MODELAGEM E CONSTRUÇÃO DE UM VEÍCULO DO TIPO OFF-ROAD (MINI BAJA) DO CENTRO UNIVERSITÁRIO GERALDO DI BIASE, CAMPUS BARRA DO PIRAI RIO DE JANEIRO.

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1 MODELAGEM E CONSTRUÇÃO DE UM VEÍCULO DO TIPO OFF-ROAD (MINI BAJA) DO CENTRO UNIVERSITÁRIO GERALDO DI BIASE, CAMPUS BARRA DO PIRAI RIO DE JANEIRO. Geovani Nunes Dornelas, MSc. 1 Frederico Batista de Barros 2 Sergio Geraldo Leal 3 Uellington Corrêa Venâncio 4 Rennan Ferreira Marinho 5 Resumo A ideia desse trabalho é a participação na competição SAE de Mini Baja. O objetivo da SAE é oferecer aos estudantes membros, um projeto desafiador que envolva as tarefas de planejamento e manufatura com a finalidade de produzir novos produtos para o mercado industrial. Desenvolver produtos tem se tornado um dos processos-chave para a competitividade na manufatura. Movimentos de aumento da concorrência, rápidas mudanças tecnológicas, diminuição do ciclo de vida dos produtos e maior exigência por parte dos consumidores exigem das empresas agilidade, produtividade e alta qualidade que dependem, necessariamente, da eficiência e eficácia da empresa neste processo. Um dos fatores bem conhecidos sobre o processo de desenvolvimento de produto é que o grau de incerteza no início deste processo é bem elevado, diminuindo com o tempo, mas é justamente no início que se seleciona a maior quantidade de soluções construtivas. Palavras Chaves: Mini-Baja, Modelagem, Construção em 2D e 3D, Off-Road 1 Professor dos Cursos de Engenharia Mecânica e Produção do Campus Barra do Pirai do Centro Universitário Geraldo Di Biase 2 Discente do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase - Barra do Pirai 3 Discente do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase - Barra do Pirai 4 Discente do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase - Barra do Pirai 5 Discente do Curso de Engenharia Mecânica do Centro Universitário Geraldo Di Biase - Barra do Pirai

2 Introdução O projeto Baja SAE foi criado na Universidade da Carolina do Sul, Estados Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens, Buscando uma melhor formação para os engenheiros, a Society of Automotive Engineers - SAE, associação sem fins lucrativos composta por estudantes, engenheiros, técnicos e executivos de engenharia de mobilidade, criou em 1973, um evento extracurricular voltado exclusivamente aos alunos de graduação na área de Engenharia Mecânica, como forma de estimular o Curso e introduzir conhecimentos práticos sobre projeto, construção, montagem, manutenção de máquinas, administração e marketing. Sendo que a primeira competição ocorreu em O ano de 1991 marcou o início das atividades da SAE BRASIL, que, em 1994, lançava o Projeto Baja SAE BRASIL. No ano seguinte, em 1995, era realizada a primeira competição nacional, na pista Guido Caloi, bairro do Ibirapuera, cidade de São Paulo. No ano seguinte a competição foi transferida para o Autódromo de Interlagos, onde ficaria até o ano de A partir de 2003 a competição passou a ser realizada em Piracicaba, interior de São Paulo, no ECPA Esporte Clube Piracicabano de Automobilismo. Desde 1997 a SAE BRASIL também apóia a realização de eventos regionais do Baja SAE BRASIL, através de suas Seções Regionais. Durante esse tempo, a Competição SAE BRASIL de Mini Baja já tomou importante destaque nos meios acadêmicos, crescendo de 8 equipes, no primeiro ano, para 83 equipes de Universidades de todo o País, além de algumas equipes estrangeiras, ao longo dos anos. Esta competição qualifica as duas melhores equipes brasileiras para o Mundial de Mini Baja (SAE Midwest Mini Baja Competition), ocorrido no mês de julho nos Estados Unidos. Em 1999, o Brasil foi campeão mundial neste evento. Desde então dezenas de eventos foram realizados em vários estados do país como Rio Grande do Sul, São Paulo, Minas Gerais e Bahia. A interação entre a teoria e a prática é um dos componentes mais importantes na consolidação do aprendizado, portanto a pesquisa é uma das estratégias que consolida esses saberes. Para Belhot e colaboradores (2001), o ensino de engenharia foi afetado por uma série de fatores incluindo o processo de globalização. Sendo assim, primeiramente observa-se a pressão por parte das empresas solicitando soluções novas e imediatas. Seguida de um segundo momento, delineando um perfil profissional desejado para o mercado de trabalho. Contudo para os autores supracitados, esse perfil não necessariamente era compatível com a estrutura curricular vigente e com os padrões e técnicas de ensino vigentes, pois a empresa passava a demandar por profissionais criativos, flexíveis participantes, colaborativos e cooperativos. Para os autores a academia reagiu, por intermédio da tecnologia e sua rápida evolução, depois pela busca de um novo padrão para as questões ligadas ao processo de ensino e de aprendizagem.

3 No campo das Ciências Exatas e Tecnológicas tal fundamentação se constitui em uma ferramenta importante, pois duas competências poderão ser desenvolvidas: suscitar a capacidade de desenvolver novos procedimentos e técnicas a partir da inovação e vivenciar ações e situações do futuro profissional. Com base no exposto acima o projeto aqui proposto objetiva o desenvolvimento de tais competências, além dos objetivos imediatos com vias ao desenvolvimento do projeto intitulado: MODELAGEM E CONSTRUÇÃO DE UM VEÍCULO DO TIPO OFF-ROAD (MINI BAJA). O protótipo será construído por discentes dos diferentes Cursos de Engenharia (Mecânica, Produção e Civil), ofertados pela instituição, estes certamente vão vivenciar e compartilhar, uma experiência rica durante as fases do projeto. O objetivo da competição é simular situações que ocorrem em projetos reais de engenharia e seus respectivos desafios. Os estudantes representam sua universidade como uma equipe, não somente na parte de projeto, construção, testes e corrida, mas também na busca de patrocinadores e gestão das finanças da equipe, gerando receita para que o projeto se torne viável, nunca se distanciando de suas metas educacionais. Desenvolvimento O projeto envolverá estudos na área metal-mecânica e automobilística, Para tal será utilizado como aplicativo a estrutura, mais conhecida como gaiola, de um carro do tipo Mini-Baja. Todas as etapas serão desenvolvidas no Laboratório de Engenharia Mecânica da UGB (Campus- Barra do Piraí). Segundo MENDES (2008) é importante ressaltar que a partir da estrutura existente, serão criadas formas de otimização do projeto com o intuito de desenvolver uma nova estrutura, mais leve e esbelta, a partir do emprego de novos materiais, que apresentem características de boa resistência, segurança e leveza. Desta forma, será possível contribuir para a diminuição do peso do carro. Em termos práticos, o projeto será desenvolvido em duas frentes de trabalho, modelagens e simulações numéricas. Neste caso, dando ênfase as análises estruturais dinâmicas. A partir das características iniciais da estrutura, ou seja, geometria, condições de contorno e propriedades físicas do material e do carregamento imposto na estrutura, pretende-se criar novos modelos e simulá-los com o intuito de aprimorar a gaiola. Isto pode ser feito a partir da utilização de materiais mais leves e resistentes, bem como a partir de modificações da geometria da estrutura. Uma vez que este projeto é bem abrangente, é necessário que o aluno bolsista tenha conhecimentos teóricos de diversas áreas de engenharia, dentre as quais: Expressão Gráfica, Projetos Mecânicos, Estruturas, etc.

4 O desenvolvimento do projeto está dividido em três etapas constituintes das frentes acima citadas: 1ª Criação do protótipo em computador utilizando os softwares Autocad e Solidwork. Com a construção da gaiola podemos simular os impactos e acidentes com o protótipo. Durante a execução do foram feitas varias analises da estrutura, como capotagem e impacto frontal. Figura 1: protótipo desenvolvido pelo software Solidwork. 2ª Criação da gaiola em PVC. Após a simulação da gaiola feita e debatida entre a equipe, passamos para a segunda etapa, construção da mesma em PVC. Dessa forma podemos analisar e ver em tamanho real nosso projeto e corrigir possíveis erre de projeto. Figura 2: Construção do 1º Protótipo Figura 3: Protótipo em PVC

5 3ª Execução do projeto real. A construção da gaiola real foi feita com aço 1020 com espessura de 1,5 mm e preto sem banho de galvanização. Análise e Considerações Finais O elemento motivador para o desenvolvimento do projeto é a necessidade de estimular o desenvolvimento do método científico de forma aplicada. O discente deverá se envolver com todas as etapas do método científico, contudo não abandonando a essência do problema. Trata-se de uma estratégia de aprimoramento do um modelo já existente, mas com base em conhecimentos teóricos e práticos. Além de desenvolver as competências já citadas na introdução do projeto. De acordo com Araújo e colaboradores (2006), dentre as categorias existentes no Automobilismo, as de veículos off-road (fora de estrada) despertam um fascínio especial. Segundo Araújo e colaboradores (2006), a SAE Brasil (Society of Automotive Engineers- Sociedade de Engenharia da Tecnologia da Mobilidade) promove anualmente a competição de Mini Baja, entre instituições de ensino em Engenharia de todo o país. O evento envolve estudantes e professores de Engenharia e o objetivo é associar os conteúdos teóricos à prática consolidado na construção do protótipo. Figura 4: Animação do protótipo pelo software solidwork Rocha e colaboradores ressaltam que a fórmula Mini Baja foi criada em 1972, com a finalidade de despertar junto aos alunos dos cursos de Engenharia Mecânica, o interesse pelo projeto e construção de auto-veículos. Contribuindo na preparação de profissionais para atuar junto à indústria automobilística. Trata-se de uma competição de caráter acadêmico que reúne faculdades e escolas de engenharia/tecnologia, onde são considerados todos os fatores de projeto, tais como

6 desenvolvimento computacional e de engenharia, design, ergonomia, manufatura, marketing e custos etc. Para se reduzir vibrações indesejáveis em uma estrutura, devem-se, em primeiro lugar, conhecer as oscilações ditas naturais da mesma, isto é, os seus modos naturais de vibração. A análise modal experimental tem por objetivo medir e analisar a resposta dinâmica das estruturas quando excitadas por uma entrada oscilatória. Exemplos incluem a medição da vibração de uma carroceria quando gerada por um excitador eletromagnético, do tipo shaker e/ou martelo de impacto. A figura 5 ilustra, de forma esquemática, a montagem de um teste modal. Figura 5 Esquema de um teste modal. Tendo em vista a obtenção de dados e parâmetros importantes que auxiliem os alunos que participam do projeto mini-baja na UGB Barra do Pirai, a idéia do projeto é, por meio de análises feitas com o auxílio de pacotes computacionais, tais como ANSYS 10.0 e MATLAB, realizar um estudo sobre o comportamento dinâmico do mini-baja. Este estudo inclui a obtenção das freqüências naturais e dos modos de vibração da gaiola do mini-baja, seguida de um estudo do comportamento dinâmico do veículo nas direções vertical, lateral e longitudinal. A figura 7 mostra a analise Estática do protótipo (Tensão- 1) de uma estrutura veicular para a determinação dos modos de vibração da mesma.

7 Figura 6: Análise Estático Protótipo -Tensão1 Com este trabalho obteve-se uma noção de como é um projeto visto pela ótica de desenvolvimento de produto em engenharia. O design da gaiola do projeto foi uma oportunidade de aprendizado fantástica, aplicando as propriedades mecânicas dos materiais, com uma introdução ao Método dos Elementos Finitos, e utilizando um software comercial de renome em grandes empresas. Figura 7: Simulação da gaiola real O projeto deste protótipo real, durou em 1 ano. Este projeto mostrou um planejamento de construção do novo carro, com um embasamento teórico, que diminui o risco de fraturas ou torções

8 da gaiola, pois, os maiores defeitos já são visualizados pelo computador, que nos oportuniza várias simulações. Na continuidade deste projeto ter-se-á o desenvolvimento das suspensões, transmissão e sistema de frenagem. Figura 8: Visualização dos pontos críticos da gaiola Todos os tubos foram idealizados por planos médios, e independentemente. No caso da montagem houve grandes problemas, pois, o software não aceita idealizações de montagens dos tubos com ângulos diferentes de 90º e 180º, com isso o modelo original teve que ser mudado, para mais simples, diminuindo posteriormente o tempo de produção do carro modelo. Figura 9: Visualização dos ângulos da gaiola

9 As soldas foram idealizadas por soldas de extremidades, este procedimento é obrigatório para o caso de peças soldadas, pois, necessitamos para fazer a simulação, para poder gerar a malha de elementos finitos. Existiram também, problemas, quando havia vários tubos sendo soldados no mesmo ponto, pois o software não interpreta soldas uma em cima da outra a solução para este impedimento foi a diminuição do diâmetro externo do tubo, e diminuição da parede de alguns tubos. Modificações foram feitas seguindo uma escala para não ser perdida a relação de medidas dos tubos. O tempo dedicado a esta tarefa foi bem alto, comparado com as outras etapas, apenas para fazer as idealizações do projeto. Figura 10: Visualização de solda. Figura 11: Analise da estrutura

10 Na Simulação do fluxo de tensões na estrutura vê-se que a divisão das cargas foram adequadas, pois, nos pontos de aplicação de cargas não vimos a maior concentração de tensões, vimos sim, que eles foram se dissipando para a estrutura em um todo. Figura 12: Corte do tubo 1 Figura 13: Corte do tubo 2

11 Devido não ter definido as estruturas bases, as bocas de lobos podem ser diferentes, isso é para facilitar sua montagem, caso tenha que ser alterado favor relatar o mas rápido, atento as seguintes pontos: Devemos reapresentar o Projeto ao PIC de 2015 para poder terminar a construção do veículo, pois essa primeira etapa foi concluída, faltando a compra para montagem das suspensões, sistema de freio, compra de roupa para o motorista e aquisição de materiais e ferramentas para a construção do veiculo. E despesas com as inscrições nas competições dos participantes e despesas com a locomoção e hospedagem da equipe. Referências ALVES, A. F. Elementos Finitos a base da Tecnologia CAE São Paulo: Editora Érica, ARAÚJO. T.V.G etal. Projeto mini baja como estudo de caso para instrumentação eletrônica. XXXIV Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. COBENGE BELHOT.R.V, FIGUEIREDO.R.S, MALAVÉ.C.O, O uso da simulação no ensino de engenharia. XXIX Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia. COBENGE FERREIRA, H. T., Determinação das Freqüências Naturais e Modos de Vibrar de um Veículo de Dois Eixos Através de um Programa Computacional em MATLAB Simulink, Dissertação de Mestrado apresentada à Universidade de São Paulo, MENDES, P. Análise Dinâmica de Estrutura, Utilização integrada de modelos de identificação modal e modelos de elementos finitos, Regulamento SAE Brasil 2014 Acesso em 23/02/2014 as 17 horas -