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PROJETAR E CONSTRUIR UM PROTÓTIPO OFF-

ROAD PARA A 19° COMPETIÇÃO SAE BRASIL

DE MINI BAJA

Angela de Jesus Vasconcelos

Leonardo Silva da Costa

Mauricio de Moraes Tavares

Max Kakue Sasaki

Thiago Henrique Fernandes Dias Ferrão

Walbert do Nascimento Santos Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Equipe Tupinambaja

Arildomá Lobato Peixoto Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará – Professor orientador da Equipe

Copyright ©2013 Society of Automotive Engineers, Inc

1. RESUMO

O projeto Baja SAE é uma competição

entre Instituições de Ensino Superior que

desafia estudantes de engenharia através da

simulação de um caso real de desenvolvimento

de projeto, com todas as atividades que

envolvam o mesmo, visando à aplicação prática

dos conhecimentos adquiridos em sala de aula.

E, com o objetivo de presenciar um

caso real de engenharia, houve a seleção de uma

equipe de estudantes de Engenharia de

Materiais, junto a voluntários do Curso Técnico

em Mecânica do Instituto Federal de Educação,

Ciência e Tecnologia do Pará, a fim de

participar da 19º competição da Baja SAE

Brasil que será realizada em Piracicaba, São

Paulo em Março de 2013. Para isso, os discentes

passaram por inúmeras tarefas como trabalho

em equipe, administração de pessoas e recursos,

dimensionamento e escolha de materiais, além

da organização de atividades.

2. INTRODUÇÃO

O projeto Baja SAE foi criado na

Universidade da Carolina do Sul, Estados

Unidos, sob a direção do Dr. John F. Stevens,

sendo que a primeira competição ocorreu em

1976. No Brasil, a competição foi realizada pela

primeira vez em 1995 e desde então tem

crescido gradativamente, tornando-se uma das

mais importantes atividades extracurriculares

para estudantes de engenharia.

A competição consiste na realização de

inúmeras provas para, no fim, ser decidido,

pelos Juízes Credenciados, a classificação das

equipes.

As provas se fundamentam em

avaliações estáticas (350 pontos) e dinâmicas

(650 pontos). A primeira se baseia em três

etapas: Inspeção Técnica e de Segurança,

seguida da Verificação do Motor e, por fim, a

Avaliação do Projeto. Já a segunda subdivide-se

em cinco etapas: aceleração (60 pontos);

velocidade máxima (60 pontos); tração (60

pontos); manobrabilidade – Slalon – (70

pontos), o qual se refere a executar um traçado

sinuoso e repleto de obstáculos, e enduro de

resistência (400 pontos) – os veículos

completam voltas em um terreno irregular, off-

road, em qualquer condição climática, durante

um tempo estimado de quatro horas.

Durante o período de idealização e

montagem do protótipo, os discentes

vivenciaram a realidade de um engenheiro,

quanto às atividades de projetar, construir e

testar a qualidade do produto.

Outra habilidade do competidor a ser

acrescida durante a efetuação do projeto Mini

Baja está no quesito relação interpessoal, vista

por inúmeros profissionais como mero detalhe

exigido pelo mercado de trabalho, entretanto, de

fundamental importância para o bem estar de

uma empresa. Os estudantes trabalharam em

equipe durante todas as etapas de projeto,

construção e de teste, portanto, eles tiveram de

conviver em harmonia para o pleno

desenvolvimento de seu principal sonho:

Participar da 19° Competição SAE Brasil de

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Mini Baja, logo mostrar a qualidade do produto

desenvolvido pela equipe e pelo Instituto.

Um bom desempenho do Mini Baja

durante todas as etapas da competição, ou até a

possibilidade da vitória, acarreta na projeção

profissional imediata dos membros da equipe

para os setores privados da indústria nacional.

A equipe vencedora da 19° Competição

SAE Brasil de Mini Baja deterá a oportunidade

de participar da competição Baja SAE Kansas,

nos EUA, conferindo aos membros e à sua

Instituição o direito de visibilidade

internacional, quanto aos termos de produção

tecnológica.

O veículo deverá atender a

características, como os exemplos: ser

monoposto; robusto; visando sua

comercialização ao público entusiasta, não

profissional; seguro e facilmente transportado.

O mesmo também deve ser capaz de vencer

terrenos acidentados em qualquer condição

climática, sem apresentar danos. Para ser

desejado pelo suposto fabricante, o veículo deve

ser atrativo ao mercado consumidor pelo seu

visual, desempenho, confiabilidade e facilidade

de operação e manutenção. Além do fato de ser

fabricado com ferramental padrão, requerendo

pouca ou nenhuma mão-de-obra especializada.

O presente trabalho é de fundamental

importância, devido ao interesse no

desenvolvimento de um veículo produzido pela

primeira vez no Instituto Federal do Pará,

valorizando a instituição assim como o próprio

Estado.

E, os alunos, além de executar

atividades engenharia terão a obrigação de

buscar recursos para patrocinar o projeto. Para

tanto, eles devem proceder de políticas de

marketing perante certas empresas, indústrias,

montadoras, entre outros interessados em

sustentá-los financeiramente e contar com o

apoio de sua Instituição.

Então, com o espírito de desafio, foi

montada a equipe Baja do IFPA, batizada de

Tupinambaja, onde fazem parte 6 (seis) alunos

de Engenharia de Materiais e 4 (quatro) alunos

do curso Técnico em Mecânica, além de um

professor orientador. Os alunos do curso

Técnico em Mecânica ingressaram como

colaboradores.

3. OBJETIVO

O presente trabalho como objetivo

geral o de incentivar estudantes de Engenharia

de Materiais do IFPA a aliar o estudo teórico,

aprendido em salas de aula, à sua prática

laboratorial-experimental, com propósito de

projetar e construção um protótipo automotivo

fora de estrada (off-road) para vencer a 19°

Competição Baja SAE Brasil, a ser disputada

em 2013, na cidade de Piracicaba, São Paulo.

Objetivos específicos:

1. Projetar um protótipo Mini

Baja;

2. Construir um Mini Baja;

3. Competir na Baja SAE Brasil

– Petrobras 2013.

4. METODOLOGIA

Após a formação da equipe iniciou-se

as discussões sobre o que seria o protótipo, os

“rascunhos” mostrados em CAD deram uma

ideia inicial de como seria as dimensões do

veiculo, posteriormente foram feitas

modificações para uma melhor adequação do

projeto.

Através do desenho foi possível

começar a construção do veiculo sendo

inicialmente construída a estrutura principal

denominada de gaiola ou RollCage, que será a

estrutura que irá acomodar o piloto, além dos

demais sistemas do veículo.

A presença dos alunos do curso técnico

de mecânica foi de extrema importância para a

construção, pois os estudantes do técnico

possuem conhecimento prévio nos processos de

fabricação, como usinagem, soldagem etc, com

isso podendo repassar esses conhecimentos aos

demais participantes da equipe.

Depois de pesquisas na literatura e

testes em laboratório foi selecionado o processo

de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas), devido

à alta qualidade do processo e possuir cordões

com ótimo acabamento, aliados a excelentes

propriedades mecânicas.

Como norma para a competição de

Baja SAE Brasil o motor deve ser padrão, sendo

que as modificações estão no sistema de

transmissão somente, onde foi utilizado a

transmissão do tipo CVT (Continuously variable

transmission) do modelo QDS CVT PWB50-

TAS99 a qual é conectada ao eixo traseiro

através de uma correia, este tipo de transmissão

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possui um melhor rendimento e também é o

mais econômico, em relação aos outros sistemas

automático e manual.

O sistema de suspensão utilizado foi o

A simples e o sistema de suspensão traseira

seria o eixo rígido,

O conjunto do sistema de freio foi

adquirido com recurso da equipe, e montado

com sucesso, sendo que o sistema utilizado é do

tipo freio a disco com freio de estacionamento.

O sistema de direção inicialmente foi

utilizado a direção mecânica de um veículo

modelo Kombi, a via de teste, porém como a

caixa de direção não estava em perfeitas

condições o mesmo foi descartado, sendo

desenvolvido um novo sistema de direção

mecânica, no qual utiliza como principio o

sistema de pinhão de cremalheira, favorecendo

assim a diminuição do esforço exercido pelo

piloto no movimento de rotação do volante,

sendo este montado pela equipe, através de

processos como a usinagem e soldagem.

Além da construção em si do veiculo,

os discentes utilizaram de suas habilidades

interpessoais a procura de patrocínio e

divulgação do projeto, no qual os meios de

divulgação foram através de jornais

institucionais e redes sociais, e conseguiram

êxito na aquisição de patrocínio por parte de

empresas privadas que se interessaram no

projeto.

4.1 SISTEMAS DO VEÍCULO

Com base no regulamento foram

selecionados as configurações e equipamentos

que fazem parte dos sistemas do veículo.

Devido ao fato de ser a nossa primeira

experiência nesse tipo de competição e na área

automotiva, decidimos adotar sistemas simples

e ao nosso alcance financeiro.

4.1.1 ESTRUTURA

A estrutura da gaiola obedeceu ao

capítulo 7 do Regulamento Baja SAE Brasil

referente aos Requisitos Mínimos de Segurança.

A mesma é constituída por material aço tubular,

com dois tipos de tubos, como mostra a Figura

1:

Figura 1 - Gaiola

O tubo em vermelho tem 1’’ de

diâmetro externo, com 2mm de espessura de

parede, já o outro em cinza tem 1 ¼’’ de

diâmetro externo, com 1,5mm de espessura de

parede.

A gaiola foi projetada para transportar

uma única pessoa com até 1,90m de altura e

distância mínima de 15cm entre qualquer parte

de seu corpo a qualquer tubo.

Além de abrigar o piloto, a gaiola tem a

incumbência de alojar os demais sistemas do

veículo, como a suspensão, a direção, o freio e a

transmissão de potência.

A estrutura da gaiola foi o primeiro

projeto a ser concluído pela equipe, já que os

demais sistemas iriam se adequar à mesma.

Primeiramente: elaborou-se um

desenho que representaria a estrutura real do

veículo, entretanto, necessitou-se refazê-lo, já

que surgiriam contínuas alterações com o

avançar da construção. A adaptação de projeto

se estendeu mais quatro vezes, até que se

conseguiu atingir a gaiola, cuja geometria é

mostrada na Figura 1.

Após a etapa de idealização, pesquisa e

modelagem em CAD, efetuou-se a etapa de

construção da gaiola. A construção iniciou com

a preparação dos tubos, já que se fazia

necessário cortá-los e preparar suas juntas de

conexão de acordo com o projeto. Para otimizar

a preparação manual das juntas realizaram-se

plotagens em escala 1:1 das contornos das

mesmas, as selas, possibilitando o corte e

acabamento com maior precisão.

O processo de soldagem responsável

por fazer a união entre os tubos foi o TIG

(Tungsten Inert Gas).

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De acordo com Marques, Modenesi e

Bracarense (2009) o processo de soldagem TIG

tem como vantagens, se comparado ao eletrodo

revestido a possibilidade de se soldar peças

metálicas de finas espessuras, como tubulações

de espessuras de 1 a 2 mm. Porém como o

projeto em especifico não prioriza a produção

em massa e sim a qualidade da junta soldada, o

processo TIG ainda é a melhor opção.

Os parâmetros de soldagem utilizados

no processo foram testados e aprimorados de

acordo com o soldador, a corrente de tensão

ideal e a vazão de gás são respectivamente, 60A

e vazão de 16 L/minuto, que resultaram em um

cordão uniforme com um grau de porosidade

mínima e boa velocidade de soldagem.

4.1.2 TRANSMISSÃO E MOTOR

O motor é a fonte de energia do

veículo. Converte a energia calorífica produzida

pela combustão da gasolina em energia

mecânica, capaz de imprimir movimento às

rodas (COSTA, 2002). Normatizado como uma

exceção na competição, por ser padronizado

para todas as equipes, o motor é um Briggs &

Stratton OHV (Figura 2), com rotação máxima

limitada a 3.800 rpm. A unidade desenvolve

10hp de potência e torque máximo de 1,9 kgfm

a 2.800 rpm.

Figura 2 - Motor.

Analisando carros de outras edições da

competição e a disponibilidade de sistemas de

transmissão disponíveis e compatíveis no

mercado, foi escolhido para atuar em conjunto

com o motor a fim de potencializar sua

eficiência e desempenho, trazendo mais

conforto e comodidade para o piloto, um

sistema de transmissão automática Polaris

modelo P90. O próprio fabricante especifica que

o equipamento é projetado para um motor de

potência semelhante ao utilizado na competição

Baja SAE podendo engatar 3600 rpm, e sua

faixa de redução varia de 3,83:1 até 0,76:1. O

conjunto é composto por uma polia motriz e

uma polia conduzida, além de uma correia que

ligam as duas. A condutora, também chamada

de polia de entrada, pois recebe o torque que

vem do motor e a conduzida, polia de saída, por

transferir potência para a árvore de transmissão.

Então elas variam seus raios alternadamente

sempre mantendo a correia tensionada e

gerando um numero infinito de relações de

marchas desde a marcha mais baixa até a

marcha mais alta, Figura 3.

Figura 3 - Ilustração da transmissão

4.1.3 SUSPENSÃO

A suspensão tem por finalidade evitar

que as irregularidades do piso sejam

transmitidas para o carro. Pensando neste

principio e em mais três; gastos de materiais,

custo e eficiência. Foram elaborados dois tipo

de suspensões: simples A e de Eixo rígido,

como mostrado na Figura 4.

Figura 4 - Desenho da Suspensão instalada na

gaiola.

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Dianteira: Foi instalado um sistema

parecido com o de Braço sobreposto ou double

wishbone como é chamado em inglês, porem,

em vez de ter dois braços triangulares ligados ao

cubo de roda contem apenas um braço e entre

ele e a gaiola (Rolle) foi colocado em ângulo

agudo a mola helicoidal e o amortecedor. Este

sistema é independente, ou seja, em rodas do

mesmo eixo as oscilações sofridas por uma não

chegam até a outra (Figura 5).

Figura 5 - Desenho da Suspensão Dianteira.

Traseira: Foi instalado um sistema de

eixo rígido. É do tipo de suspensão mais simples

e antigo que existe. São apenas duas molas e

amortecedores instalados em ângulo reto entre a

gaiola (Rolle) e o eixo. Sendo tão simples seu

custo é baixo, utiliza poucos materiais e não é

necessário manutenção, porem, é um sistema

totalmente dependente, ou seja, as oscilações

sofridas por uma roda chegam à outra de mesmo

eixo (Figura 6).

Figura 6 - Desenho da Suspensão Traseira.

4.1.4 SISTEMAS DE DIREÇÃO

A direção, sistema esse assim como o

freio e o acelerador, são os que matem o contato

do piloto com o veículo. Então, num automóvel,

contudo, o motorista não teria força suficiente

para comandar as rodas da frente se estas

estivessem diretamente ligadas ao volante.

Assim, o sistema de direção inclui um

mecanismo de redução e, às vezes, um

dispositivo de assistência mecânica para

multiplicar o esforço que o motorista aplica ao

volante (COSTA, 2002). Sendo assim, o sistema

escolhido para protótipo foi o de direção pinhão

cremalheira, muito conhecido e difundido na

indústria automotiva, devido ao baixo custo,

fácil fabricação, fácil manutenção, além do mais

a ocupação de pouco espaço e baixo peso,

exemplificada na Figura 7.

Figura 7 - Ilustração da direção

O pinhão é fixado à árvore de direção.

Quando gira o volante, o pinhão gira e

movimenta a cremalheira. A barra de direção

em cada extremidade da cremalheira se conecta

ao braço de direção na manga de eixo. O

conjunto tem duas funções principais: converte

o movimento de rotação do volante de direção

no movimento linear necessário para transladar

as rodas, além do mais, proporciona uma

redução por engrenagens, o que facilita virar as

rodas.

4.1.5 SISTEMA DE FREIO

Como tudo dentro do projeto

BAJA, cada componente a ser colocado na

estrutura do carro deve ter considerado sua

eficiência e seu peso. Para a escolha do sistema

de freio foram utilizados os seguintes critérios:

Fácil Manutenção

Leve

Gradual

Uniforme

Baixo número de

componentes

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Manter o veículo controlável

durante a frenagem

Parar o veiculo no menor

espaço possível

O sistema de freio possui acionamento

hidráulico que é comandado por um cilindro

mestre, que por sua vez é acionado pelo pedal

de freio. Neste sistema de freio a parte dianteira

é independente da traseira. Permite travar as

quatro rodas.

O acionamento ocorre da seguinte

maneira: quando o pedal é pressionado, o fluído

é empurrado pelo cilindro mestre para a

tubulação, ao mesmo tempo a pressão é

transferida pelo fluido incompressível através da

tubulação de freio. O fluido é empurrado

simultaneamente contra o embola da pinça e,

por conseguinte o pistão da pinça empurra as

pastilhas contra o disco de freio. A Figura 8

ajuda a exemplificar o esquema.

Figura 8 - Ilustração do Sistema de Freio

5. RESULTADOS

Todos os sistemas do veículo foram

analisados e projetados de forma a se adaptar à

gaiola que foi projetada e construída de acordo

com os requisitos de segurança do Regulamento

Baja SAE Brasil.

A suspensão dianteira foi construída

conforme a configuração inicial da gaiola, com

sistemas independentes do tipo simples A e

sistema de suspenção traseiro do tipo eixo

rígido, porém o sistema de suspensão dianteiro

após testes iniciais da montagem ocorreu alguns

ajustes, devido a relação de comprimento de

braço de encaixe do amortecedor com o ângulo,

que no sistema inicial não estava suportando a

carga, sendo necessário a diminuição do

tamanho de braço ou torque, e aumento do grau

de angulação do amortecedor em relação ao

suporte de encaixe do amortecedor,

proporcionando assim alta capacidade de

absorção de impacto.

O sistema simples A para cada lado,

harmoniza os movimentos quantos aos

obstáculos que o Projetado vai enfrentar,

juntamente com a mola helicoidal, com

amortecedor inserido ao centro de cada braço

para suportar possíveis impactos. Quanto à

suspensão traseira, foi construído um sistema

simples de eixo rígido que faz da suspensão

homogênea e dois amortecedores de mola

helicoidal equidistantes, suportando as

irregularidades da superfície de forma

continuada entre os lados.

A transmissão CVT sendo simples e

não dependente do piloto para funcionar, faz

com que o mesmo possa se concentrar

diretamente na direção, sem se preocupar com a

troca de marchas.

Um sistema de direção pinhão

cremalheira foi adaptado segundo as dimensões

da gaiola adequando um determinado giro de

volante com menos esforços, convertendo-os no

movimento alinhado das rodas de forma

amplificada devido a uma redução por

engrenagens da cremalheira.

Assim que o sistema de freio aciona

um sistema hidráulico que empurra pastilhas

contra o disco de freio gerando uma frenagem

imediata..

6. CONCLUSÃO

No decorre do projeto os alunos de

Engenharia de Materiais, com o apoio de alunos

do curso Técnico em Mecânica tiveram que

aplicar os conhecimentos adquiridos em sala

aula, de propriedades dos materiais, desenho

técnico mecânico, processos de soldagem, além

de aplicar os conhecimento de física, química e

matemática, e de exercitar a relação

interpessoal, lidando com gestão de pessoas,

arquivos e financeira, com isso, e depois de

meses de trabalho árduo, chegando ao primeiro

veículo Baja construído no IFPA.

7. AGRADECIMENTOS

A Equipe Tupinambaja agradece ao

apoio Pibict pele disponibilidade de bolsas de

incentivo à pesquisa, aos professores do Curso

Técnico em Mecânica do IFPA que foram

nossos parceiros nesse projeto, a Faculdade de

Engenharia Civil da UFPA e a Faculdade de

Engenharia Mecânica da UFPA pela utilização

de diversos laboratórios e conselhos de seus

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professores e ao patrocínio da Powerpoxi e

Tecnofink.

8. REFERÊNCIAS

1 - Regulamento da 19° Competição

Baja SAE Brasil. Disponível em:

<http://www.saebrasil.org.br/eventos/programas

_estudantis/baja2012/Default.aspx>Acesso em

28/04/2012.

2 - MARQUES, P.V; MODENESI,P.J.;

BRACARENSE,A.Q.; Soldagem. Fundamentos

e tecnologia. 1.ed. Belo Horizonte: UFMG,

2005.

3 - COSTA, P. A Bíblia do Carro,

2002.

4 - Como funcionam as CVTs

disponível em:

<http://carros.hsw.uol.com.br/cvt.htm> acesso

em 13/12/12.

5 - A suspensão explicada disponível

em:<http://bestcars.uol.com.br/tecprep/susp-

1.htm> acesso em 13/12/12.