Controlo dos Mastros

O controlo dos mastros é um aspeto de elevada importância, sendo necessário que a estabilidade e fiabilidade do sistema seja elevada, por forma a se garantir que o veleiro é capaz de ajustar o ângulo das velas de forma precisa, tirando maior partido das condições envolventes, navegando de forma eficaz e eficiente. Ficou estipulado que os mastros seriam comandado através de rodas dentadas, e que o feedback da posição das mesmas seria efetuado através de um potenciómetro.

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Iniciou-se o projeto do sistema de controlo dos mastros através da definição do tipo de rodas dentadas que se iria utilizar. Recorrendo a estudos prévios, definiu-se que se iria utilizar rodas dentadas helicoidais duplas, também conhecidas como dentes em espinha (Barros, 2011). Estas rodas dentadas tem a vantagem de ter baixo escorregamento, induzindo baixas pressões axiais. Isto significa que as rodas dentadas não têm tendência a se afastarem uma da outra no sentido axial. Outra vantagem deste tido de roda dentada é a folga rotacional entre duas rodas rentadas ser pequena, o que neste sistema em especifico se traduz em maior precisão no ângulo da vela (Barros, 2011).

O próximo passo foi a definição do arranjo geral do sistema. Definiu-se que o sistema seria constituído por duas rodas dentadas principais, uma encastrada diretamente ao mastro, e outra encastrada ao motor de acionamento do mastro. Após consulta de mercado, a melhor solução encontrada foi a utilização do conjunto motor e caixa redutora de uma pistola a parafusadora marca Ikea com a referência 202.141.99, conforme Figura 21.

Figura 21 - A Parafusadora utilizada no projeto

A vantagem da utilização destes componentes advém do facto de o motor ter a cupulado um sistema de redução por engrenagem planetárias, que reduz as rotações do motor para aproximadamente 200 rotações por minuto, e aumenta consideravelmente o binário. Não existe informação específica a cerca do valor do binário. Outra vantagem é este sistema já trazer incorporado uma bateria de lítio 3.6 V/1.3 Ah, bem como a placa e transformador de carregamento da mesma. Definiu-se ainda que, embora este motor tivesse binário suficiente para rodar o mastro, através das rodas dentadas, se faria uma redução ainda maior.

27 Ficou decidido que a roda dentada que encastro no mastro teria 100 mm de diâmetro, por motivos de espaço, ou seja, para ser de dimensão compatível com o espaço onde irá trabalhar. Ficou ainda definido que a roda dentada pequena teria 40 mm de diâmetro. O rácio ou a redução (Smith, 2001) obtida por este sistema está expresso na Equação 6.

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Equação 6 - Redução no Sistema

É possível efetuar o cálculo através do diâmetro da roda dentada porque o número de dentes utilizado é proporcional ao raio da roda dentada (Robots, 2016). O desenho deste tipo de roda dentada é muito complexo, porque tem de se ter em atenção a forma e o número de dentes nas duas rodas dentadas, para que trabalhem sem interferência, mas com a maior área de contacto possível, por forma a diminuir a pressão de contacto, e consequentemente, a probabilidade de falha da mesma. Na Figura 22 encontra-se o desenho da roda dentada que encaixa no motor do sistema.

Figura 22 - Roda dentada de controlo do mastro pequena

O entalhe em forma de cruz serve para encaixe de uma peça que garante que não existe movimento relativo entre o veio do motor e a roda dentada. Esta peça foi igualmente desenhada recorrendo ao mesmo programa e encontra-se na Figura 23

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Figura 23 - Peça de fixação da roda dentada

Em seguida desenhou-se a roda dentada que fica solidária com o mastro. Esta roda dentada tem diâmetro de 100 mm. A forma e tamanho dos dentes é igual à roda dentada que encaixa no servo, por forma a assegurar o funcionamento de ambas. Foi ainda previsto e desenhado uma extensão da roda dentada em perfil tubular, por forma a esta ser aparafusada ao mastro. Na Figura 24 encontra-se o desenho da peça.

Figura 24 - Roda dentada de controlo do mastro grande

Após as duas peças estares desenhadas, foram impressas em 3D de modo a verificar a efetividade das peças. Utilizou-se PLA (Polylactic acid) para ambas as peças, com um enchimento de 20% em forma de hexágono, a temperatura foi 210 ºC e os layers

de 0,4 mm. Devido à forma complexa que as rodas dentadas apresentam, o slicer das mesmas foi uma tarefa demorada, pois exige muita capacidade computacional. Na Figura 25 encontra-se a roda dentada mais pequena após slice e pronta a imprimir.

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Figura 25 - Roda dentada após Slice no programa Repetier-Host, pronta a imprimir

Verificou-se que devido ao coeficiente de dilatação do material, a peça contraia ligeiramente. Foi necessário aumentar ao furo da roda dentada pequena 0,25 mm por forma a este encaixar no veio do motor. As restantes características das peças estavam satisfatórias, verificando-se que possuíam boas capacidades mecânicas, ou seja, foi efetuado um teste no qual o sistema foi montado. Verificou-se que os dentes das rodas dentadas não entravam em falha, mesmo quando se parava o veio do mastro e se colocava o motor em carga. Assumiu-se que este seria o máximo esforço que as peças estariam sujeitas, embora, seja importante em trabalho futuro realizar testes mecânicos complementares, a fim de se obter o valor máximo de binário que o conjunto suporta.

Iniciou-se então o projeto dos restantes componentes. Primeiro desenhou-se a estrutura que serviria de base a todo o sistema. Inicialmente esta estrutura era constituída por uma peça única, contudo, verificou-se que seria mais pertinentes este suporte estar dividido em duas peças, por forma a possibilitar a afinação. Nesta estrutura existe o suporte para o potenciómetro, e o suporte para as restantes rodas dentadas que fazem a ligação entre o mastro e o potenciómetro.

As rodas dentadas de ligação ao potenciómetro foram desenhadas utilizado dentes retos. Foi feita uma desmultiplicação de 2:1 entre o mastro e o potenciómetro. O potenciómetro entre a resistência máxima e mínima corresponde apenas a meia volta do seu veio. Em caso de falha do sistema de controlo do mastro, rapidamente o potenciómetro poderia chegar ao limite mecânico, danificando-se. Fazendo a desmultiplicação, garante-se que existe mais folga até este atingir o máximo. O sistema de feedback da posição do mastro tem três rodas dentadas. Uma solidaria com o veio do potenciómetro, outra solidaria com o mastro e uma intermédia que faz a desmultiplicação

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das rotações. A roda dentada intermédia tem ainda a função de permitir um arranjo que permite uma fácil montagem dos componentes.

Existe ainda uma peça que faz a fixação do motor ao suporte do sistema. Esta peça é fixa através de quatro parafusos e tem como função manter o motor na posição devida, permitindo ainda o ajuste do ângulo do mesmo, por forma a um melhor encaixe das rodas dentadas. O sistema assume a forma apresentada na Figura 26.

Figura 26 - Sistema de controlo do mastro

Após impressão e montagem dos componentes, o arranjo do sistema é o representado na Figura 27.

Figura 27 - Arranjo final do sistema de controlo dos mastros