DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE
MODELO MATEMÁTICO DE TRANSMISSÃO CONTINUAMENTE
VARIÁVEL (CVT) PARA VEÍCULO FORA DE ESTRADA BAJA SAE
Aluno: Luciana Heringer Matilde Orientador: José Alberto Reis Parise
Introdução
O atual projeto se basea no sistema de transmissão do veículo fora-de-estrada criado pela Equipe Reptiles Baja PUC-Rio com o objetivo de projetar e fabricar o protótipo. Dessa forma, é possível levá-lo nas duas competições anuais organizadas pela SAE (Society of
Automotive Engineers) que vem acontecendo em São Paulo, nos últimos anos. O modelo de
avaliação dos veículos de cada universidade é separado em dois aspectos, de maneira geral. O primeiro está relacionado à qualidade e eficiencia do projeto, no ponto de vista técnico. Tal critério é analisado tanto nas apresentações de projeto quanto no relatório técnico do protótipo. Por outro lado, o segundo aspecto de avaliação está relacionado com o desenvolvimento dinâmico do Baja, como por exemplo as provas de aceleração máxima, tração e enduro de resistência.
O sistema de transmissão no veículo tem grande influência nos resultados das seguintes provas: de tração, na qual mede a distância e a carga puxada pelo veículo até que ocorra a derrapagem, de lama, na qual o carro ultrapassa uma pscina de lama, de aceleração e velocidade máximas, na qual a partir do tempo e da distância percorrida é possível calcular esses valores, e de rampa, na qual o carro deve ultrapassar uma rampa com inclinação de 90º em média.
Seguindo o regulamento da competição, cada veículo só pode competir por 2 anos, sendo necessário substituí-lo por um outro protótipo. O último projeto da equipe, o Mussurana, sofreu algumas alterações para que o rendimento nas provas fosse otimizado. Porém, houveram alguns resultados insatisfatórios para a equipe e, com o intuito de melhorar o próximo carro, o Naja, será realizado o atual estudo no sistema de transmissão da equipe.
A análise realizada aqui tem como objetivo aumentar o conhecimento do sistema de Transmissão Continuamente Variável (CVT) utilizado no projeto e, consequentemente, potencializar os resultados nas provas dinâmicas do carro. Inicialmente, será criado um sistema para teste da CVT e, a partir disso, adquirir os dados importantes, identificando os parâmetros e as suas influências na resposta dinâmica do veículo.
Componentes do sistema
O atual protótipo conta com um sistema de CVT, caixa de redução por engrenagem de dente reto, projetada pela equipe, e juntas homocinéticas especiais para ATV (All Terrain
Vehicle). O sistema interio foi um avanço em relação ao protótipo anterior, que possuía um
sistema de redução por corrente e eixo rígido. Tal alteração facilitou a manutenção do sistema em função da sua modularidade e aumentou a confiabilidade dos componentes.
O conjunto CVT utilizado pela equipe tem a redução variando de 0,43:1 até 3,0:1, além de possuir uma correia variadora com centro a centro de 232mm. Tal distância é escolhida a fim de deixar o sistema mais compacto, uma vez que a distância limita a posição da caixa de redução em relação ao eixo de saída do motor. Como esse modelo foi adquirido por meio de
patrocínio da CVTech, optou-se por continuar com esse modelo e estudar o seu funcionamento.
Conhecimentos básicos
O conceito da CVT foi, inicialmente, idealizado por Leonardo da Vinci em 1490, porém, a primeira patente registrada foi em 1886. É comumente usado em pequenos veículos como motociletas, jet skis, karts e vem sendo utilizado em carros de passeio. É considerado um tipo de câmbio automático mesmo possuindo um funcionamento diferente. Segundo especialistas, é uma das opções mais confiáveis em termos de funcionamento, robustez e aproveitamento de torque. Além disso, pode promover uma redução de até 10% no consumo de combustível. Isso porque o motor funciona de forma mais uniforme na faixa de rotação ideal.
Uma vez que não apresentam engrenagens, as relações de marcha da CVT são infinitas e quase imperceptíveis ao motorista, promovendo uma aceleração suave, contínua e silenciosa. Dessa forma, variando entre seus extremos, as relações criam uma “marcha” para cada momento.
Os três tipos de CVT são:
1. VDP (Variable-Diameter Pulley – Polias de Diâmetro Variável)
A forma mais usual da CVT é através de duas polias com tamanhos diferentes interligadas por uma correia que se move de acordo com a rotação do motor. Uma das polias está diretamente ligada ao eixo do motor (condutora), e a outra se conecta a fim de transmitir a potência para as rodas (conduzida). Assim, como essas polias possuem seu diâmetro variável, de acordo com a rotação proveniente do motor essas relações vão se alterando. Dessa forma, quando uma das polias diminui de diâmetro a outra polia aumenta de diâmetro alterando a relação de transmissão. Isso significa que o motor pode ir diretamente para o melhor intervalo de rotação em cada situação.
2. T-CVT (Toroidal CVT)
Esse tipo de CVT é feito com discos e roletes e a relação é dada com os movimentos do disco para cima e para baixo, permitindo a variação da velocidade do veículo. Dessa forma, uma vez que um lado do rolo de tração se move para o lado menor do disco, a outra extremidade entra em contato com o lado maior do disco, desacelerando o veículo. Já a aceleração do veículo ocorre opostamente. É esse sistema que permite uma transmissão com variações rápidas de velocidade. Porém, para utilizar esse modelo de CVT é necessária uma alta precisão dos discos e dos rolos assim como um óleo de tração com alto coeficiente de atrito.
A inovação desse modelo se baseia na substituição das correntes ou correias por rolamentos que variam as relações de transmissão. Os rolamentos estabelecem a ligação do eixo de entrada e o de saída e a relação é obtida a partir do ângulo de trabalho formado pelo rolamento. Além disso, a grande vantagem desse modelo está na possibilidade de trabalhar em torque elevado.
3. CVT cone ou CVT de fricção
Já esse modelo, funciona através de dois cones ligados por uma correia. Ou seja, duas polias rotativas ficam em contato em pontos de distância variável de seus eixos de rotação. Assim, a fricção entre as polias em conjunto com a correia em V ou uma roda permitem a transferência de potência entre as polias. De forma geral, caso a roda seja posicionada na extremidade do raio menor do cone condutor, a marcha será lenta e com alto torque. De maneira análoga, caso a roda esteja posicionada na extremidade com maior raio, tem-se uma alta velocidade do cone conduzido e um menor torque.
Desenvolvimento experimental
Como dito anteriormente, o principal objetivo desse estudo é determinar as influências de cada parâmetro no sistema de transmissão e entender como potencializar o desempenho do Baja nas competições. Para isso, foi desenvolvido um protótipo para teste, chamado de Bancada CVT. Nela foram posicionados o motor e as polias da CVT garantindo tanto a distância entre os eixos das polias quanto a inclinação do motor. Dessa forma, os resultados encontrados nos testes são mais confiáveis.
A análise desse teste é realizada por meio da rotação da polia movida e da polia motora, ou seja, obtém-se a taxa de abertura da polia movida e o fechamento da polia motora relacionados à rotação do motor. Para isso, foi desenvolvido um circuito em uma placa ilhada.
1. RPM do Motor
O motor utilizado possui 4 partes que serão importantes: o volante, a bobina, o fio primário da bobina e a vela. Ao puxar a corda do motor gira-se o volante, sendo que o mesmo possui um imã e está alinhado com a bobina. Dessa forma, quando o imã passa pela bobina, gera-se uma corrente induzida, a qual é transmitida pelo cabo da vela até a vela para gerar a centelha.
No último projeto utilizava-se um sensor de efeito Hall (A3144) alinhado com o volante do motor, dessa forma conseguia-se detectar cada vez que o imã do volante passava. Entretanto, problemas com a fixação e com a imprecisão do sensor impossibilitaram a utilização desse modelo.
Para solucionar esse problema foi estudada a possibilidade de utilizar o sinal proveniente do primário da bobina do motor para detectar quando o imã passa. Utilizando um osciloscópio foi visualizado um sinal senoidal (representado na figura abaixo) que a cada vez que o imã passa (uma rotação) obtém-se dois picos e um vale. Dessa forma, é preciso, então, tratar esse sinal de duas formas. Primeiramente, deve-se isolar apenas a parte negativa e depois diminuir a tensão para não queimar a porta do microcontrolador, visto que o máximo que ele aguenta é 5V.
Para satisfazer a necessidade desenvolveu-se um circuito (representado na figura abaixo) com uma meia ponte retificadora e um opto acoplador 4N25. A meia ponte elimina a parte positiva do sinal e o opto acoplador foi montado de forma que mande um sinal de 5V toda vez que a parte negativa do sinal passar. O circuito, resulta em um novo sinal que é enviado para o microcontrolador. O mesmo foi simulado no software Proteus, e o resultado mostra apenas a onda negativa passando e enviando um pulso de 5V para o ATMega.
Com os dados chegando no microcontrolador basta fazer o programa de cálculo do RPM. Para fazer isso basta saber a variação de tempo entre cada dado que chega, dessa forma tem-se:
OBS: o numerador é 60000, pois o tempo é medido em milissegundos.
Na programação foi utilizada interrupção, dessa forma, toda vez que o imã passa o programa interrompe o que está acontecendo para fazer o cálculo do RPM. Entretanto, os valores calculados mostraram-se muito instáveis e foi necessário implementar no próprio código, um cálculo do desvio padrão para os valores encontrados. Desta forma, os ruídos diminuíram consideravelmente, o que tornou a medição muito mais confiável.
2. RPM da Polia Movida
Para o cálculo do RPM da polia foi utilizada a mesma lógica que é adotada no cálculo de velocidade do carro. Para aquisição desse dado utilizamos o sensor indutivo NPN LJ12A3-4-Z/BX posicionado em um suporte e alinhado com uma chapa de dois dentes, a qual se move com a mesma rotação da polia. Dessa forma, ele capta quando há a passagem dos dentes ou não.
É importante informar que este sensor não é o mais adequado para esta medição, isso porque ele possui uma frequência máxima de medição, e quando esta é ultrapassada, o sensor passa a transmitir valores aleatórios e já não é mais de confiança. Isso é o que acontece quando o RPM passa de 2000 ou quando se utiliza um chapa com 4 dentes, o que infelizmente, atrapalha na medição já que quanto maior o número de pontos, maior é a precisão dos dados. Uma opção seria utilizar o sensor opto interruptor ITR 9608, porém essa alteração foi impossibilitada devido à imprevistos no cronograma. Independente do sensor escolhido, ou da quantidade de dentes na chapa, a lógica do programa é calcular o tempo que demora para detectar um dente e calcular o RPM sabendo a quantidade de dentes que são detectados em 1 volta.
Abaixo é a conta que é feita para o RPM da polia movida:
OBS: o primeiro numerador é 60000, pois o tempo é medido em milissegundos 3. Relação
Sabendo o RPM do motor e da polia é possível então calcular a relação no programa com a seguinte fórmula:
Uma vez garantido a obtenção dos dados, foram realizados os testes. Os principais parâmetros analisados são: ângulos de cames, pesos, rigidez das molas, torque resistivo e Rotações Por Minuto (RPM) do motor. Dentre esses dados foram separados os pesos e as molas fazendo combinações entre si, o que gerou um total de 25 setups. O primeiro gráfico pertinente relaciona a porcentagem de abertura da polia com o RPM do motor. Um dos resultados obtidos é o gráfico abaixo onde foram plotadas 3 respostas dinâmicas de diferentes configurações. Ou seja, ao aumentar a massa dos pesos de 150g para 275g na polia motora e ao alterar a rigidez da mola da polia movida de 4,130N/mm para 6,985N/mm há uma alteração na taxa de abertura da polia em relação ao RPM do motor.
A partir dos diversos resultados encontrados, foi possível identificar as melhores configurações para cada estilo de prova dinâmica da competição. Dessa forma, nas provas de tração e suspension & traction, o setup utilizado terá como parâmetros: mola da polia motora
com rigidez de 55,6N/mm; mola da polia movida com rigidez de 6,98N/mm; peso da polia motora 275g. Por outro lado, para as provas de velocidade, aceleração e enduro foi determinado a seguinte configuração: mola da polia motora com rigidez de 13,4N/mm; mola da polia movida com rigidez de 6,98N/mm; peso da polia motora de 150g.
Considerações finais
O teste descrito no presente relatório gerou um resultado satisfatório, porém a influência de um torque resistivo no sistema é de extrema importância. Assim, realizar um estudo mais aprofundado nesse sentido e refazer o teste considerando esse fator pode ser uma opção de melhoria do projeto. Dessa forma, o estudo da CVT em questão teve um resultado expressivo no conhecimento do sistema de transmissão e na tomada de decisão dos parâmetros da mesma. Isso faz com que os resultados dinâmicos do veículo sejam otimizados. Além disso, a partir desses resultados passa a ser mais interessante a modelagem matemática do sistema. Entretanto, essa modelagem deve ser feita de forma que mesmo que haja a troca da CVT o modelo seja aplicável.
Referências
1 - RATBSB, Regulamento administrativo e técnico, Baja SAE Brasil. Disponível em: http://portal.saebrasil.org.br/programas-estudantis/baja-sae-brasil/regras.
2 – NAUNHEIMER, H., BERTSCHE, B., RYBORZ, J., e NOVAK, W. – Automotive Transmissions: Fundamentals, Selection Design and Application.
