relatório baja sae nacional competição de 2013
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PROJETAR E CONSTRUIR UM PROTÓTIPO OFF-
ROAD PARA A 19° COMPETIÇÃO SAE BRASIL
DE MINI BAJA
Angela de Jesus Vasconcelos
Leonardo Silva da Costa
Mauricio de Moraes Tavares
Max Kakue Sasaki
Thiago Henrique Fernandes Dias Ferrão
Walbert do Nascimento Santos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Equipe Tupinambaja
Arildomá Lobato Peixoto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Professor orientador da Equipe
Copyright ©2013 Society of Automotive Engineers, Inc
1. RESUMO
O projeto Baja SAE é uma competição
entre Instituições de Ensino Superior que
desafia estudantes de engenharia através da
simulação de um caso real de desenvolvimento
de projeto, com todas as atividades que
envolvam o mesmo, visando à aplicação prática
dos conhecimentos adquiridos em sala de aula.
E, com o objetivo de presenciar um
caso real de engenharia, houve a seleção de uma
equipe de estudantes de Engenharia de
Materiais, junto a voluntários do Curso Técnico
em Mecânica do Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia do Pará, a fim de
participar da 19º competição da Baja SAE
Brasil que será realizada em Piracicaba, São
Paulo em Março de 2013. Para isso, os discentes
passaram por inúmeras tarefas como trabalho
em equipe, administração de pessoas e recursos,
dimensionamento e escolha de materiais, além
da organização de atividades.
2. INTRODUÇÃO
O projeto Baja SAE foi criado na
Universidade da Carolina do Sul, Estados
Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens,
sendo que a primeira competição ocorreu em
1976. No Brasil, a competição foi realizada pela
primeira vez em 1995 e desde então tem
crescido gradativamente, tornando-se uma das
mais importantes atividades extracurriculares
para estudantes de engenharia.
A competição consiste na realização de
inúmeras provas para, no fim, ser decidido,
pelos Juízes Credenciados, a classificação das
equipes.
As provas se fundamentam em
avaliações estáticas (350 pontos) e dinâmicas
(650 pontos). A primeira se baseia em três
etapas: Inspeção Técnica e de Segurança,
seguida da Verificação do Motor e, por fim, a
Avaliação do Projeto. Já a segunda subdivide-se
em cinco etapas: aceleração (60 pontos);
velocidade máxima (60 pontos); tração (60
pontos); manobrabilidade – Slalon – (70
pontos), o qual se refere a executar um traçado
sinuoso e repleto de obstáculos, e enduro de
resistência (400 pontos) – os veículos
completam voltas em um terreno irregular, off-
road, em qualquer condição climática, durante
um tempo estimado de quatro horas.
Durante o período de idealização e
montagem do protótipo, os discentes
vivenciaram a realidade de um engenheiro,
quanto às atividades de projetar, construir e
testar a qualidade do produto.
Outra habilidade do competidor a ser
acrescida durante a efetuação do projeto Mini
Baja está no quesito relação interpessoal, vista
por inúmeros profissionais como mero detalhe
exigido pelo mercado de trabalho, entretanto, de
fundamental importância para o bem estar de
uma empresa. Os estudantes trabalharam em
equipe durante todas as etapas de projeto,
construção e de teste, portanto, eles tiveram de
conviver em harmonia para o pleno
desenvolvimento de seu principal sonho:
Participar da 19° Competição SAE Brasil de
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Mini Baja, logo mostrar a qualidade do produto
desenvolvido pela equipe e pelo Instituto.
Um bom desempenho do Mini Baja
durante todas as etapas da competição, ou até a
possibilidade da vitória, acarreta na projeção
profissional imediata dos membros da equipe
para os setores privados da indústria nacional.
A equipe vencedora da 19° Competição
SAE Brasil de Mini Baja deterá a oportunidade
de participar da competição Baja SAE Kansas,
nos EUA, conferindo aos membros e à sua
Instituição o direito de visibilidade
internacional, quanto aos termos de produção
tecnológica.
O veículo deverá atender a
características, como os exemplos: ser
monoposto; robusto; visando sua
comercialização ao público entusiasta, não
profissional; seguro e facilmente transportado.
O mesmo também deve ser capaz de vencer
terrenos acidentados em qualquer condição
climática, sem apresentar danos. Para ser
desejado pelo suposto fabricante, o veículo deve
ser atrativo ao mercado consumidor pelo seu
visual, desempenho, confiabilidade e facilidade
de operação e manutenção. Além do fato de ser
fabricado com ferramental padrão, requerendo
pouca ou nenhuma mão-de-obra especializada.
O presente trabalho é de fundamental
importância, devido ao interesse no
desenvolvimento de um veículo produzido pela
primeira vez no Instituto Federal do Pará,
valorizando a instituição assim como o próprio
Estado.
E, os alunos, além de executar
atividades engenharia terão a obrigação de
buscar recursos para patrocinar o projeto. Para
tanto, eles devem proceder de políticas de
marketing perante certas empresas, indústrias,
montadoras, entre outros interessados em
sustentá-los financeiramente e contar com o
apoio de sua Instituição.
Então, com o espírito de desafio, foi
montada a equipe Baja do IFPA, batizada de
Tupinambaja, onde fazem parte 6 (seis) alunos
de Engenharia de Materiais e 4 (quatro) alunos
do curso Técnico em Mecânica, além de um
professor orientador. Os alunos do curso
Técnico em Mecânica ingressaram como
colaboradores.
3. OBJETIVO
O presente trabalho como objetivo
geral o de incentivar estudantes de Engenharia
de Materiais do IFPA a aliar o estudo teórico,
aprendido em salas de aula, à sua prática
laboratorial-experimental, com propósito de
projetar e construção um protótipo automotivo
fora de estrada (off-road) para vencer a 19°
Competição Baja SAE Brasil, a ser disputada
em 2013, na cidade de Piracicaba, São Paulo.
Objetivos específicos:
1. Projetar um protótipo Mini
Baja;
2. Construir um Mini Baja;
3. Competir na Baja SAE Brasil
– Petrobras 2013.
4. METODOLOGIA
Após a formação da equipe iniciou-se
as discussões sobre o que seria o protótipo, os
“rascunhos” mostrados em CAD deram uma
ideia inicial de como seria as dimensões do
veiculo, posteriormente foram feitas
modificações para uma melhor adequação do
projeto.
Através do desenho foi possível
começar a construção do veiculo sendo
inicialmente construída a estrutura principal
denominada de gaiola ou RollCage, que será a
estrutura que irá acomodar o piloto, além dos
demais sistemas do veículo.
A presença dos alunos do curso técnico
de mecânica foi de extrema importância para a
construção, pois os estudantes do técnico
possuem conhecimento prévio nos processos de
fabricação, como usinagem, soldagem etc, com
isso podendo repassar esses conhecimentos aos
demais participantes da equipe.
Depois de pesquisas na literatura e
testes em laboratório foi selecionado o processo
de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas), devido
à alta qualidade do processo e possuir cordões
com ótimo acabamento, aliados a excelentes
propriedades mecânicas.
Como norma para a competição de
Baja SAE Brasil o motor deve ser padrão, sendo
que as modificações estão no sistema de
transmissão somente, onde foi utilizado a
transmissão do tipo CVT (Continuously variable
transmission) do modelo QDS CVT PWB50-
TAS99 a qual é conectada ao eixo traseiro
através de uma correia, este tipo de transmissão
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possui um melhor rendimento e também é o
mais econômico, em relação aos outros sistemas
automático e manual.
O sistema de suspensão utilizado foi o
A simples e o sistema de suspensão traseira
seria o eixo rígido,
O conjunto do sistema de freio foi
adquirido com recurso da equipe, e montado
com sucesso, sendo que o sistema utilizado é do
tipo freio a disco com freio de estacionamento.
O sistema de direção inicialmente foi
utilizado a direção mecânica de um veículo
modelo Kombi, a via de teste, porém como a
caixa de direção não estava em perfeitas
condições o mesmo foi descartado, sendo
desenvolvido um novo sistema de direção
mecânica, no qual utiliza como principio o
sistema de pinhão de cremalheira, favorecendo
assim a diminuição do esforço exercido pelo
piloto no movimento de rotação do volante,
sendo este montado pela equipe, através de
processos como a usinagem e soldagem.
Além da construção em si do veiculo,
os discentes utilizaram de suas habilidades
interpessoais a procura de patrocínio e
divulgação do projeto, no qual os meios de
divulgação foram através de jornais
institucionais e redes sociais, e conseguiram
êxito na aquisição de patrocínio por parte de
empresas privadas que se interessaram no
projeto.
4.1 SISTEMAS DO VEÍCULO
Com base no regulamento foram
selecionados as configurações e equipamentos
que fazem parte dos sistemas do veículo.
Devido ao fato de ser a nossa primeira
experiência nesse tipo de competição e na área
automotiva, decidimos adotar sistemas simples
e ao nosso alcance financeiro.
4.1.1 ESTRUTURA
A estrutura da gaiola obedeceu ao
capítulo 7 do Regulamento Baja SAE Brasil
referente aos Requisitos Mínimos de Segurança.
A mesma é constituída por material aço tubular,
com dois tipos de tubos, como mostra a Figura
1:
Figura 1 - Gaiola
O tubo em vermelho tem 1’’ de
diâmetro externo, com 2mm de espessura de
parede, já o outro em cinza tem 1 ¼’’ de
diâmetro externo, com 1,5mm de espessura de
parede.
A gaiola foi projetada para transportar
uma única pessoa com até 1,90m de altura e
distância mínima de 15cm entre qualquer parte
de seu corpo a qualquer tubo.
Além de abrigar o piloto, a gaiola tem a
incumbência de alojar os demais sistemas do
veículo, como a suspensão, a direção, o freio e a
transmissão de potência.
A estrutura da gaiola foi o primeiro
projeto a ser concluído pela equipe, já que os
demais sistemas iriam se adequar à mesma.
Primeiramente: elaborou-se um
desenho que representaria a estrutura real do
veículo, entretanto, necessitou-se refazê-lo, já
que surgiriam contínuas alterações com o
avançar da construção. A adaptação de projeto
se estendeu mais quatro vezes, até que se
conseguiu atingir a gaiola, cuja geometria é
mostrada na Figura 1.
Após a etapa de idealização, pesquisa e
modelagem em CAD, efetuou-se a etapa de
construção da gaiola. A construção iniciou com
a preparação dos tubos, já que se fazia
necessário cortá-los e preparar suas juntas de
conexão de acordo com o projeto. Para otimizar
a preparação manual das juntas realizaram-se
plotagens em escala 1:1 das contornos das
mesmas, as selas, possibilitando o corte e
acabamento com maior precisão.
O processo de soldagem responsável
por fazer a união entre os tubos foi o TIG
(Tungsten Inert Gas).
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De acordo com Marques, Modenesi e
Bracarense (2009) o processo de soldagem TIG
tem como vantagens, se comparado ao eletrodo
revestido a possibilidade de se soldar peças
metálicas de finas espessuras, como tubulações
de espessuras de 1 a 2 mm. Porém como o
projeto em especifico não prioriza a produção
em massa e sim a qualidade da junta soldada, o
processo TIG ainda é a melhor opção.
Os parâmetros de soldagem utilizados
no processo foram testados e aprimorados de
acordo com o soldador, a corrente de tensão
ideal e a vazão de gás são respectivamente, 60A
e vazão de 16 L/minuto, que resultaram em um
cordão uniforme com um grau de porosidade
mínima e boa velocidade de soldagem.
4.1.2 TRANSMISSÃO E MOTOR
O motor é a fonte de energia do
veículo. Converte a energia calorífica produzida
pela combustão da gasolina em energia
mecânica, capaz de imprimir movimento às
rodas (COSTA, 2002). Normatizado como uma
exceção na competição, por ser padronizado
para todas as equipes, o motor é um Briggs &
Stratton OHV (Figura 2), com rotação máxima
limitada a 3.800 rpm. A unidade desenvolve
10hp de potência e torque máximo de 1,9 kgfm
a 2.800 rpm.
Figura 2 - Motor.
Analisando carros de outras edições da
competição e a disponibilidade de sistemas de
transmissão disponíveis e compatíveis no
mercado, foi escolhido para atuar em conjunto
com o motor a fim de potencializar sua
eficiência e desempenho, trazendo mais
conforto e comodidade para o piloto, um
sistema de transmissão automática Polaris
modelo P90. O próprio fabricante especifica que
o equipamento é projetado para um motor de
potência semelhante ao utilizado na competição
Baja SAE podendo engatar 3600 rpm, e sua
faixa de redução varia de 3,83:1 até 0,76:1. O
conjunto é composto por uma polia motriz e
uma polia conduzida, além de uma correia que
ligam as duas. A condutora, também chamada
de polia de entrada, pois recebe o torque que
vem do motor e a conduzida, polia de saída, por
transferir potência para a árvore de transmissão.
Então elas variam seus raios alternadamente
sempre mantendo a correia tensionada e
gerando um numero infinito de relações de
marchas desde a marcha mais baixa até a
marcha mais alta, Figura 3.
Figura 3 - Ilustração da transmissão
4.1.3 SUSPENSÃO
A suspensão tem por finalidade evitar
que as irregularidades do piso sejam
transmitidas para o carro. Pensando neste
principio e em mais três; gastos de materiais,
custo e eficiência. Foram elaborados dois tipo
de suspensões: simples A e de Eixo rígido,
como mostrado na Figura 4.
Figura 4 - Desenho da Suspensão instalada na
gaiola.
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Dianteira: Foi instalado um sistema
parecido com o de Braço sobreposto ou double
wishbone como é chamado em inglês, porem,
em vez de ter dois braços triangulares ligados ao
cubo de roda contem apenas um braço e entre
ele e a gaiola (Rolle) foi colocado em ângulo
agudo a mola helicoidal e o amortecedor. Este
sistema é independente, ou seja, em rodas do
mesmo eixo as oscilações sofridas por uma não
chegam até a outra (Figura 5).
Figura 5 - Desenho da Suspensão Dianteira.
Traseira: Foi instalado um sistema de
eixo rígido. É do tipo de suspensão mais simples
e antigo que existe. São apenas duas molas e
amortecedores instalados em ângulo reto entre a
gaiola (Rolle) e o eixo. Sendo tão simples seu
custo é baixo, utiliza poucos materiais e não é
necessário manutenção, porem, é um sistema
totalmente dependente, ou seja, as oscilações
sofridas por uma roda chegam à outra de mesmo
eixo (Figura 6).
Figura 6 - Desenho da Suspensão Traseira.
4.1.4 SISTEMAS DE DIREÇÃO
A direção, sistema esse assim como o
freio e o acelerador, são os que matem o contato
do piloto com o veículo. Então, num automóvel,
contudo, o motorista não teria força suficiente
para comandar as rodas da frente se estas
estivessem diretamente ligadas ao volante.
Assim, o sistema de direção inclui um
mecanismo de redução e, às vezes, um
dispositivo de assistência mecânica para
multiplicar o esforço que o motorista aplica ao
volante (COSTA, 2002). Sendo assim, o sistema
escolhido para protótipo foi o de direção pinhão
cremalheira, muito conhecido e difundido na
indústria automotiva, devido ao baixo custo,
fácil fabricação, fácil manutenção, além do mais
a ocupação de pouco espaço e baixo peso,
exemplificada na Figura 7.
Figura 7 - Ilustração da direção
O pinhão é fixado à árvore de direção.
Quando gira o volante, o pinhão gira e
movimenta a cremalheira. A barra de direção
em cada extremidade da cremalheira se conecta
ao braço de direção na manga de eixo. O
conjunto tem duas funções principais: converte
o movimento de rotação do volante de direção
no movimento linear necessário para transladar
as rodas, além do mais, proporciona uma
redução por engrenagens, o que facilita virar as
rodas.
4.1.5 SISTEMA DE FREIO
Como tudo dentro do projeto
BAJA, cada componente a ser colocado na
estrutura do carro deve ter considerado sua
eficiência e seu peso. Para a escolha do sistema
de freio foram utilizados os seguintes critérios:
Fácil Manutenção
Leve
Gradual
Uniforme
Baixo número de
componentes
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Manter o veículo controlável
durante a frenagem
Parar o veiculo no menor
espaço possível
O sistema de freio possui acionamento
hidráulico que é comandado por um cilindro
mestre, que por sua vez é acionado pelo pedal
de freio. Neste sistema de freio a parte dianteira
é independente da traseira. Permite travar as
quatro rodas.
O acionamento ocorre da seguinte
maneira: quando o pedal é pressionado, o fluído
é empurrado pelo cilindro mestre para a
tubulação, ao mesmo tempo a pressão é
transferida pelo fluido incompressível através da
tubulação de freio. O fluido é empurrado
simultaneamente contra o embola da pinça e,
por conseguinte o pistão da pinça empurra as
pastilhas contra o disco de freio. A Figura 8
ajuda a exemplificar o esquema.
Figura 8 - Ilustração do Sistema de Freio
5. RESULTADOS
Todos os sistemas do veículo foram
analisados e projetados de forma a se adaptar à
gaiola que foi projetada e construída de acordo
com os requisitos de segurança do Regulamento
Baja SAE Brasil.
A suspensão dianteira foi construída
conforme a configuração inicial da gaiola, com
sistemas independentes do tipo simples A e
sistema de suspenção traseiro do tipo eixo
rígido, porém o sistema de suspensão dianteiro
após testes iniciais da montagem ocorreu alguns
ajustes, devido a relação de comprimento de
braço de encaixe do amortecedor com o ângulo,
que no sistema inicial não estava suportando a
carga, sendo necessário a diminuição do
tamanho de braço ou torque, e aumento do grau
de angulação do amortecedor em relação ao
suporte de encaixe do amortecedor,
proporcionando assim alta capacidade de
absorção de impacto.
O sistema simples A para cada lado,
harmoniza os movimentos quantos aos
obstáculos que o Projetado vai enfrentar,
juntamente com a mola helicoidal, com
amortecedor inserido ao centro de cada braço
para suportar possíveis impactos. Quanto à
suspensão traseira, foi construído um sistema
simples de eixo rígido que faz da suspensão
homogênea e dois amortecedores de mola
helicoidal equidistantes, suportando as
irregularidades da superfície de forma
continuada entre os lados.
A transmissão CVT sendo simples e
não dependente do piloto para funcionar, faz
com que o mesmo possa se concentrar
diretamente na direção, sem se preocupar com a
troca de marchas.
Um sistema de direção pinhão
cremalheira foi adaptado segundo as dimensões
da gaiola adequando um determinado giro de
volante com menos esforços, convertendo-os no
movimento alinhado das rodas de forma
amplificada devido a uma redução por
engrenagens da cremalheira.
Assim que o sistema de freio aciona
um sistema hidráulico que empurra pastilhas
contra o disco de freio gerando uma frenagem
imediata..
6. CONCLUSÃO
No decorre do projeto os alunos de
Engenharia de Materiais, com o apoio de alunos
do curso Técnico em Mecânica tiveram que
aplicar os conhecimentos adquiridos em sala
aula, de propriedades dos materiais, desenho
técnico mecânico, processos de soldagem, além
de aplicar os conhecimento de física, química e
matemática, e de exercitar a relação
interpessoal, lidando com gestão de pessoas,
arquivos e financeira, com isso, e depois de
meses de trabalho árduo, chegando ao primeiro
veículo Baja construído no IFPA.
7. AGRADECIMENTOS
A Equipe Tupinambaja agradece ao
apoio Pibict pele disponibilidade de bolsas de
incentivo à pesquisa, aos professores do Curso
Técnico em Mecânica do IFPA que foram
nossos parceiros nesse projeto, a Faculdade de
Engenharia Civil da UFPA e a Faculdade de
Engenharia Mecânica da UFPA pela utilização
de diversos laboratórios e conselhos de seus
7
professores e ao patrocínio da Powerpoxi e
Tecnofink.
8. REFERÊNCIAS
1 - Regulamento da 19° Competição
Baja SAE Brasil. Disponível em:
<http://www.saebrasil.org.br/eventos/programas
_estudantis/baja2012/Default.aspx>Acesso em
28/04/2012.
2 - MARQUES, P.V; MODENESI,P.J.;
BRACARENSE,A.Q.; Soldagem. Fundamentos
e tecnologia. 1.ed. Belo Horizonte: UFMG,
2005.
3 - COSTA, P. A Bíblia do Carro,
2002.
4 - Como funcionam as CVTs
disponível em:
<http://carros.hsw.uol.com.br/cvt.htm> acesso
em 13/12/12.
5 - A suspensão explicada disponível
em:<http://bestcars.uol.com.br/tecprep/susp-
1.htm> acesso em 13/12/12.