Modelação e Animação de um Motor a quatro tempos de um Aeromodelo

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1 Modelação e Animação de um Motor a quatro tempos de um Aeromodelo Alexandre Wragg Freitas, Soraia Castro Pimenta Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias, s/n, Porto {alexandre.wragg, João Manuel R. S. Tavares, Joaquim Oliveira Fonseca Dep. de Eng. Mecânica e Gestão Industrial, Fac. de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias s/n, Porto , Portugal {tavares, RESUMO Em Engenharia a representação de sistemas, bem como as peças que os constituem, é essencial para uma adequada comunicação entre todos os agentes envolvidos nas várias fases da vida dos mesmos e que vão desde o desenvolvimento até à utilização. Neste âmbito, em Engenharia Mecânica, a modelação 3D de mecanismos assume um papel cada vez mais importante. Com o aumento das capacidades dos sistemas computacionais e dos diversos softwares de CAD, torna-se possível obter modelações cada vez mais complexas e por isso mais fiéis. Os softwares mais recentes, além de permitirem a modelação, e consequente visualização 3D, possibilitam também a obtenção dos respectivos desenhos de definição 2D assim como o desenvolvimento de animações de funcionamento. Neste artigo, é apresentada a modelação de um motor de um helicóptero (modelo FS-90, da empresa O.S. Engines MFG. CO. LTD) a quatro tempos usando o software Autodesk Inventor. Várias animações desenvolvidas para o mesmo motor são também apresentadas. INTRODUÇÃO A modelação tridimensional de conjuntos mecânicos é uma ferramenta que assume actualmente uma grande importância na Engenharia Mecânica, proporcionando a oportunidade de visualizar modelos virtuais extremamente fiéis de estruturas ou mecanismos. Este artigo pretende apresentar a modelação 3D de um motor a quatro tempos de um helicóptero, modelo FS-90 fabricado pela O.S. Engines MFG. CO. LTD ( Figura 1. Figura 1 Motor FS-90 considerado. O referido trabalho foi realizado no âmbito da disciplina de Concepção e Fabrico Assistidos por Computador ( integrada no 1º semestre do 3º ano curricular da Licenciatura em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, no ano lectivo de 2004/2005, [1]. O programa de modelação 3D e animação utilizado foi o Autodesk Inventor, [2-4], cujas

2 interfaces principais se podem observar nas Figuras 2 e 3. Figura 2 Interface de modelação do Autodesk Inventor. Figura 3 Interface de montagem Autodesk Inventor. Neste artigo são apresentados os processos básicos de modelação e animação de um mecanismo, numa sequência idêntica à utilizada no trabalho realizado, [1, 5]. Assim, será inicialmente descrito o processo de modelação 3D dos componentes do motor, apresentando as principais operações utilizadas; seguidamente explicar-se-á o processo de montagem dos sub-conjuntos e do motor, referindo as relações e restrições que garantem a correcta simulação da sua configuração e comportamento; depois, serão referidas as animações realizadas dos principais movimentos do motor; finalmente, apresentar-se-ão algumas conclusões sobre o trabalho desenvolvido. MODELAÇÃO DE COMPONENTES A modelação tridimensional dos componentes (usualmente designados neste domínio por parts) que integram um dado conjunto é o primeiro passo na modelação do mesmo. Os programas de modelação usuais estão equipados com várias ferramentas necessárias à geração 3D das peças a integrar posteriormente num mecanismo. Esta construção requer a decomposição de cada componente nas suas formas elementares e o planeamento da sequência de operações simples necessárias à sua modelação. As principais funcionalidades de modelação de elementos são seguidamente ilustradas, tomando como exemplo a construção de três componentes do motor considerado: a embraiagem, o suporte do carburador e a tampa superior, Figuras 4, 5 e 6. Figura 4 Embraiagem. Figura 5 Suporte do carburador. Figura 6 Tampa superior. Esboço O esboço constitui a base da grande parte das operações comuns de modelação. São normalmente utilizados desenhos 2D que definem o traçado principal do elemento a criar, embora também seja possível criar esboços 3D quando necessário. A construção dos esboços baseia-se no desenho de formas elementares simples, na sua cotagem e na imposição de relações geométricas e de forma entre elas, Figura 7.

3 Figura 7 Exemplo de um esboço. Extrusão A operação de extrusão consiste na criação de um elemento 3D através da projecção segundo uma determinada direcção, usualmente a perpendicular ao plano que contém o esboço 2D. Os programas de modelação 3D permitem a realização de extrusões aditivas ou subtractivas, inclinadas ou não, Figuras 8 e 9. Figura 8 Exemplo de uma extrusão aditiva inclinada. Figura 9 Exemplo de uma extrusão subtractiva. Revolução A revolução é a operação que gera um volume através da rotação de um perfil 2D em torno de um eixo com adição ou remoção de material, Figura 10. Figura 10 Exemplo de uma revolução. Furos Os programas de modelação 3D mais recentes dispõem de funcionalidades de criação de furos, permitindo usualmente com uma só operação realizar qualquer tipo de furo (simples, roscado, com caixa, etc.), normalizado ou não. Geralmente, o utilizador necessita apenas de definir o centro do furo, o seu diâmetro e comprimento e, eventualmente, de seleccionar outras características pretendidas, Figuras 13 e 14. Varrimento A operação de varrimento (geralmente designada por sweep) é uma função capaz de gerar um elemento 3D por movimentação de um perfil 2D ao longo de um caminho previamente definido, Figura 13.

4 Figura 11 Exemplo de execução de um furo cego roscado. Figura 12 Exemplos de furos obtidos usando um procedimento automático de geração. Figura 13 Exemplo de um varrimento. Padrão Esta operação permite repetir um elemento 3D criado anteriormente, formando um padrão rectangular ou circular, Figuras 16 e 17. Figura 14 Exemplo de um padrão angular. Figura 15 Exemplo de um padrão rectangular. Casca Os programas de modelação 3D mais recentes estão equipados com uma ferramenta que transforma sólidos maciços em cascas. Assim, ao utilizador é apenas pedida a indicação da face a suprimir e a espessura final pretendida para a casca. Esta operação é particularmente interessante na construção de caixas com formas irregulares, conforme ilustrado na Figura 16. Espelho A operação de espelho permite repetir um elemento, posicionando a cópia simetricamente em relação a um plano e ao original, Figura 17. Figura 16 - Exemplo de uma casca. Figura 17 - Exemplo de utilização da operação espelho.

5 Exemplo de Modelação Com operações de modelação simples como as apresentadas anteriormente é possível construir, passo a passo, componentes com elevado nível de complexidade, como o corpo do motor apresentado na Figura 18. Figura 18 Etapas de construção do corpo do motor considerado neste trabalho. MONTAGEM DE CONJUNTOS A montagem de vários componentes num conjunto mecânico é a etapa que se segue à modelação dos primeiros. É fundamental, nesta fase, conhecer perfeitamente as características cinemáticas do conjunto, uma vez que é aqui que são definidas as relações entre componentes que permitirão, depois, uma correcta animação do mecanismo modelado. A montagem de um conjunto inicia-se com a colocação de um componente (habitualmente o elemento fixo do conjunto). São então adicionados os restantes componentes do conjunto, estabelecendo-se relações e restrições de posição e movimento necessárias para o correcto funcionamento final do conjunto. As referidas relações podem ser estabelecidas entre elementos geométricos (planos/superfícies planas e/ou eixos/arestas rectilíneas) de dois componentes distintos ou entre um elemento de um componente e o sistema de eixos da montagem, Figura 19. É também possível utilizar sub-conjuntos (móveis ou estáticos) como elementos primários de um conjunto. No trabalho desenvolvido optou-se por criar alguns sub-conjuntos, tornando assim mais metódico o processo de montagem global, Figura 20. Figura 19 Montagem do pistão do motor considerado neste trabalho. Figura 20 Montagem do motor considerado neste trabalho. Uma vez que a especificação de relações adequadas entre componentes é indispensável num processo de montagem bem conseguido, serão seguidamente apresentadas algumas das relações de posição e movimento aplicadas no trabalho realizado. Posição angular Esta relação de posição permite a orientação relativa de dois componentes através do ângulo formado entre dois elementos geométricos a eles pertencentes, Figura 21. Correspondência entre superfícies Esta relação de posição impõe um paralelismo (a uma distância definida pelo utilizador, que

6 pode ser nula) entre dois elementos geométricos de dois componentes diferentes, Figura 22. Figura 21 Exemplo de uma relação de posição angular. Figura 22 Exemplo de uma relação de correspondência entre superfícies. Inserção de componentes Esta relação permite inserir um componente noutro, garantindo a sobreposição das superfícies de contacto. É principalmente interessante no encaixe de peças ou na montagem de parafusos, como se pode observar na Figura 23. Tangência de superfícies Esta relação impõe a tangência entre duas superfícies (planas ou curvas), podendo ser utilizada como relação de posição ou de movimento simples, Figura 24. Figura 23 Exemplo de inserção de um componente. Figura 24 Exemplo de utilização de uma relação de tangência. Contacto Esta relação de movimento garante o contacto permanente de duas superfícies, desde que possuam uma forma suave. Neste trabalho esta relação foi utilizada para simular o movimento dos excêntricos e dos contactos das hastes ligadas às válvulas do motor, Figura 25. Figura 25 Exemplo de utilização de uma relação de contacto. Rotação/Rotação Esta relação de movimento simula o comportamento de elementos de engrenagens, Figuras 28 e 29, e rolamentos, associando à rotação do componente mandante uma rotação do componente mandado. A correcta simulação dos movimentos é definida através da razão e sentido de rotação.

7 Figura 26 Rodas dentadas sem relação rotação/rotação (as rodas não são solidárias). Figura 27 Rodas dentadas com relação rotação/rotação (as rodas são solidárias). Rotação/Translação Esta relação de movimento permite simular um movimento helicoidal, Figuras 30 e 31. O utilizador necessita apenas de introduzir o passo do movimento pretendido para que este se processe devidamente. Este tipo de relação é interessante em elementos roscados. Figura 28 Abertura da borboleta do carburador sem relação de rotação/translação. Figura 29 Abertura da borboleta do carburador com relação de rotação/translação. Funções auxiliares Usualmente, além das operações de montagem, os programas de modelação possuem ainda algumas ferramentas auxiliares, como por exemplo a detecção de interferência de volumes ou a determinação dos graus de liberdade do sistema. Exemplo de Montagem Estabelecendo, para cada componente, as devidas relações de posição e movimento, é possível completar a montagem do mecanismo pretendido, garantindo-se a correcção da sua configuração e do seu comportamento cinemático. Na Figura 30, são apresentadas algumas imagens da montagem final do motor a quatro tempos considerado neste trabalho. Figura 30 Vistas da modelação 3D do motor considerado neste trabalho. ANIMAÇÃO A animação de movimentos é um dos principais focos de interesse na modelação 3D de mecanismos, uma vez que permite a simulação do seu funcionamento real bem como de operações de montagem e desmontagem. Os programas de modelação usuais possuem ferramentas de animação, permitindo a gravação

8 das animações desenvolvidas em ficheiros de vídeo que podem ser visualizados por qualquer programa multimédia. O processo de animação consiste, primeiramente, em acrescentar ao conjunto uma relação que impeça o movimento pretendido; seguidamente, é possível animar todo o conjunto conduzindo o parâmetro dessa relação através de uma gama de valores, controlando o passo e posições inicial e final. Exemplos de Animações O motor modelado neste trabalho foi posteriormente animado em seis movimentos: Abertura da borboleta do misturador, Tabela 1, Ciclo de funcionamento do motor (vista em corte), Movimento dos contactos e excêntricos, Ciclo de funcionamento do motor (vista em esqueleto), Ciclo de funcionamento do motor (visualização rodas dentadas e manivela), Movimento de abertura e fecho das válvulas. Tabela 1 Animações desenvolvidas no trabalho considerado (clicar para aceder aos vídeos on-line). Borboleta do carburador. Funcionamento do motor. Excêntricos. Funcionamento do motor.. Rodas dentadas e manivela. Abertura e fecho das válvulas. CONCLUSÃO O trabalho de modelação 3D e animação de um motor a quatro tempos descrito neste artigo permitiu evidenciar algumas das vantagens apresentadas pela generalidade dos actuais programas de modelação. Um dos aspectos mais atractivos na utilização deste tipo de programas é a flexibilidade de visualização permitida ao utilizador, através da manipulação de vistas e pormenores, da criação de cortes e transparências e da criação de animações. Além disso, a modelação 3D é um potente auxiliar no projecto de novos produtos, nomeadamente por permitir um melhor acompanhamento na fase de concepção e a aplicação em tecnologias de produção assistidas por computador. REFERÊNCIAS [1] Freitas, Alexandre, Pimenta, Soraia, Modelação de um motor a quatro tempos. Relatório do trabalho prático da disciplina Concepção e Fabrico Assistidos por computador da Licenciatura em Engenharia Mecânica, FEUP. ( [2] Costa, Américo, Autodesk Inventor - 2.ª Edição Actualizada - Depressa & Bem, FCA. [3] Autodesk Inventor, [4] Tickoo, Sham, Autodesk Inventor for Designers Release 9. CADCIM Technologies. [5] Tavares, João, Apontamentos da disciplina Concepção e Fabrico Assistidos por Computador da Licenciatura em Engenharia Mecânica, FEUP. (

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