Dinamometro e Freio Mag Baja

8/10/2019 Dinamometro e Freio Mag Baja

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PROJETO DE UM DINAMMETRO PARA MOTORES DE VECULOS MINI BAJA

Edgar Yuiti GushikenEscola Politcnica da Universidade de So [email protected] Motoharu KobayashiEscola Politcnica da Universidade de So [email protected]

Resumo

Objetivos

O principal objetivo deste trabalho de formatura o projeto e a construo de um dinammetro para veculos Mini Baja.

Uma pesquisa de mercado foi elaborada para descobrir os modelos existentes e quais deles preenchiam trs requisitos bsicos:

custo, preciso e capacidade de simulao. O modelo que mais de aproximou de tais requisitos foi o dinammetro de correntes

parasitas. Este tipo de dinammetro se destaca pela forma como a carga aplicada sobre o motor ensaiado.

Os objetivos so obter as curvas de Torque x RPM e Potncia x RPM do motor. Atravs de um sistema de freio

eletromagntico, ser possvel simular condies de carga sobre o motor, alm disso, estudar seu comportamento em diferentes

faixas de rotao. O mesmo estudo pode ser estendido transmisso continuamente varivel (CVT).

Principais Concluses

Fisicamente, uma estrutura metlicae acomodar o sistema de freio eletromagntico, o motor, polias da CVT, alm de

sensores e o sistema de refrigerao do freio.A construo do prottipo ser realizada pelos responsveis deste projeto que possuem conhecimentos adquiridos em

curso tcnico e na participao do projeto Mini Baja. Contar com a ajuda de patrocinadores para aquisio de matria-prima ,

alm da colaborao dos Deptos. Engenharia Mecnica (PME) e Telecomunicaes e Controle (PTC) e seus respectivos

orientadores na concepo e construo do projeto.

Palavras chave:Mini Baja, dinammetro, motor, CVT, simulao.

1. Introduo

A Equipe Poli de Mini Baja tem se destacado neste ltimos trs anos pela sua evoluo e as conquistas alcanadas.Na ltima competio nacional deste ano de 2006 realizada em Piracicaba SP, a equipe representando o nome daEscola Politcnica da Universidade de So Paulo obteve a quinta colocao no geral com o carro 2006 e tambm

bicampeo de Qualidade de Execuo com o carro de 2005. Diante disso, os integrantes, anualmente so responsveis apromover uma melhoria continua de seus projetos. No que se refere ao sistema motriz,o principal objetivo so reduzirde peso e alcanar o melhor desempenho do conjunto. Alguns estudos atuais relacionados com experincias anterioresmostram que possvel elaborar um projeto mais eficiente de caixa de transmisso desde que se saiba com preciso ocomportamento dinmico do motor e da CVT.

2. Dimensionamento do freio

2.1. Descrio do projeto do freio de correntes parasitas

Com a ajuda do Prof. Ivan Chabu do Depto de Energia e Automao (PEA), teve incio o dimensionamento de umfreio de correntes parasitas (Dietrich, 1997/2000) cuja finalidade neste projeto ser de servir como uma cargacontrolvel via computador.

Este projeto inicia-se com a manipulao de algumas equaes da fsica (Apostilas de Laboratrio de ConversoEletromecnica de Energia) de forma a obter uma equao que relacione o torque reativo do rotor com as caractersticase as condies de operao do rotor.

).( Bvdlder

r

= (1) (derivada da tenso ao longo do comprimento do rotor)

vlBe ..= (2) (tenso do comprimento ao longo do rotor)

z

ei = (3) (corrente)

).( Bidldfrr

= (4) (derivada fora reativa)

)cos(... 2= ilBf (5) (fora reativa do freio)

RfC .= (6) (torque reativo)


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Figura 02 Diagrama das foras e campos para uma chapa de material ferromagntico aps passar por um campoconstante.

v f

B

i

v i f

B

A partir da Fig. (1) acima podemos supor que o corpo em vez de realizar um movimento de translao estejarealizando uma rotao, visto que a largura do m bem menor que a largura do corpo. Com isto, podemos obter umaequao de torque substituindo e manipulando algumas incgnitas. Como o freio possui vrios ms, foi usado p.2 como o nmero de ms.

)cos(....

. 22

22

=z

pDvLBC m (7) (torque reativo)

A Eq. (7) refere-se ao torque no rotor. As nicas incgnitas que ainda no so possveis obter so a impedncia z ea fase da mesma. Para obter tais incgnitas deve-se deduzir a impedncia e a fase do rotor para um passo polar ().

(8) (resistncia do rotor)

(9) (profundidade mxima de ocorrncia das correntes parasitas no rotor)

(10) (passo polar ou o comprimento do arco do trecho do m)

(11) (reatncia do rotor)

(12) (relutncia magntica)

(13) (indutncia do rotor)

(14) (impedncia do rotor)

nDv ..= (15) (velocidade com que o rotor passa pelo m)

npf .= (16) (freqncia com que o rotor gira ou rps do rotor)

gfm BKB .= (17) (densidade mdia de campo magntico)

nLDBp

KC g

f ......

.2

..

13

9 322

= (18) (torque reativo)

A Eq. (18) relaciona o torque reativo do rotor com as diversas caractersticas e condies de operao do mesmo.Esta deduo para um freio heteropolar, porm para o atual caso que homopolar, basta que o torque gerado seja

S

N

Lf

f

L

d

L

S

lr

p

p

pp

....

..2.

.2.

.

.

..2

====

.

.2=dp

p

Dp .2

. =

22 ...2 Lfx =

efS

e

.=

..

.

3.

.

..2.

.2.

3.

.

.. 3.

1222

f

L

f

L

Ld

NL

pp

p

p

===

=

22

222 rxz +=


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dividido pela metade. Uma vez calculado o torque reativo ser necessrio o dimensionamento da inrcia do rotorEq.(19) para que esta no fique acima da metade da inrcia equivalente do carro.

(19)

O clculo do circuito magntico segue abaixo:

(20) (fluxo magntico total)

2.. .rotormagd

T

Lbp

B

ef

= (21) (densidade de campo magntico para o trecho do rotor)

2..

.rotormag

ef

T

LD

B

= (22) (densidade de campo magntico para o trecho do m)

)4.(

2int

2 DDB

ext

T

=

(23) (densidade de campo magntico para o trecho do estator)

Uma vez calculado a densidade de campo nas partes do freio, usa-se uma tabela de magnetizao para se obter aintensidade de campo magntico e conseqentemente a fora magnetomotriz. Com esses dados obtido o nmero deespiras do freio.

(24) (fora magnetomotriz total)

(25) (tenso de excitao das bobinas do eletrom)

Figura 03 Desenho ilustrativo de um freio de correntes parasitas (vista em corte)

rotoreixoaodiscodiscoaorotorextaofreio LDeDLDDJ ....)..(444

int4

++=

p

L

KBrotormag

pfgT .2....

=

= nT FF

cobre

Tcobrecobre

cobre

excespcobrecobre

excbobexcS

Fl

S

iNlirV

......

===

Rotor

Bobina Armadura

Rolamento

Eixo

Tampas


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3. Dimensionamento de componentes

3.1 Eixos

Para o dimensionamento do eixo que ir sustentar todo o conjunto de freio, foi considerado a seguinte condio decarregamento, como se pode observar na Fig. (4):

Figura 03 Diagrama do corpo livre para o eixo do freio

Pa = Peso da armadura e bobinas

Pr = Peso do rotor e a influncia da fora de atrao magntica rotor/armadura

Nesta condio possvel encontrar o momento fletor mximo aplicado sobre o eixo atravs do diagrama demomentos. Com o valor do momento mximo e o valor de torque mximo que o eixo submetido (torque mximo domotor), aplicando a Teoria de Soderberg (Niemann, 1991; Shigley, 2004) para eixos possvel obter o dimetromnimo.

3/12/12232

+

=Sn

M

Se

Tnd

(26)

Onde,

T = torque mximo aplicado sobre o eixo

M = momento fletor mximo

n = coeficiente de segurana

Se = resistncia ao escoamento

Sn = resistncia fadiga

3.2 Rolamentos

As necessidades de aplicao que definiro o tipo de rolamento a ser selecionado so primordialmenteinfluenciadas pela atuao das foras radial e axial no mancal. Para tanto, os rolamentos so divididos em radiais eaxiais, de acordo com a solicitao preponderante qual esto submetidos (Juvinall, 2003).

Os rolamentos a serem aplicados devem resistir a altas cargas radiais, variao de velocidade, preciso e terem altadurabilidade. Utilizando o catlogo da NSK 2002, o tipo de rolamento que mais se adequou a tais caractersticas foi orolamento fixo de esferas por suportarem cargas radiais e ainda axiais nos dois sentidos.

4.Sistema de refrigerao

O sistema de refrigerao ser necessrio para retirar o calor gerado pelo freio magntico. Como a variao detemperatura do sistema no ultrapassa os 40C, um sistema de simples de circulao de gua ser o suficiente.

Este sistema funcionar da seguinte forma: haver um reservatrio (caixa de gua) no qual a gua ser armazenada.Uma bomba ligada ao reservatrio ir bombear gua at uma entrada localizada na parte superior do freioeletromagntico. A circulao da gua dentro do freio ser garantida pois o rotor estar girando durante ofuncionamento. Aps a troca de calor, na parte inferior do freio haver uma sada por onde a gua por gravidade entrar

em um radiador (modelo automotivo) ser resfriada por um ventilador (ventoinha), retornando novamente para oreservatrio por gravidade.

Pr

Pa Pa


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5.Estrutura

Inicialmente a idia principal era construir uma estrutura nos moldes do projeto. No entanto, ao analisar ascaractersticas da estrutura do dinammetro hidrulico e o custo que seria gerado com a construo de uma novaestrutura, decidiu-se aproveitar a estrutura do antigo dinammetro, mas fazendo as modificaes necessrias para oatual. Duas caractersticas interessantes sero preservadas: as regulagens nos trs eixos e a base de sustentao. Mas ospontos de fixao do motor tero que ser totalmente remodelados, pois no antigo sistema usava-se um motor 1.0 Lquatro cilindros da GM.

6. Aquisio de dados

A aquisio dos dados ser obtida atravs de um mdulo que estar conectado a um computador. Em relao forma de medir o torque, uma clula de carga associada a o freio eletromagntico ser implementada. Havero tambmsensores para medir rotao do motor, polia movida da CVT, temperatura da gua de refrigerao do dinammetro ecorrente eltrica consumida. Alm da parte de fsica, um software ser desenvolvido para a manipulao dos dadoscoletados.

7. ResultadosO projeto vem evoluindo satisfatoriamente apesar do atraso no cronograma. No entanto, todo o sistema de freio j

est em processo de fabricao e existe uma previso de concluso do prottipo no fim de Fevereiro de 2007.

8. Referncias1.DIETRICH, LAVARO B.; Projeto e construo de um dinammetro por correntes parasitas para ensaios demotores fracionrios; Projetos de formatura 1997 So Paulo : EPUSP - Departamento de Engenharia de Energia eAutomao Eltricas; So Paulo, 1997;2.DIETRICH, LAVARO B.; Um estudo de correntes induzidas em meios macios ferromagnticos : aplicao noprojeto de freios de correntes parasitas; Dissertao (Mestrado) apresentado Escola Politcnica; So Paulo; 2000;3.JUVINALL, R.C., MARSHEK, K.M.. Fundamentals of MachineComponent Design. 3.ed.. Danvers, John Wiley &Sons Inc., 2003.4.NSK. Catlogo NSK de Rolamentos.So Paulo, 20025. SHIGLEY, J.E.; Mischke, C.R.; Budynas, R.G. Mechanical Engineering Design. 7. ed. Nova York, McGraw Hill,2004.6.Apostilas de Laboratrio de Converso Eletromecnica de Energia; So Paulo; 2003;

DYNAMOMETERS PROJECT FOR MINI BAJA VEHICLESS ENGINES

Edgar Yuiti GushikenEscola Politcnica da Universidade de So Paulo e Rua Padre Manuel Bernades, [email protected] Motoharu KobayashiEscola Politcnica da Universidade de So Paulo e Trav. Dr. Jos Correia de Meira, [email protected]

Abstract

Objectives

The main objective of this graduation project is the design and construction of a dynamometer for Mini Baja vehicles.

A market research was made to find out the kinds of dynamometesr available and which of them could satisfy three mainrequirements: cost, accuracy and simulation capacity. Among several models, the one that fitted the requirements better was the

dynamometer with parasite currents. This kind stands out from the others because of the way the load is apllied and the powertrain

to be tested.

The objective is to obtain the Torque x RPM and Power x RPM curves. Using the electromagnetic braking system is

possible to simulate several load scenarios on the engine and analyse its behaviour, for different rotation intervals. The same

analysis can be extended to the continuous variable transmission (CVT). The possibility of load simulation is also a useful tool for

the dynamometer operation and the tests results analysis.

Main Conclusions.

Fisically, the dynamometer will be a metallic structure that will hold a electromagnetic braking system, the engine, the

CVT pulleys, besides sensors and the braking cooling system.

The construction of prototype will be made by the responsibles of this project that gather their knowledge accquired from

technical courses graduation and the Mini Baja project. It also counts with the help of sponsors for material resources

acquisitionand also the collaboration of the Mechanical Engineering Department (PME) and Control and Telecommunication(PTC) together with their respective orienting teachers in concepting the project ideas and construction.

Keywords: Mini Baja, dynamometer, engine, CVT, simulation.

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