85 utilização e proposta de melhoria da caixa de redução ... pontes rolantes, moinhos,...

Ling. Acadêmica, Batatais, v. 8, n. 1, p. 85-102, jan/jun. 2018

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Utilização e proposta de melhoria da caixa de redução fixa do veículo Baja Equipe Clarengex

Everton Widmer MARIANO1

Rodrigo Augusto de MATTOS2

Thiago Vianna GALAVOTTI3

Resumo: Esta pesquisa tem o objetivo de analisar e demonstrar, por meio de cálculos, as condições de trabalho da caixa de redução fixa de eixos paralelos modelo FAB47AD2 que foi utilizada no veículo Baja SAE Brasil, patrocinada pela empresa fabricante SEW Eurodrive. Além disso, pretende indicar pontos negativos no projeto para futuras melhorias. Por meio de cálculos, analisamos os esforços de tração e a eficiência do conjunto. Durante a execução do projeto de construção do Veículo Baja 2015 equipe Clarengex, foi identificada a necessidade de aumento do torque fornecido pelo motor e câmbio CVT, pois o fornecido não seria suficiente para executar as mais diversas provas que o veículo enfrentaria, entre elas, prova de tração que exige o máximo do veículo nas condições de trabalho. Pelo levantamento de dados relacionados ao veículo, como potência, torque, RPM de entrada e saída, relações do câmbio CVT, força de atrito, esforços de tração, fator de segurança de eixos, engrenagens e chavetas, coletaram-se as informações necessárias para analisarmos o redutor. No caso do redutor, os cálculos de fatores de segurança de falha por fadiga de eixos e engrenagens, vida útil de rolamentos e cálculo térmico serão realizados pelo patrocinador e fabricante do equipamento, por meio do software Wesilab, este de domínio e uso interno da fabricante SEW Eurodrive, o que não permitirá a divulgação da metodologia aplicada. Por fim, concluímos que, apesar de utilizarmos uma caixa de redução comercial, a qual não é projetada para esta aplicação, devido à sua dimensão e robustez, os dados obtidos na prática foram satisfatórios para as condições exigidas no projeto. Sendo assim, para projetos futuros propomos como ideal o desenvolvimento de uma caixa de câmbio com duas velocidades mais compacta e leve, para que possa ganhar em desempenho e proporcionar as diferentes relações exigidas durante as provas.

Palavras-chave: Caixa de Redução. Torque. Powertrain.

1 Everton Widmer Mariano. Bacharel em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <[email protected]>.2 Rodrigo Augusto de Mattos. Bacharel em Engenharia Mecânica pelo Claretiano – Centro Universitário. E-mail: <[email protected]>.3 Thiago Vianna Galavotti. Bacharel em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho” (UNESP). E-mail: <[email protected]>.


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Use and proposal to improve the fixed reduction box of the Baja Team Clarengex

Everton Widmer MARIANORodrigo Augusto de MATTOSThiago Vianna GALAVOTTI

Abstract: The aim of this research is to analyze and demonstrate by means of calculations the working conditions of the FAB47AD2 parallel axle fixed reduction box, which was used in the Baja SAE Brazil vehicle, sponsored by the manufacturer SEW Eurodrive. In addition, it intends to indicate negative points in the project for future improvements. By means of calculations, we analyze the tensile stresses and the efficiency of the set. During the execution and construction of 2015 Baja Clarengex Team’s vehicle, it was identified the needing to increase torque provided by the engine and CVT exchange, since amount the provided was not enough to perform all tests the vehicle should go through, such as traction test that demands the maximum of the vehicle in working conditions. By collecting data related to power, torque, inlet and outlet RPM, CVT exchange rates, friction force, tensile stresses, axle safety factor, gear and keys, we could use those informations to analyze the reducer. In the case of the gear unit, calculations of fatigue failure safety factors of shafts and gears, bearing life and thermal calculations will be performed by the sponsor and manufacturer of the equipment, using Wesilab software, under its domain for internal use of manufacturer SEW Eurodrive, which will not allow the dissemination of the applied methodology. Finally, we conclude that, although we use a commercial reduction box, which is not designed for this application, due to its size and robustness, the data obtained in the practice were satisfactory for the conditions required in the project. Therefore, for future projects we propose as ideal the development of a gearbox with two speeds more compact and light, so that you can gain in performance and provide the different relationships required during the tests.

Keywords: Reduction Box. Torque. Powertrain.


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1. INTRODUÇÃO

Redutores de velocidade são máquinas ou equipamentos mecânicos que têm a função de reduzir a velocidade de um acionador, aumentando o torque fornecido pelo sistema. Podem ser constituídos de diferentes tipos de engrenagens, como: engrenagens paralelas, cônicas e com coroa e rosca sem fim. Os mais utilizados são de transmissão por engrenagens, devido ao alto rendimento, fácil manutenção, dimensões reduzidas e resistência a sobrecargas.

Durante o projeto, identificamos a necessidade de aumentar o torque fornecido pelo motor BRIG-GS & STRATTON, 4 tempos, monocilíndrico com potência de 10 hp e câmbio CVT, pois o fornecido não seria suficiente para manter o veículo em movimento com a velocidade constante, e consequente-mente ter um desempenho compatível com as provas da competição. Nosso objetivo principal no pro-jeto foi o de realizar todas as provas com o mínimo de competitividade, inclusive participar do enduro e tração, provas que exigem o máximo do veículo na questão de torque. Este trabalho é relevante, pois irá demonstrar, de forma teórica e aplicada, a utilização da caixa de redução do veículo Baja, bem como dados, cálculos e sugestões de melhoria dessa utilização. Vale destacar que a maioria dos alunos de gra-duação em Engenharia participam da construção desse veículo. Esse tema também é comum ao dia a dia das indústrias dos mais variados seguimentos, já que a maioria dos equipamentos atuais, como esteiras, pontes rolantes, moinhos, elevadores etc., utilizam redutores de velocidade, produzindo o torque e a velocidade necessária para a aplicação. Sendo assim, é um tema que faz parte da vida profissional de engenheiros e de técnicos mecânicos. O objetivo geral deste trabalho é analisar e demonstrar, por meio de cálculos, as condições de trabalho da caixa de redução fixa comercial e sugerir futuras melhorias para os próximos projetos do veículo.

Entre os objetivos específicos, destacam-se:• Apresentar dados teóricos e práticos que provem a melhoria do torque na utilização do equipa-

mento.• Compreender o sistema Powertrain do veículo Baja.• Analisar as perdas do sistema e sugerir melhorias.

2. REVISÃO DA LITERATURA

O Mini Baja SAE é um desafio lançado aos estudantes de Engenharia que nos permite aplicar, de forma teórica e prática, cálculos, análises e experiências adquiridas em sala de aula e no dia a dia dos alunos, na construção de um veículo off-road (fora de estrada) que seja capaz de vencer quatro dias de provas, que exigem o máximo do projeto, submetendo-o a várias provas com um elevado grau de difi-culdade (SAE BRASIL, 2015).

O redutor será importante no processo, pois terá a função de fornecer as forças de tração e impul-são necessárias para induzir o movimento. “Na unidade de propulsão, a energia química (combustível) é transformada em energia mecânica” (BOSCH, 2005, p. 736).

O veículo deve ser capaz de realizar a mudança do estado estacionário para o móvel, assim ven-cendo a inércia produzida na transição. Quando em movimento, deve ser capaz de ascender gradientes acelerando para velocidade constante com um grau razoável de potência, mantendo o veículo com velo-cidade constante (BOSCH, 2005).

Esforços de tração

Para Dias (2011), esforços de tração são a soma de todas as resistências ao movimento do veículo.


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Figura 1. Esforços de tração.

Fonte: Dias (2011, p. 14).

Resistência ao arÉ a resistência oferecida pelo ar durante o movimento do veículo, conforme equação 1, em que é o coeficiente de resistência aerodinâmica, é a velocidade do veículo, é a área frontal

do veículo (DIAS, 2011).

(eq. 1)

Resistência de rolagem ou rodagemPara Dias (2011), a resistência ao rolamento deve-se à deformação dos pneus e superfície do piso

no ponto de contato, conforme equação 2, em que é o coeficiente de resistência ao rolamento e é massa do veículo incluindo piloto.

(eq. 2)

GradientePara Dias (2011), gradiente é a resistência devido à inclinação da superfície da estrada, conforme

equação 3, em que é a massa do veículo incluindo piloto, é a porcentagem da inclinação ou gradiente da rampa.

(eq. 3)

Gradiente de inclinação da rampa


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Figura 2. Gradiente de inclinação.

Fonte: Dias (2011, p. 17).

Força de atrito

A força de atrito estática máxima entre o solo e o veículo será igual à força mínima para que o veículo inicie o movimento. Quanto maior a carga sobre o eixo do veículo maior será esse atrito. Quan-do iniciada, essa força de atrito atuante entre os corpos envolvidos diminui, passando a atuar a força de atrito cinética. Sendo assim, será necessária uma força menor para manter o veículo em movimento, em que é o coeficiente de atrito entre as superfícies (dados na Tabela 1, a seguir) e o é o valor da força normal exercida sobre o eixo de tração. Conforme Dias (2011), a equação da força de atrito máxima que atua entre a roda motriz e o solo será:

(eq. 4)

Coeficiente de atrito e resistência ao rolamento

Tabela 1. Fonte: HPWizard – Automotive design tools, 2012.

Estrada Coeficiente de atrito µ Resistencia ao Rolamento Rᵐ (N/Kg)

Asfalto seco / concreto 0,75 0,020Asfalto molhado 0,50 0,020Estrada de terra seca 0,75 0,30Estrada terra molhada 0,60 0,40

Fonte: adaptado pelos autores.

As transmissões devem ser eficientes e apresentar características que transmitam segurança e con-fiabilidade para o sistema Powertrain do veículo, devido ao alto nível de exigência a que o veículo será submetido (CHIODELLI, 2012).

É necessário verificar qual é a potência de saída do conjunto motor e câmbio, para selecionar um redutor que suporte essa potência na entrada, que, no melhor dos casos, será um para um, não podendo ser inferior ao de saída do motor, podendo, nesse caso, gerar quebras. Nesse mesmo, contexto Budynas e Nisbett (2011, p. 942) argumentam que o:

Sistema de transmissão de potência geralmente é especificado por uma capacidade em potência, por exemplo, uma caixa de engrenagens de 40 hp. Essa designação especifica a combinação de torque e ve-locidade que a unidade pode suportar. No caso ideal, a potência de entrada iguala a potência de saída.

A redução da velocidade e a geração de torque estão relacionadas ao conjunto de engrenagens: conforme é reduzida a velocidade, aumenta-se o torque produzido. Na mesma linha, cita Norton (2013,


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p. 684). “Um par de engrenagens é essencialmente um dispositivo de troca de torque por velocidade e vice-versa”.

Para o redutor, um dos fatores necessários para evitar a quebra é sabermos a potência de entrada suportada por ele e o torque exigido. Assim, podemos dizer que quanto maior o torque exigido na saída e a potência aplicada na entrada, maior será o redutor e, consequentemente, suas engrenagens e peso, podendo até utilizar-se mais estágios de engrenagens, desde que atinja a velocidade desejada. Conforme o manual Sew (2013, p. 90): “O tamanho do redutor depende do torque de saída. Esse torque de saída Ma é calculado a partir da potência nominal do motor Pn e da rotação de saída do redutor Na”. No caso do redutor, os cálculos de fatores de segurança de falha por fadiga de eixos e engrenagens, vida útil de rolamentos e cálculo térmico serão realizados pelo patrocinador em conjunto com os autores deste tra-balho, por meio do software Wesilab, que é de domínio e uso interno da fabricante SEW Eurodrive. Por isso, não será permitida a divulgação da metodologia aplicada.

Força de tração

Para conhecermos a força máxima de tração, faz-se necessário antes saber o torque máximo na roda do veículo, conforme equação 5, em que é a potência de entrada do redutor,

é o RPM de saída do redutor, e η é o rendimento do CVT (DIAS, 2011).

(eq. 5)

De acordo com Dias (2011), a força máxima de tração é obtida por meio da relação mais curta, conforme equação 6, em que é o torque na saída do redutor, é a redução total, é o rendi-mento total do sistema, e é o raio do pneu do veículo (DIAS, 2011).

(eq. 6)

Todo sistema que possui componentes em atrito, como engrenagens, correias, rolamentos, cor-rentes, bem como lubrificantes, gera perdas de rendimento. No caso dos redutores, o óleo utilizado na lubrificação dos componentes internos gera calor a partir de sua agitação quando em funcionamento. Dessa forma, dependendo da posição de trabalho, é necessária uma quantidade maior de óleo, para que se possam lubrificar todos componentes. Nessa mesma relação, quanto maior o volume de lubrificante maior a perda de rendimento, conforme cita o manual Sew (2013, p. 91): “Perdas típicas em redutores são perdas por atrito no engrenamento dos dentes, nos rolamentos e nos retentores, bem como perdas por agitação no óleo”.

No caso dos acionamentos que utilizam de engrenagens, suas perdas de rendimento são determi-nadas pelo tipo de engrenagem utilizada e por cada par dessas engrenagens. No nosso caso, trata-se de eixos paralelos com dois estágios de engrenagem helicoidal, que possui dentes dispostos transversal-mente em forma de hélice, e rendimento de 97%. Conforme informado no manual Sew (2013, p. 16): “Nos redutores de engrenagens helicoidais, de eixos paralelos, de engrenagens cônicas e planetárias, respectivamente, o rendimento do engrenamento dos dentes, por estágio do redutor, situa-se em torno de 97% a 98%”.

Potência de entrada do redutor


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Melconian (2009) cita que a potência útil de um sistema de transmissão pode ser conhecida por meio da multiplicação da potência fornecida pela porcentagem das eficiências envolvidas no sistema, conforme equação 7, em que é o torque na entrada do redutor, e é o RPM na entrada do redutor.

(eq. 7)

Potência de saída do redutor

A potência de saída do redutor é conhecida pela equação 8, em que é a potência de saída do redutor, e é o rendimento do redutor.

(eq. 8)

Cada aplicação tem um valor que é considerado como fator de segurança, que é determinado por experiências de projetos passados, bem como pela análise em laboratórios adequados à aplicação. Se-gundo Norton (2013, p. 16): “A forma de expressão de um coeficiente de segurança pode geralmente ser escolhida com base no tipo de esforço exercido sobre a peça”.

Para dimensionarmos o redutor, necessitamos conhecer o motor e o câmbio utilizado no veículo, coletando dados e experiências de equipes concorrentes, que serão utilizados nos cálculos do aciona-mento. Para o motor, utilizaremos o “Briggs & Stratton 10 HP” 305 cilindradas e torque de 18.5 N/m, que é um motor estacionário normalmente utilizado para mover máquinas fixas, como geradores, bom-bas e ferramentas de trabalhos. Esse motor é definido pelo regulamento da competição. Sendo assim, todas as equipes o utilizaram (BRIGGS & STRATTON, 2013).

Para o câmbio, utilizaremos o CVT (transmissão continuamente variável) Comet 790, que consiste de duas polias variáveis, acionadas por uma correia em v, que trabalham em conjunto; quando uma está se abrindo, a outra está se fechando, alterando a relação entre si e a rotação do motor, produzindo assim a rotação e a velocidade necessária para o veículo, conforme exigida no percurso. Nessa mesma linha, Bosch (2005, p. 414) argumenta que:

Transmissões continuamente variáveis (CVT) são capazes de converter cada ponto de operação do motor em uma curva operacional e cada curva operacional do motor em uma faixa de operação dentro do campo característico de tração.

Enfim, para completar todo o entendimento, podemos dizer que o acionamento ou o conjunto de transmissão, quando acionado por correias, sofre algumas limitações em seu funcionamento. Conforme argumentado por Juvinall e Marshek (2008, p. 426): “A capacidade de acionamento de uma correia nor-malmente é limitada pela condição de deslizamento ocorrente na menor das polias”.

3. METODOLOGIA

A metodologia a ser empregada em nosso trabalho de conclusão de curso será de campo, buscando recuperar o conhecimento científico sobre a problemática relacionada ao campo da engenharia mecâni-ca. Ela será de nível teórico e prático, cuja fonte de dados foi baseada em livros periódicos, artigos cien-tíficos e sites especializados. Além disso, para analisar o desempenho da caixa de redução a ser utilizada, foi necessário buscar métodos e fórmulas de cálculos analisadas por software. Por fim, para propor me-lhorias futuras, coletamos dados da prática efetuada em competições anteriores. A forma de abordagem da pesquisa foi qualitativa e quantitativa, na qual as informações obtidas foram também quantificadas e os dados foram analisados. A interpretação dos fenômenos e a atribuição dos significados são básicas no processo desse tipo de pesquisa científica.


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Para analisar os rendimentos e verificar se o redutor de velocidade será compatível com a solici-tação, necessitamos conhecer os componentes envolvidos no sistema Powertrain, bem como a coleta de dados do conjunto utilizado e experiências de equipes concorrentes, os quais serão utilizados nos cálcu-los envolvidos. Dessa forma, adotaremos os seguintes critérios como métodos e técnicas:

• 3.1 – Componentes da transmissão.• 3.2 – Coletas de dados.• 3.3 – Cálculos de rendimento.• 3.4 – Cálculos dos esforços de tração.

Componentes da transmissão

• Motor estacionário monocilíndrico, quatro tempos, de combustão interna a gasolina carburada, marca “Briggs & Stratton”.

• Câmbio Automático tipo CVT (transmissão continuamente variável), modelo Comet 790.• Redutor de eixos paralelos, modelo FA47AD2, marca SEW.• Sistema de corrente composta por par de mancais de rolamento, e duas coroas de mesma di-

mensão (redução 1:1).• Pneus de quadriciclo de 21×7×10 polegadas, marca Maxxis modelo RAZR2.

Componentes do Powertrain

Figura 3. Componentes do Powertrain.

Fonte: elaborado pelos autores.

Coletas de dados

O motor “Briggs & Stratton” é um motor estacionário normalmente utilizado para mover máqui-nas fixas, como geradores, bombas e ferramentas de trabalhos. Esse motor é definido pelo regulamento da competição, e, como exigência, todas as equipes devem utilizá-lo, não sendo permitido realizar alte-rações para ganho de potência ou rendimento.

Os dados são: 10 hp, 305 cilindradas e torque máximo de 18.5 N/m a aproximadamente 2600 rpm. Na figura 4, será possível constatar, pelo gráfico, a curva de torque máximo, e, na figura 5, a curva de potência máxima que o referido motor possui.


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Curva de torque do motor

Figura 4. Curva de torque do motor.

Fonte: Catálogo do Motor Briggs & Stratton (1999).

Curva de potência do motor

Figura 5. Curva de potência do motor.

Fonte: Catálogo do Motor Briggs & Stratton (1999).

Também o regulamento define como regra a regulagem de RPM máximo do motor como sendo de 3800 rpm.

Para o câmbio, utilizaremos o CVT (transmissão continuamente variável) Comet 790, que consiste de duas polias variáveis, acionadas por uma correia em v, que trabalham em conjunto; quando uma está se abrindo, a outra está fechando, alterando a relação entre si e a rotação do motor, produzindo, assim, a rotação e a velocidade necessária para o veículo, conforme exigida no percurso. O câmbio foi fornecido pela empresa parceira Brascabos Componentes Elétricos e Eletrônicos, na qual trabalha um dos inte-grantes desta pesquisa.


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Câmbio CVT

Figura 6. Câmbio CVT.


Dados:

Reduções (i) = 3,38:1 a 0,54:1

Rendimento = 0,97, fonte manual do fabricante.

Para a caixa de redução de velocidade, utilizaremos o modelo FAB47AD2, fornecido pela parceira fabricante de redutores SEW Eurodrive, marca mundialmente conhecida pela excelência na fabricação de motorredutores e de produtos eletrônicos na aplicação industrial, na qual trabalha um dos integrantes desta pesquisa.

Redutor de velocidade

Figura 7. Redutor de velocidade.


Os dados das tabelas a seguir foram realizados pelo fabricante do redutor no software Wesilab, utilizado em todas as unidades espalhadas pelo mundo, e que é de uso exclusivo e interno do fabricante. Não poderá ser divulgada a metodologia empregada pelo fato de ser secreta, e também uma estratégia comercial.

Consideramos que o veículo esteja parado com o motor em marcha lenta a 1600 rpm e CVT com redução de 3,34: 1; e que, quando o veículo parte para o movimento, sua rotação sobe e, em paralelo, a


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redução do CVT se altera. Isso dificulta sabermos qual será a redução quando atingir 2600 rpm, que é quando o motor produz seu maior torque. Adotaremos, então, o seguinte procedimento para a análise: primeiramente, faremos os cálculos com 2600 rpm com redução do CVT a 3,34:1; apesar de não ser a realidade na prática, poderemos utilizar esses dados para análise, como a pior condição de esforços. Em seguida, faremos uma média, estimando que, quando o motor estiver a 2600 rpm, o CVT estará com a redução de 1,94: 1, o que deverá ser o mais próximo da realidade. Por último, faremos os cálculos com 2600 rpm e com redução do CVT de 0,54:1, considerando a maior velocidade, exigindo alta rotação do redutor.

Torque, potência e RPM

Tabela 2. Dados de torque, potência e RPM.

REDUTOR i=7,44 CVT i = 3,34 CVT i = 1,94 CVT i = 0,54RPM Entrada 778 1340 4500RPM Saída 104,57 180,11 604,84Potência Entr. 4,88 KW 4,88 KW 4,57KWPotência Saída 4,75 KW 4,74 KW 4,28 KWMt Entrada 59,94 Nm 34,81 Nm 9,70 NmMt Saída 433,61 Nm 251,09 Nm 67,59 NmMt Mamax (Nom.) 225 Nm 225 Nm 225 NmMt Mapk. (Pico) 260 Nm 260 Nm 260 NmFator de Serviço 0,52 0,9 3,3

Fonte: Wesilab, adaptado pelos autores.

Análise: Eixo de Entrada da Tampa AD2

Tabela 3. Vida útil, falha por fadiga e deformação plástica.

Eixo de Entrada Tampa AD2 CVT i = 3,34 CVT i = 1,94 CVT i = 0,54

RPM 778 1340 4500Torque 59,94 Nm 34,81 Nm 9,70 NmRolamento 1.> 2500 horas 3176 h 7564 h 60588 h

Rolamento 2.>2500 horas 2488 h 8893 h 194694 h

Falha por fadiga eixo da tampa AD2Fator de Segurança

Total x = 141,5 mmAnalise 36 mmI = 3,34 CVTFs = 1.15

Total x = 141,5 mmAnalise 55,10 mmI = 1,94 CVTFs = 1.15


Seção 1 2.22 > 1.15 3.82 > 1.15 13.7 > 1.15Seção 2 5.11 > 1.15 8.79 > 1.15 31.55 > 1.15Seção 3 0.87 < 1.15 1.50 > 1.15 5. > 1.15Fator de Segurança contra deformação plástica Chaveta

(A6x6x32-C45k) A4x4x18-C45K

>1,5 3.2 1.42



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Análise: Eixo Pinhão


Eixo Pinhão CVT i = 3,34 CVT i = 1,94 CVT i = 0,54RPM 324,17 558,33 1875Torque 141,6 Nm 82 Nm 22,1 NmRolamento 1> 1600 horas 6783 h 24335 h 575343 h

Rolamento 2>1600 horas 9511 h 34122 h 806723 h

Falha por fadiga eixo pinhãoFator de Segurança




Seção 1 4.64 > 1.15 8,02 > 1.15 29,78 > 1.15Seção 2 1,15 > 1.15 1,98 > 1.15 7,37 > 1.15Seção 3 3,15 > 1.15 5,43 > 1.15 20,19 > 1.15Fator de Segurança contra deformação plástica Chaveta

B6x6x16-55HRC

>1,5 1,73


Análise eixo de saída


Eixo saída CVT i = 3,34 CVT i = 1,94 CVT i = 0,54

RPM 104,57 180,11 604,84

Torque 433,6 Nm 251,1 Nm 67,6 Nm

Rolamento 1> 1600 horas 75092 h 224537 h 999999 h

Infinita

Rolamento 2>1600 horas 11433 h 34186 h 381562 h

Falha por fadiga eixo SaídaFator de Segurança

Total x = 130 mmAnalise 20,5 mmI = 3,34 CVTFs = 1.15

Total x = 130 mmAnalise 71,50 mmI = 1,94 CVTFs = 1.15

Total x = 130 mmAnalise 130 mmI = 0,54 CVTFs = 1.15

Seção 1 999999 infinita>1.15 999999 infinita>1.15 999999 infinita>1.15

Seção 2 7.21 > 1.15 14.54 > 1.15 54.15 > 1.15

Seção 3 7.37 > 1.15 12.72 > 1.15 47.26 > 1.15

Fator de Segurança contra deformação plástica Chaveta

B10x8x28-55HRC

>1,3 2.33



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Fator de segurança flanco e pé do dente

Tabela 6. Fator de segurança flanco e pé do dente.

Engrenagem Fator de Segurança CVT i = 3.34 CVT i = 1.94 CVT i = 0.54

Entrada

SF Flanco do dente > 1.50 1.36 2.06 6.23SH Pé do Dente>1.04 1.14 1.40 2.46

Saída

SF Flanco do dente > 1.50 1.70 2.23 7.68SH Pé do Dente>1.04 1.26 1.84 2.87


Temperatura óleo lubrificante na posição M5

Tabela 7. Temperatura do óleo lubrificante.

Temperatura do Óleo CVT i = 3,34 CVT i = 1,94 CVT i + 0,54°C 54 56 72


Também utilizaremos um sistema de transmissão composto por dois pares de mancais de rolamen-to, e duas coroas de mesma dimensão, interligadas a uma corrente. Esse sistema foi adotado devido a distância entre eixos de entrada e saída do redutor, pois não possui a dimensão suficiente para acomodar a polia do CVT e o semieixo, interligando-o às rodas do veículo e deixando um espaço mínimo para que os dois envolvidos não se toquem evitando quebra ou travamento do sistema.

Sistema de coroa e mancais de rolamento

Figura 8. Sistema de coroa.



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Rendimentos:Corrente = 0,97Par de Mancais de Rolamento = 0,98

Cálculos de Rendimento

Após conhecer todos os componentes envolvidos e suas devidas perdas, podemos calcular e ana-lisar a potência na entrada do redutor.

Potência na entrada do redutor

Para redução do CVT de 3,34: 1

= 4,88KW Para redução do CVT de 1,94: 1

= 4,88 KW

Para redução do CVT de 0,54: 1

= 4,57 KW

Potência na saída do redutor

Cálculos dos esforços de tração

Força de traçãoPara conhecer a força máxima de tração, será necessário, antes, saber o torque máximo do redutor.

Mt = 432 Nm

Mt = 251 Nm

Mt = 70 Nm


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Para a força de tração, serão calculados três momentos nas três reduções em análise, considerando as reduções máxima, média e mínima do conjunto, sendo a 3,34 × 7,44 = 24,84 máxima, 1,94 × 7,44 = 14,43 a média e 0,54 × 7,44 = 4,01 a mínima.

F máxima = 37016,90 N

F máxima = 12494,09 N

F máxima = 968,29 N

Força de atritoPara calcular a força de atrito máxima, temos que utilizar a força normal exercida no eixo traseiro,

considerando, devido à posição do piloto, que 70% da carga total estão nas rodas traseiras.

Veículo Baja Clarengex

Figura 9. Vista lateral do veículo.


Massa total do veículo 320 Kg, dividido em 70% na traseira, 224 Kg, e 30% na dianteira, 96 Kg.

Fa = 1.428,33 N


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Esforços de tração

Resistência ao arDevido às características das provas, o veículo não ultrapassa a velocidade máxima de 60 Km/h,

então, para efeito de cálculo, a utilizaremos como parâmetro V².

Para o coeficiente de resistência aerodinâmica, adotaremos 1,5. Segundo dados de simulação realizada em laboratório por Dias (2010), da equipe Baja Unicamp-SP, ele é de 1,0 a 1,5.

RA = 257,14 N

Força de resistência ao rolamento

Fr = 96 N

Gradiente de resistência

No nosso caso, S é 100% devido ao fato de o gradiente de inclinação da rampa utilizada nas provas ser no máximo de 45°.

= 3.139,2 N

Valor total dos esforçosFT = RA + Fr + GradFT = 257,14 + 96 + 3.139,2FT = 3.492,34 N


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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Analisando a força de tração máxima X Forças resistivas e de atrito

F Max i 3,34:1 = 37.016,90N > FT = 3.492,34N > Fa = 1.428,33 NNessa redução, podemos concluir que o veículo tem potência de sobra para iniciar seu movimento

partindo do zero, vencendo as resistências ao movimento e a força de atrito, mesmo estando em gradien-tes de 45°.

F Max i 1,94:1 = 12.494,09N > FT = 3.492,34N > Fa = 1.428,33 NNessa redução, podemos concluir que o veículo tem potência de sobra para manter-se em movi-

mento com velocidade constante, mesmo estando em gradientes de 45°, vencendo a força de atrito, e que esta deverá ser a condição mais aproximada à realidade, pois, devido ao tipo de prova a que o veículo será submetido, dificilmente alcançará velocidade superior à produzida nessa relação.

F Max i 0,54:1 = 968,29N > FT = 3.492,34N > Fa = 1.428,33 NNessa redução, podemos concluir que, mesmo que a força de tração seja menor que as resistivas,

temos que levar em consideração que, devido à geometria da pista, o veículo terá sua velocidade reduzi-da significativamente para ultrapassar o gradiente de resistência (rampa); sendo assim, o veículo estará com relação de transmissão reduzida. Outro fator que deve ser levado em consideração é que o gradiente de resistência corresponde a 90% das forças resistivas e que, na maior parte das provas, só atuará a soma das forças RA + Fr. Para a força de atrito, temos que levar em consideração que, quando o veículo iniciar seu movimento, as forças de atrito decrescem, de modo que uma força menor é suficiente para manter o movimento.

Por fim, ao término deste trabalho, por meio de todos os cálculos relacionados ao sistema Power-train do veículo, pudemos analisar que, apesar de utilizarmos uma caixa de redução fixa industrial pe-sada e robusta, a qual não é desenvolvida para ser aplicada em veículos, e sim em máquinas, o projeto obteve êxito no seu objetivo principal, que era o de suprir a falta de torque produzida pelo motor e câmbio. Como ponto negativo, destacamos que, em determinados valores de redução e RPM, o fator de segurança do redutor ficou abaixo de 1. Isso não quer dizer que esse redutor irá quebrar no primeiro uso, mas que a vida útil de seus componentes será diminuída. Como na época da elaboração do projeto não tínhamos condições de desenvolver uma caixa de redução adequada e a utilizaríamos apenas no primeiro ano de competição, que tem a duração de apenas quatro dias, optamos por utilizá-la, pois uma maior ficaria inviável devido ao grande aumento de peso da caixa. Na prática, o resultado foi satisfatório, pois, durante a prova de tração, o sistema se portou muito bem, fazendo com que a equipe conquistasse o 6º lugar entre 73 faculdades do Brasil e uma dos Estados Unidos (EUA) na prova de tração, que exige o máximo do sistema em termos de torque.

Por fim, como sugestão de melhoria, aconselhamos, para os próximos anos, o desenvolvimento de uma caixa de câmbio mais leve, com duas relações de transmissão, proporcionando variação em deter-minadas provas e com geometria adequada e eliminando o sistema de correntes utilizado atualmente, o que gera ganho no rendimento.

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85 utilização e proposta de melhoria da caixa de redução ... pontes rolantes, moinhos,...

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