a bicicleta e ignição motor)
2ª Fase: zona de passagem pela lomba (roda frente da bicicleta, roda trás bicicleta e roda do atrelado)
3ª Fase: zona final (paragem / desligar o motor)
São apresentadas nas figuras 7.15, 7.16 e 7.17 as três fases ou momentos em recta à passagem por lomba com o motor accionado, para a aceleração vertical. As figuras anteriormente referidas correspondem a zooms do gráfico da figura 7.13 para as zonas inicial, de lomba e final. az [m/s2]
LOMBA COM MOTOR (eixo z) [zona inicial]
13 11 9 Bicicleta Atrelado
7 5 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
t [s]
FIGURA 7.15 - Zona inicial: Aceleração linear (z) versus Tempo
Toda a base line da análise gráfica da zona inicial se situa em torno de 1G devido à aceleração da gravidade imposta e que é comum tanto à bicicleta como ao atrelado. A zona dos 0s aos 2s corresponde ao veículo parado, no momento em que se liga o dispositivo de armazenamento de dados dos acelerómetros. Sensivelmente aos 3s é registado o primeiro ciclo relevante 75
2
2
correspondendo a um pico de aproximadamente 6 m/s seguido de um pico de 12,7 m/s que constitui o momento de arranque através do pedalar da bicicleta. Centésimas de segundos depois, o arranque através do pedalar da bicicleta é sentido pelo atrelado, o que se observa pelo respectivo pico 11,5 m/s
2
(a vermelho). Segue-se uma zona de algum ruido e de estabilização de aceleração.
Aproximadamente aos 5,2s é ligado o motor e como seria de esperar, o primeiro a sentir este efeito é 2
o atrelado que regista o seu mais alto pico de 12,5 m/s da zona inicial deste ensaio. Aos 5,7s e passados 0,5s depois do efeito da ignição do motor ter sido sentido pelo atrelado, a bicicleta sofre o efeito de accionamento do motor, apontando nesse respectivo ciclo um substancial e o maior pico 2
que atinge 13,7 m/s (figura 7.15). Entre a zona inicial e em lomba (dos 6s aos 12s), a bicicleta anda impulsionada pelo motor e com aceleração linear constante segundo o eixo z de aproximadamente 1G.
az [m/s^2] 40 30 20 10 0 -10 12 -20 -30
LOMBA COM MOTOR (eixo z) [zona lomba]
12,5 Bicicleta Atrelado
13
13,5
14
t [s]
FIGURA 7.16 - Zona lomba: Aceleração linear (z) versus Tempo
Através da figura 7.16 é visível a zona em que o sistema passa pela lomba (dos 12 aos 14s) salientando-se três momentos importantes, a passagem da roda da frente da bicicleta, da roda de trás e a passagem da roda do atrelado. A passagem da roda da frente da bicicleta é sentida em primeiro lugar pela bicicleta (a verde) como seria de esperar, constatando-se pelo ciclo de picos de 2
2
aproximadamente 5 m/s e 15,8 m/s . Só depois este efeito é sentido pelo atrelado, mas pouco efeito tem devido à grande distância que separa a roda da frente da bicicleta do acelerómetro do atrelado. Este efeito é sentido a cerca de 12,5s de ensaio. O segundo momento, da passagem da roda de trás da bicicleta pela lomba, como se esperava, é sentido em primeiro lugar também pela bicicleta, devido ao posicionamento do acelerómetro da bicicleta estar junto ao quadro e por baixo do selim, estando por isso mais próximo da sua roda traseira. Na bicicleta e nessa região são registados dois picos de 2
2
5 m/s e aproximadamente 26 m/s . A resposta do atrelado vem imediatamente a seguir com o pico 2
de aproximadamente 19 m/s . Depois, quando a roda do atrelado passa pela lomba, sensivelmente 2
2
aos 13,75s, dão-se no atrelado os maiores picos de aceleração de cerca 35 m/s e -25 m/s . A resposta da bicicleta em aceleração não é tão afectada nesta zona, pouco se notando oscilação da mesma quando da passagem da roda do atrelado pela lomba.
76
LOMBA COM MOTOR (eixo z) [zona final]
az [m/s2] 27,5 22,5 17,5 12,5
t [s]
7,5
Bicicleta Atrelado
2,5 15,5
16
16,5
FIGURA 7.17 - Zona final: Aceleração linear (z) versus Tempo
Na zona final, observam-se aproximadamente aos 16,25s, relevantes picos de aceleração no 2
2
2
2
atrelado (cerca 3,5 m/s e 25 m/s ), e respectivos picos na bicicleta (cerca de 7 m/s e 14 m/s ). Este momento corresponde à imobilização da bicicleta e paragem do motor (figura 7.17). São comparados, de seguida, nas figuras 7.18, 7.19 e 7.20 a evolução da aceleração linear nos três eixos ao longo do tempo para os testes com e sem motor à passagem por lomba.
2
ax [m/s ] 40 30 20 10 . 0 -10 0 1
LOMBA - COM e SEM MOTOR (eixo x) Atrelado s/ motor Atrelado c/ motor
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17
t [s]
-20 -30 FIGURA 7.18 - Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (x) versus Tempo
ay [m/s2] 40 30 20 10 0 -10 0 1 -20 -30
LOMBA - COM e SEM MOTOR (eixo y)
2
3 4 5 6 Atrelado s/ motor Atrelado c/ motor
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17
t [s]
FIGURA 7.19- Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (y) versus Tempo
77
LOMBA - COM e SEM MOTOR (eixo z)
az [m/s2] 40 30 20 10 0 -10 0 1 -20 -30
2
3 4 5 6 Atrelado - s/ motor Atrelado c/ motor
7
8
9
t [s] 10 11 12 13 14 15 16 17
FIGURA 7.20 - Ensaio em lomba com e sem motor: Aceleração linear (z) versus Tempo
Nota-se que as acelerações para o atrelado impulsionado pelo motor são ligeiramente superiores quando comparadas com o teste sem o motor ligado. Mas de uma maneira geral, verificase que não há variações significativas a apontar nos três respectivos eixos quando se compara o teste com e sem motor à passagem por lomba. Tendo em conta ainda o teste realizado para o atrelado com motor ligado e à passagem por lomba, é feita para esse ensaio uma análise de velocidade linear segundo a direcção longitudinal y ao longo do tempo. Isto é visível na figura 7.21, onde se mostra o ensaio restringido à zona inicial (0s aos 7,5s), que revela ser essencial para a percepção do patamar constante de velocidade linear atingida pelo motor.
vy [m/s] 6
LOMBA COM MOTOR: Velocidade Linear (y) verus Tempo
5 4 3 2 1 0
t [s] 0
1
2
3
4
5
6
7
FIGURA 7.21 - Ensaio em lomba com motor: Velocidade linear (y) versus Tempo [0 aos 7,5s]
Nos instantes iniciais e até sensivelmente aos 2,5s, percebe-se que o veículo ainda não iniciou a sua marcha, estando portanto parado e com velocidade linear nula. Aos 3s o sistema sofre o efeito do pedalar da bicicleta por parte do ciclista, evidenciando-se por isso um crescimento de velocidade até a um patamar de cerca de 4,5 m/s. De seguida e a partir dos 5s, é visível no atrelado um patamar constante de velocidade de 2m/s que corresponde à velocidade imposta pela rotação do motor. Nesse instante dá-se a ignição do motor e posterior deslocamento do sistema até encontrar a lomba.
78
7.3 Performance do veículo Nos testes atrás enunciados, foram inseridos na estrutura de chassis, duas baterias (estando uma delas ligada), as mesmas foram colocadas nos devidos apoios e localizadas na zona superior da estrutura, mais próxima da bicicleta. Na zona inferior da estrutura e mais afastada da bicicleta, colocaram-se (nos apoios para as baterias), num dos lados a caixa de aquisição de dados dos acelerómetros e do outro lado os dijuntores. A posição dos acelerómetros pode ser vista na figura 7.22. Os controladores foram montados de modo a ficarem centrados em relação ao eixo longitudinal de simetria do chassis, para que não houvesse uma distribuição desigual de massas na estrutura. Estes controladores foram incorporados ao atrelado com o auxílio de suportes de plástico, de aço, espumas e de braçadeiras. Estes ligaram directamente aos suportes em U das caixas de baterias, situadas na zona mais afastada da bicicleta.
a)
b)
FIGURA 7.22 – Detalhes da posição dos acelerómetros a) bicicleta b) atrelado
Na figura 7.23 encontram-se os diferentes componentes montados para a realização dos testes experimentais.
79
A – Controlador
A
B – Caixa de aquisição de dados
A
dos acelerómetros
B
C – Dijuntores
C
D – Bateria Lead Acid 12V 36A.h
D
E – Acelerómetro
D E
FIGURA 7.23 – Componentes utilizados nos ensaios experimentais
Após a realização dos ensaios experimentais, teve-se em atenção a avaliação da ciclística do conjunto. O seu comportamento foi inspeccionado de modo a perceber a performance da estrutura concebida. O deslocamento vertical sofrido pelo atrelado à passagem por uma lomba de r = 50 mm pode ser constatado na figura 7.24. A colocação de amortecedor na roda do atrelado, permitiria controlar os movimentos de suspensão, melhorar estas oscilações verticais e funcionaria de modo a manter um contacto contínuo do pneu com o pavimento, melhorando a sua estabilidade.
FIGURA 7.24 – Deslocamento vertical do atrelado
Verificou-se alguma oscilação lateral do atrelado, que pode ser vista na figura 7.25.
FIGURA 7.25 – Oscilação lateral do atrelado a) Vista de traseira b) Vista lateral
O aumento do comprimento cabo para ignição do motor e a sua colocação no guiador seria uma possibilidade satisfatória para alcançar maior funcionalidade do conjunto. Outra possibilidade seria tornar este sistema automático (figura 7.26).
80
FIGURA 7.26 – Ignição do motor com auxílio de outra pessoa
De um modo qualitativo, as características mais significativas são apresentadas na tabela 7.2. TABELA 7.2 – Observações aos testes experimentais
Factos observados
Possíveis Soluções
- Deslocamento vertical significativo do atrelado à passagem por lomba de r = 50 mm
(figura 7.24)
Colocação de amortecedor na roda que compõe o atrelado.
○ Nota: O projecto do chassis foi feito para inserção e utilização de quatro baterias, contudo, só foram usadas duas baterias nos testes experimentais, com apenas uma delas ligada.
Melhoramento
da
distribuição
de
massas
dos
componentes do chassis.
simetria longitudinal do mesmo, de modo a que as
- Oscilação lateral do chassis
(figura 7.25)
Encurtar todo o chassis, aproximando-o do eixo de
baterias fiquem mais próximas da roda e do motor.
Melhorar apertos do mecanismo de ligação do atrelado à bicicleta, junto ao chassis.
Diminuir o comprimento do mecanismo ligação do atrelado à bicicleta, ou seja, diminuir o braço, reduzindo os esforços de torção.
Elevação de toda a estrutura do chassis, isto é, um novo chassis em que a distância vertical (dos tubos que o
- Apenas permite fazer curvas com raio r ≥ 4 m
constituem) seja maior relativamente ao pavimento.
Diminuir a largura de todo o conjunto de chassis.
81
7.4 Validação O modelo computacional desenvolvido foi validado recriando computacionalmente os testes experimentais realizados para o efeito. Num desses testes experimentais, todo o sistema, ou seja, o ciclista, a bicicleta e o atrelado efectuaram um percurso em linha recta com auxílio do motor e ao mesmo tempo fez-se passar esse conjunto por uma lomba. Verifica-se assim que, o andamento da curva de aceleração linear resultante da modelação dinâmica está em conformidade com os testes experimentais, no que diz respeito ao objecto de estudo que é o atrelado. Porém, e apesar de pontualmente existirem pequenas diferenças nas acelerações lineares dos três eixos, elas estão situadas dentro de uma mesma gama de valores. Os resultados obtidos pela modelação dinâmica computacional constituem uma aproximação à realidade e tem que se tomar isso em consideração. Nota-se que nessa aproximação, a análise computacional funcionou com modelos de corpos rígidos, sendo os sistemas suspensão e amortecimento praticamente nulos ou inexistentes. O modelo de bicicleta da modelação computacional (assembley de partilha virtual de modelos 3D) é semelhante em geometria e materiais à dos testes experimentais mas não igual, verificando-se aí ainda algum escorregamento pelo facto do sistema ter que embater no pavimento para que sejam reconhecidos globalmente todos os contactos.
82
8. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Os veículos de propulsão eléctrica tornaram-se cada vez mais úteis e necessários porque são uma alternativa, não só à limitação de recursos e aos constrangimentos energéticos das últimas décadas, mas também devido aos impactos ambientais associados às fontes convencionais que se estão a intensificar de forma negativa para a sustentabilidade do planeta.
O protótipo desenvolvido pretende-se portátil e permite, se for desejado, o uso em exclusivo da bicicleta sem ser impulsionada pela rotação do motor, funcionando como uma comum bicicleta. Este atrelado eléctrico acoplado a bicicletas permitiu aliar conjuntamente as funções e vantagens das bicicletas eléctricas e dos atrelados, num único sistema. Os parâmetros de decisão na selecção de material foram a densidade (parâmetro mais relevante), tenacidade à fractura, tensão de cedência, custo unitário e rigidez. Através da análise aos mapas de Ashby e com o intuito de seleccionar o material para satisfazer as exigências do chassis, elegeu-se o Alumínio 6063 como a melhor solução. Foram paralelamente comparados numa simulação estática computacional o Ferro Fundido P 60-03 e o Aço Carbono AISI 1030 em relação ao Alumínio 6063-T5. Nesse estudo, avaliaram-se parâmetros como a extensão e o factor de segurança destes dois materiais pré-seleccionados. Demostrou-se que não havia necessidade prévia da sua eliminação no estudo de selecção de material, destacando-se o Alumínio sobretudo pela sua baixa densidade quando comparada com esses dois materiais. Com a análise de projecto estático constatou-se que a secção crítica se situava na furação da estrutura correspondendo ao encaixe do veio da roda do atrelado, sendo que os esforços máximos totalizavam uma tensão efectiva de Von Mise de aproximadamente 5,4 MPa. Tendo em conta o material anteriormente seleccionado, comprovou-se a segurança do protótipo com um factor de segurança n = 22,2. As cargas externas são baixas e culminam num ponto crítico da estrutura que se encontra em plena segurança, estando todo a estrutura dentro do regime elástico. Conclui-se também que a validação teórica feita pela análise de tensões serve e comprova a modelação estática computacional efectuada. Foram modeladas algumas opções para a escolha do modelo de chassis a desenvolver. Foi rejeitada a proposta inicial de chassis tubular circular devido às formas complexas e aos seus raios de curvatura, que seriam difíceis de conjugar numa união por soldadura assim como o tempo de processamento e construção seria mais demorado. O chassis escolhido para desenvolver e conceber baseou-se num conjunto de especificações e exigências como a funcionalidade, material leve, custo de fabrico baixo, construção simples, fácil montagem/desmontagem e uma estrutura com rigidez e resistência suficiente para suportar as cargas impostas. A estrutura de chassis apresentou assim um perfil de secção tubular rectangular. A modelação dinâmica computacional foi validada e serviu para prever o comportamento do sistema, verificando-se uma satisfatória concordância com o resultado experimental. Tanto na
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simulação computacional dinâmica como nos testes experimentais é possível avaliar e entender o comportamento da bicicleta como também do atrelado. São perceptíveis os instantes de arranque pelo pedalar da bicicleta, o accionamento do motor, o instante de passagem por lomba tanto do atrelado como da bicicleta e ainda o instante que corresponde ao finalizar do ensaio.
As aplicações futuras deste trabalho poderiam passar por melhorar este que foi o primeiro protótipo, com o objectivo de solucionar alguns factos observados nos testes experimentais. Através dos estudos de layout é possível de futuro conceber a cobertura de chassis desenvolvida nesta dissertação. A aplicação de sistemas de geração de energia limpa, ou seja, painéis solares, orientáveis de acordo com a posição do sol, poderá ser um seguimento deste trabalho de maneira a aumentar ainda mais a eficiência e o alcance máximo destes veículos.
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REFERÊNCIAS [1] O papel da bicicleta na mobilidade urbana; Federação Portuguesa de Cicloturismo e Utilizadores de Bicicleta (FPCUB); Transportes em Revista; Abril 2008 [2] http://www.2numundo.com/2012/02/dicas-atrelados-para-bicicletas.html [3] http://www.gazellebikes.com/ [4] Julie Murray, Patricia Ryan-Krause; Bicycle Attachments for Children: Bicycle Seats, Trail-a-bikes, and Trailers; Journal of Pediatric Health Care, Volume 23, Issue 1, Pages 62-65; January–February 2009. [5] Christopher Cherry, Robert Cervero; Use characteristics and mode choice behavior of electric bike users in China; Transport Policy, Volume 14, Issue 3, Pages 247-257; May 2007. [6] http://www.bikemagazine.com.br/2011/03/bicicletas-eletricas/ [7] http://scooterseletricas.blogspot.pt/2011/12 [8] J. Dekoster, U. Schollaert; Cidades para Bicicletas, Cidades de Futuro; Comissão Europeia, DG ENV; Luxemburgo; 2000. [9] José Carlos Rodrigues; Aeromodelismo Teórico e Prático; Serviço de Publicações da Mocidade Portuguesa; Novembro 1964. [10] http://www.motonline.com.br/ciclistica-da-moto-como-funciona/ [11] ] David Lie, Cheng-Kuo Sung; Synchronous brake analysis for a bicycle; Mechanism and Machine Theory, Volume 45, Issue 4, Pages 543-554; April 2010. [12] K. T. Ulrich, S. D. Eppinger; Product Design & Development; McGraw-Hill, 3rd Ed; 2003. [13] http://www.solidworks.com; 3D CAD Design Software Solidworks. [14] http://www.grantadesign.com/education/edupack2011.htm; Software CES Edupack 2011. [15] Ashby, M., Shercliff, H., and Cebon, D.; Materials: engineering, science, processing and design; Butterworth-Heineman; 2nd Ed; 2010. [16] NP EN 573-1: 1996 - Alumínio e ligas de alumínio - Composição química e forma dos produtos trabalhados. Parte 1: Sistema de designação numérica. [17] NP EN 573-3: 1996 - Alumínio e ligas de alumínio - Composição química e forma dos produtos trabalhados. Parte 3: Composição química. [18] http://www.matweb.com/; MatWeb. [19] NP EN 755-2: 1999 - Alumínio e ligas de alumínio - Barras, tubos e perfis extrudidos. Parte 2: Características mecânicas. [20] Metodologias de projecto e construção de chassis tubulares (spaceframe) de veículos leves.pdf; Junho; 2009. [21]
NP
1515:1977
(1ª
Edição)
Soldadura.
Representação
simbólica
nos
desenhos
CORRESPONDÊNCIA: ISO 2553:1974. [22] Santos,J.F.O., Quintino,L.; Processos de Soldadura; Ed. ISQ; 1998. [23] Dário Silva; Electromagnetic braking system for aircraft application, Prototype design; Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Aeroespacial; IST; 2010.
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ANEXOS
Antes de qualquer análise ao projecto, que neste caso passou por o desenvolvimento e concepção de um atrelado eléctrico, é necessário verificar as leis inerentes a estes veículos para melhor compreender o enquadramento legal deste tipo de estruturas. São enumerados os mais importantes artigos do Código da Estrada Portuguesa (Decreto-Lei nº. 114/94, de 3 de Maio na redacção dada pelo D.L. nº. 82/2011, de 20 de Junho), referentes a esta temática:
Artigo 112º Velocípedes 1 – Velocípede é o veículo com duas ou mais rodas accionado pelo esforço do próprio condutor por meio de pedais ou dispositivos análogos. 2 – Velocípede com motor é o velocípede equipado com motor auxiliar eléctrico com potência máxima contínua de 0,25 kW, cuja alimentação é reduzida progressivamente com o aumento da velocidade e interrompida se atingir velocidade de 25 km/h, ou antes, se o ciclista deixar de pedalar. 3 – Para efeitos do presente Código, os velocípedes com motor e as trotinetas com motor são equiparados a velocípedes.
Artigo 113º Reboque de veículos de duas rodas e carro lateral 1 – Os motociclos, triciclos, quadriciclos, ciclomotores e velocípedes podem atrelar, á retaguarda, um reboque de um eixo destinado ao transporte de carga. 3
2 – Os motociclos de cilindrada superior a 125 cm podem acoplar carro lateral destinado ao transporte de um passageiro.
No que se refere ao Regulamento do Código da Estrada Portuguesa (Decreto nº. 39987, de 22 de Dezembro de 1954), evidenciam-se alguns detalhes também importantes:
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Artigo 33.° Velocípedes – As caixas de carga dos velocípedes de mais de duas rodas destinados ao transporte de mercadorias não poderão exceder as seguintes dimensões, incluindo a carga: a) Comprimento …………………………………………….………………………………………….…...1,20 m b) Largura ………….........................................................................................................................1,10 m c) Altura a partir de …………………………………………………………………..……………………1,20 m
2 – No caso de ser atrelado ao veículo o carro a que se refere a segunda parte do (n.° 4 do artigo 38.°) do Código da Estrada, a soma das respectivas taras não poderá exceder 55kg. 3 – O carro a que se refere o número anterior deve obedecer às seguintes condições: a) Só poderá ser atrelado a velocípede de duas rodas; b) A ligação ao velocípede deverá ser feita através de dispositivo mecânico apropriado e por forma a não provocar o desequilíbrio do conjunto; c) Não poderá transportar uma carga útil superior a 50 kg; d) O peso bruto não deverá em caso algum incidir, total ou parcialmente, sobre o velocípede; se o carro tiver um só eixo, a vertical que passe pelo respectivo centro de gravidade deverá cair sobre o eixo; e) A largura máxima, incluindo a carga, não deverá exceder 70 cm; f) Deverá ser provido de um reflector vermelho colocado do lado esquerdo na retaguarda, devendo ainda, no caso de o carro ou da respectiva carga impedirem a visibilidade da luz vermelha ou da superfície branca retrorreflectora do velocípede rebocador, referido no (n.° 10 do artigo 38.°) do Código da Estrada, dispor de uma luz idêntica à retaguarda e do lado esquerdo, bem como de superfície branca retrorreflectora com 10 cm de altura e em toda a extensão do painel de segurança; g) As rodas deverão obedecer às condições a que se refere o n.° 13 do artigo 33.° do Código da Estrada;
h) Quando o carro ou a respectiva carga impedir, total ou parcialmente, a visibilidade da chapa de matrícula do veículo rebocador, deverá dispor à retaguarda de uma chapa igual àquela.
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