PROJETO DE UM DIFERENCIAL PARA VEÍCULO FÓRMULA SAE - Ziraldo dos Santos Júnior, 2017

seguir exemplo da equipe Monash:

"Monash Motorsport Final Year Thesis collection

The Final Year Thesis is a technical engineering assignment undertaken by students of Monash University. Monash Motorsport team members often choose to conduct this assignment in conjunction with the team.

These theses have been the cornerstone for much of the team’s success. The purpose of the team releasing the Monash Motorsport Final Year Thesis Collection is to share knowledge and foster progress in the Formula Student and Formula-SAE community.

We ask that you please do not contact the authors or supervisors directly, instead for any related questions please email info@monashmotorsport.com"

RESUMO

Este trabalho apresenta o projeto de um diferencial para um veículo de Fórmula SAE. A equipe de Fórmula SAE da Universidade de Brasília, a Apuama Racing, tem como um de seus objetivos para a subárea de transmissão em 2018 a utilização de um diferencial concebido e projetado pela própria equipe. O projeto deve melhorar a dirigibilidade do veículo, possuir baixo peso, alta resistência e ser de fácil usinagem. Inicialmente foi feita uma revisão bibliográfica sobre diferenciais em seguida três alternativas foram analisadas levando-se em conta os critérios de: peso, redistribuição de torque, facilidade de manufatura e custo. Entre as alternativas propostas uma foi escolhida e projetada utilizando para o projeto das engrenagens a metodologia AGMA e para a carcaça e outros componentes utilizou-se análise por elementos finitos. Como resultado obtevese um diferencial 25% mais leve que o projeto anterior, com 5,1 kg e 8,9 kg considerando a montagem do sistema com todos os componentes, TBR de 2,75:1, redução do volume do diferencial principalmente em razão da diminuição do comprimento total de 212,8 mm para 196,7 mm e os desenhos de fabricação bem como a especificação dos materiais e processos de fabricação a serem utilizados.

Introdução

Neste capítulo serão abordados o contexto no qual se insere o presente trabalho, a motivação para realização deste, os objetivos pretendidos e como ele será dividido.

1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO

A Fórmula SAE é uma competição universitária de desenvolvimento de produto que teve início na década de 80 nos Estados Unidos, na qual os estudantes devem conceber, projetar, fabricar e competir com veículos estilo fórmula. A categoria tem como objetivo propiciar experiência prática em projeto mecânico, gerenciamento de projetos e gestão de manufatura.

Com o passar dos anos, a categoria cresceu e difundiu-se pelo mundo. Hoje, está presente em vários países como Alemanha, Itália, Austrália, Inglaterra, Estados Unidos, Brasil, Japão e muitos outros. A competição é organizada pela Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE) e representa um elo importante entre as universidades e a indústria.

No Brasil, a competição teve início em 2004 e desde então tem propiciado uma experiência diferenciada para seus participantes. A categoria é bastante técnica, possui provas estáticas e dinâmicas em que o veículo é testado com base na sua performance, na qualidade do projeto realizado e como foi executado.

Dentro desse contexto, a equipe Apuama Racing vem se destacando no cenário nacional, com projetos confiáveis e harmônicos entre si. Para o ano de 2018 a equipe deseja utilizar um projeto próprio de diferencial para melhorar o desempenho do veículo.

1.2 MOTIVAÇÃO

Na competição Fórmula SAE, um dos grandes desafios é fazer com que os projetos mecânicos dos diversos componentes trabalhem de forma harmônica e confiável. Não basta um veículo que se sobressaia em apenas certa característica enquanto há determinado déficit nas demais. Dessa forma, é necessário buscar o equilíbrio entre os diversos projetos de forma a conceber um protótipo onde as partes funcionem bem de forma conjunta e não somente de forma isolada.

Outro desafio é na esfera gerencial do projeto, com relação a passagem de conhecimento dos membros antigos para os mais novos. Como a graduação se estende por um período de 4 a 6 anos, há pouco tempo para aprender, aplicar e repassar esse conhecimento adquirido. Por esse motivo muitos integrantes das equipes optam por realizar projetos de graduação e trabalhos de conclusão de curso com temas relacionados à equipe, de forma a manter parte do conhecimento dos membros mais antigos no grupo. Essa prática é bastante motivada pela Apuama Racing visto que já possui diversos integrantes que fizeram seus projetos de graduação voltados à equipe. São exemplos os trabalhos “Contribuição para o desenvolvimento de uma suspensão aplicada a um veículo Fórmula SAE” de Torres, R. N.; “Análise estrutural do chassi de um veículo Fórmula SAE pelo método dos elementos finitos” de Canut, F. A.; “Análise da rigidez torcional do chassi de um veículo Fórmula SAE” de Burba, L. T; “Projeto de um conjunto de mangas de eixo para um veículo Fórmula SAE” de Diniz, A. P.

Dentro do contexto da competição FSAE, o projeto do diferencial é bastante importante, pois esse componente é responsável pela transferência de torque e potência do motor para as rodas, exercendo grande influência na dirigibilidade e estabilidade do veículo, assim como na sua capacidade de aceleração. Além disso, o componente é um elemento rotativo, que apresenta inércia de rotação, assim é imprescindível que o projeto tenha como um dos enfoques a redução de peso.

Atualmente, a equipe utiliza um diferencial comercial, que possui basicamente dois problemas:

a. Muito pesado. Em comparação com a média de peso de um veículo FSAE – 200 kg – o diferencial representa um peso considerável, 7 a 10 kg, o que torna o veículo menos ágil em acelerações e retomadas.

b. A porcentagem de bloqueio do diferencial é inadequada para a situação do Fórmula SAE , 1,5:1. O bloqueio do diferencial é um parâmetro importante na dinâmica do veículo, e para veículos de competição é importante que se tenha um equilíbrio entre o diferencial livre e o totalmente bloqueado. No caso de diferenciais com bloqueio que equipam carro comerciais, tende-se a utilizar porcentagens de bloqueio que aproximam o diferencial de um diferencial aberto, em razão de segurança. Isso será tratado em detalhes mais à frente.

Dessa forma, buscou-se no presente trabalho um projeto leve, com redução entre 25 e 30% da massa do diferencial atual, 7kg, e com valores de bloqueio compatíveis com o tipo do veículo e circuito

CONCLUSÃO

O presente trabalho teve como resultado o projeto para a fabricação imediata de um diferencial para veículo Fórmula SAE, alcançando o principal objetivo estipulado. As peças projetadas atendem às restrições da situação Fórmula SAE e às metas estabelecidas por este trabalho principalmente em relação ao peso, melhoria da resposta dinâmica e ao custo.

Além disso, foi calculado como um diferencial deveria se comportar para que se maximize a tração do veículo no circuito da Fórmula SAE Brasil, o que é um dado bastante útil no momento de decidir a respeito de realizar outro projeto de diferencial.

Obteve-se também um projeto bastante confiável uma vez que o sistema conta com vários pontos de redundância, principalmente para os mancais que sofreram falhas em anos anteriores, o que torna o conjunto menos propenso a manutenções antes do previsto e a falhas.

Pela tabela 8-2 observa-se que houve redução de mais de 25% do peso do diferencial, e com relação à montagem, pela mudança do conceito do mancal a redução foi de 20%, atingindo assim a meta estipulada por esse trabalho. Com relação ao diferencial comercial, não há dúvidas, o Drexler é 50% mais leve e com a adição dos componentes essa diferença percentual cai para 40%.

Do ponto de vista do TBR, pelos cálculos realizados na seção 5 deste trabalho, os valores de TBR são de no máximo 3,2 com todas as condições ótimas. Porém, os valores que mais se repetem durante as provas dinâmicas estão entre 2,7 e 2,9 de TBR. Assim, parte da vantagem de se ter um TBR modificável, como no Drexler, não se transmite em uma grande diferença na pista, pois os valores de TBR do Drexler variam de forma pouco sensível para a aplicação FSAE, isso considerando apenas a capacidade trativa. O TBR do projeto do AF18 se situa dentro da faixa 2,7 e 2,9 e pode ser considerado ótimo para um veículo Fórmula SAE.

Do ponto de vista de custos, é possível fazer um comparativo de preços entre diferenciais produzidos exclusivamente para veículos FSAE e projetos customizados. Essas soluções comerciais possuem valores de bloqueio mais altos e peso reduzido, porém cobram um alto preço por isso. Pelos resultados da tabela 8-2, verifica-se que os custos de um diferencial Drexler pode ser proibitivo para muitos projetos, e mostra que a customização pode ser uma boa alternativa para se obter um custo benefício alto com relação à performance, peso, tempo e preço.

Ainda no escopo dos custos, o projeto atingiu o objetivo de ser acessível, principalmente pelo fato de ser de fácil manufatura o que ajudou a reduzir os custos que são, majoritariamente, em razão de usinagem.

Outro ponto importante atingido no trabalho foi o resumo de conhecimentos da área de transmissão, diferencial e engrenagens em geral, o que será de grande valia para os membros futuros da equipe Apuama Racing da UnB. Este trabalho vai auxiliar em futuras decisões de projeto e no estudo da área de transmissão.

#formulaSAE

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