PROJETO DE FÓRMULA SAE UNICAMP EQUIPE FSAE-UNICAMP

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1 PROJETO DE FÓRMULA SAE UNICAMP EQUIPE FSAE-UNICAMP VII Competição Fórmula SAE BRASIL Petrobras Relatório de Parceria Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer Autores: Willen Grimm Balaniuc Danilo Alcântara de Oliveira Juliana Amorim Professor Orientador: Kamal Abdel Radi Ismail Dezembro/2010

2 A parceria com o Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer CTI, durante o ano de 2010 teve como objetivo auxiliar na construção de um protótipo automotivo utilizado na VII Competição Fórmula SAE Brasil Petrobrás, promovida pela SAE (Society of Automotive Engineers), do dia 19 ao dia 21 de Novembro de 2010, no Campo de Provas da Goodyear em Americana, São Paulo. O veículo foi construído pela Equipe FSAE-UNICAMP, da da UNICAMP, através do trabalho de 28 alunos, do curso de Engenharia Mecânica e Engenharia Elétrica. A competição contou com a presença de 19 equipes da América Latina. Na competição, a Equipe FSAE-UNICAMP atingiu os seguintes resultados 2º Colocação na Prova de Design; 6º Colocação na Prova de Custos e Manufatura; 9º Colocação na Prova de Apresentação; 5ª Colocação Prova de Aceleração; 7ª Colocação na Prova de Skidpad; 7ª Colocação na Prova de Autocross; 4ª Colocação Prova de Enduro; 4ª Colocação Prova de Economia de Combustível; Colocação Geral: 9º lugar.

3 Parceria Foi projetado um coletor de admissão com o auxilio de software CAD com posterior produção através do processo de prototipagem rápida. A função de um coletor de admissão é fornecer o ar necessário ao motor com a menor dispersão entre os seus condutos, sendo, portanto, necessário minimizar as perdas de carga entre a sua entrada e saída. Com base nesta definição, a equipe procurou, através de diversas analises estruturais, fluido-dinâmicas e simulações em 1D, obter a melhor geometria que otimizasse estas características, aliando robustez ao conjunto através das análises estruturais. Analises Fluido-Dinâmicas O processo de análise fluido-dinâmica iniciou-se após simulação dos parâmetros geométricos, feitos através do software Ricardo Wave, cujas simulações são realizadas em 1D. Através deste software, foram determinadas dimensões como diâmetro e comprimento dos condutos de ar, além do volume da câmara plenum. Em posse destas informações e com o auxilio dos softwares Pro-engineer 4.0 e CFX, foi construído o modelo inicial apresentado abaixo:

4 Geometria inicial utilizada Simulação em CFD inicial Realizando um processo iterativo de simulações e modelamento em CAD, foi determinada a geometria final a ser utilizada. Nesta parte do processo procurou-se minimizar pontos de estagnação, recirculação do fluxo e minimizar a perda de carga entre a entrada e a saída da geometria. O modelo final utilizado e sua simulação são apresentados nas figuras a seguir: Geometria do conjunto final Simulação CFD do conjunto final Analise Estrutural A partir da geometria definida pela etapa anterior e com o auxilio do software Ansys foram realizadas simulações estruturais. Sabe-se que um plenum em atividade, utilizado em carros do tipo fórmula, gera vácuo no seu interior de até 1,1 bar e sofre acelerações laterais de até 1,5 g. Desta forma, procurou-se realizar simulações sobre o conjunto utilizando pressões de 2 bar e acelerações lateriais de até 2g. Verificou-se pelas análises que o conjunto estaria apto a trabalhar mesmo acima das condições médias exigidas. Devido ao conhecimento de como o material se comporta em situação real de carga, optou-se também por aplicar ranhuras sobre a superfície do plenum, evitando assim que houvesse deflexão excessiva do material, o que poderia acarretar em fadiga e quebra do conjunto.

5 A seguir apresentamos algumas imagens com as simulações estruturais realizadas: Simulação de vácuo de 2 bar Simulação de 2g de aceleração em todas as direções Tensões de Von Misses sobre o conjunto sob depressão interna

6 Deslocamentos da peça sobre ação de carga vibratória Validação dos Resultados Após a construção da peça em prototipagem rápida, procurou-se validar os resultados teóricos obtidos. A parte estrutural sobre a depressão foi validada no banco de fluxometria, uma vez que a peça instalada no motor apresenta certas dificuldades para medição da deformação. Em simulação, a deformação não ultrapassava 0,02mm. Na prática, esse valor não pôde ser verificado, no entanto, visualmente, não observou nenhuma deformação elástica do componente quando submetida a depressão de 2 bar. Através de uma bancada de fluxo, procurou-se verificar a estanqueidade do plenum, a dispersão de carga dos condutos e verificar se o conjunto estava de fato apto a aguentar um vácuo de até 2 bar. Na tabela abaixo encontram-se os dados obtidos para a dispersão calculada pelo CFD e a dispersão real verificada. Tabela 01: Comparação dos dados de perda de carga teórico e reais Simulação ou Perda de Carga Cilindro [Pa] Dispersão Ensaio Fluxometria CFD 1,6% Ensaio 3,4% Diferença 112,5% 4,1% 7,1% 7,3% 6,5% Analisando a tabela pode-se verificar que houve uma diferença significativa entre os dados analisados e os dados reais. Acredita-se que este fato ocorra devido as adaptações que foram realizadas sobre a bancada de fluxo para adaptar o coletor projetado. Desta forma, perdas amplamente conhecidas como entradas e saídas abruptas e turbulência gerada pelos sensores utilizados nas medições podem ter interferido sobre o resultado final. Apesar disto, considera-se que a dispersão obtida entre os cilindros de 3,4% está dentro do padrão estabelecido pela equipe, que era de 5% de dispersão. Verificou-se também que a pressões de 2 bar o plenum manteve sua integridade física, fato este que credita-se ao maior conhecimento que a equipe obteve sobre simulações fluido-

7 dinâmicas e estruturais e também devido às ranhuras aplicadas sobre sua superfície. A seguir encontram-se algumas imagens do conjunto na bancada de fluxo. Verificação dos dados em bancada de fluxo industrial Instrumento para limpeza interna de grãos compactados de poliamida

8 Limpeza interna de grãos compactados de poliamida Montagem do coletor com flange para testes

9 Teste de estanqueidade Software de medição de perda de carga Para garantir a limpeza interna do coletor de forma que não houvesse resíduos de poliamida no interior que prejudicasse os componentes do motor, foi construído um dispositivo para realizá-la. A flange foi requerida para realização dos ensaios, uma vez que as flanges disponíveis na empresa onde foi realizado o teste não eram compatíveis com o coletor fabricado. Com relação a estanqueidade do conjunto, verificou-se que devido à porosidade do material ar adentrava sobre a câmara plenum, além da entrada principal projetada. Essa vazão de ar extra era de 30 kg/h quando se aplicava uma depressão de 250 mmhg. Uma forma encontrada para contornar este problema foi a aplicação diversas camadas de tinta e primer sobre sua superfície externa. O aspecto final pode ser observado nas figuras a seguir:

10 Coletor finalizado e montado no carro Outras Informações De acordo com o regulamento estabelecido pela SAE para a competição o monoposto projetado deve possuir uma restrição no sistema de admissão de 20 mm quando abastecido com gasolina e 19 mm quando abastecido a álcool. Devido à escolha do álcool como combustível optou-se pela restrição de 19 mm e, para segurança, o modelo foi projetado com 18,5 mm. A partir da verificação das dimensões com instrumento cônico calibrado, verificou-se que a medida era de 18,8mm, atendendo assim o regulamento. Outro ponto crucial para o projeto foram as distâncias entre os condutos de ar do plenum para se adequassem perfeitamente aos condutos do motor. Uma verificação apontou que estas distâncias estavam em concordância com as dimensões utilizadas. Com relação à deformação devido a elevadas temperaturas, observava-se, em projetos anteriores, uma dilatação excessiva que causava deformação plástica.

11 Coletor 2008 deformado plasticamente devido ao calor do motor Para evitar esse tipo de problema, optou-se por utilizar um anel de material isolante termicamente (Teflon) na união entre o cabeçote do motor e o duto de saída de ar do coletor. Anel de teflon isolante Verificou-se que mesmo após todos os testes realizados e período de competição após a utilização do anel o plenum manteve sua integridade física.

12 Carro montado em CAD Carro montado final (vista para coletor)

13 Visibilidade meios: O contrato de Parceria resguardava ao CTI o direito de visibilidade nos seguintes Carro Um espaço na parte lateral do bico de 155x60 mm (ambas as laterais foram utilizadas)

14 Macacão dos Pilotos Na frente, em cima, em espaço reservado para patrocinador Prata Camiseta Nas costas, em espaço reservado para patrocínio Prata

15 Site () Na página de patrocinadores, em espaço reservado para patrocinador Prata Faixas e Banners Utilizado nos eventos em que a equipe particip e durante a VII Competição SAE Brasil Petrobras de Fórmula SAE Brasil

16 Outros Eventos O Projeto 2010 teve seu lançamento no Espaço Cultural Casa do Lago, local de exposições da Cidade Universitária da UNICAMP, no mês de novembro de 2010, e contou com a presença de inúmeros patrocinadores, professores, mídia local e alunos da UNICAMP. Agradecimentos Agradecemos ao Marcelo de Oliveira e a todo o pessoal da divisão de tecnologias tridimensionais por todo o suporte, empenho despendido à equipe ao longo do ano e também por acreditar neste projeto, permitindo assim que estudantes de graduação possam colocar em pratica os ensinamentos expostos em sala de aula. O CTI acredita desde o ano de 2008 no potencial dos alunos e colocou-se sempre à disposição para ajudar no desenvolvimento dos projetos. Essa parceria foi imprescindível para conquistarmos nosso espaço entre as melhores equipes da América Latina.